收費(fèi)廣場(chǎng)與主線路面拼接設(shè)計(jì)影響因素分析

張勇 于俐婷 高連天 張繼 張久鵬 王富玉 屈甜

摘 要：采用ABAQUS軟件建立收費(fèi)廣場(chǎng)路面與主線路面拼接模型，基于收費(fèi)廣場(chǎng)瀝青路面受力特征，結(jié)合水平荷載、拼接臺(tái)階寬度、摩擦系數(shù)以及荷載作用位置等不同因素，對(duì)拼接處應(yīng)力的進(jìn)行分析。研究結(jié)果確定了收費(fèi)廣場(chǎng)拼接臺(tái)階設(shè)置為改擴(kuò)建最優(yōu)搭接方式，得到收費(fèi)廣場(chǎng)路面與主線路面拼接處臺(tái)階最佳拼接寬度為40～60cm，在此基礎(chǔ)上增大摩擦系數(shù)能有效緩解收費(fèi)廣場(chǎng)搭接處反射裂縫產(chǎn)生，結(jié)果可為收費(fèi)廣場(chǎng)區(qū)域拼接處設(shè)計(jì)提供理論參考與技術(shù)借鑒。

關(guān)鍵詞：收費(fèi)廣場(chǎng)? 拼接設(shè)計(jì)? 瀝青路面? 有限元? 應(yīng)力

中圖分類號(hào)：U417.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）12（c）-0030-09

Abstract： The ABAQUS software is used to establish the splicing model of the toll plaza pavement and the main line surface. Based on the stress characteristics of the toll plaza asphalt pavement， combined with different factors such as horizontal load， splicing step width， friction coefficient and load acting position， the stress of the splicing place is analyzed. The research results determined that the splicing steps of the toll plaza are the optimal lap method for reconstruction and expansion， and the optimal splicing width of the steps at the joint of the toll plaza road surface and the main line surface is 40cm-60cm. On this basis， increasing the friction coefficient can effectively alleviate the toll plaza. Reflective cracks in the lap joints are produced， and the results can provide theoretical and technical reference for the design of the toll plaza area splicing area.

Key Words： Toll plaza; Splicing design; Asphalt pavement; Finite element; Stress

高速公路收費(fèi)廣場(chǎng)車輛啟動(dòng)制動(dòng)頻繁，普遍存在交通量大、慢速交通密集現(xiàn)象。高速公路改擴(kuò)建主要通過(guò)增加車道數(shù)方式滿足交通量增長(zhǎng)需求，其中舊路處理再利用、新舊路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定結(jié)合以及反射裂縫問(wèn)題亟需解決。改擴(kuò)建方式如果處理不當(dāng)，高速公路的使用功能將因?yàn)r青路面的表面產(chǎn)生的接縫產(chǎn)生嚴(yán)重影響。而現(xiàn)有高速公路的改擴(kuò)建方式主要包括單側(cè)和雙側(cè)開(kāi)挖臺(tái)階來(lái)控制新舊路基的應(yīng)力位移導(dǎo)致的瀝青面層開(kāi)裂。

收費(fèi)廣場(chǎng)與主線路面拼接處與高速公路改擴(kuò)建拼接處情況類似，不同之處在于設(shè)計(jì)荷載方向，高速公路的改擴(kuò)建拼接以豎向荷載為主，收費(fèi)廣場(chǎng)與主線路面拼接結(jié)構(gòu)，需要考慮車輛制動(dòng)和啟動(dòng)作用產(chǎn)生的水平荷載與搭接豎向荷載綜合作用，分析拼接結(jié)構(gòu)內(nèi)部動(dòng)力響應(yīng)[1-4]。

新建瀝青路面收費(fèi)廣場(chǎng)，當(dāng)路面結(jié)構(gòu)選擇雙層式瀝青面層時(shí)，與之連接的路面大都形成固定的三層式路面，在荷載作用下，兩種不同結(jié)構(gòu)的拼接處成為薄弱環(huán)節(jié);若收費(fèi)廣場(chǎng)瀝青面層結(jié)構(gòu)選擇三層式時(shí)，需要考慮到兩種結(jié)構(gòu)在荷載作用下因基層形式的不同所帶來(lái)的應(yīng)力和位移差異。對(duì)于改建收費(fèi)廣場(chǎng)即僅考慮廣場(chǎng)區(qū)域路面形式的變更時(shí)，舊收費(fèi)廣場(chǎng)的水泥混凝土面層將成為改建收費(fèi)廣場(chǎng)的基層形式，因此改建的收費(fèi)廣場(chǎng)路面結(jié)構(gòu)與主線路面結(jié)構(gòu)的基層形式，加鋪瀝青面層的厚度存在差異的情況下依然需要進(jìn)行拼接設(shè)計(jì)。

南秋彩利用ANSYS有限元軟件建立了拼接路面結(jié)構(gòu)模型，結(jié)果表明，設(shè)置搭接時(shí)路面承受應(yīng)力要明顯小于不設(shè)搭接狀態(tài)，存在合理的搭接臺(tái)階尺寸使得最大剪應(yīng)力和最大拉應(yīng)力出于最優(yōu)狀態(tài)[5]。張婷通過(guò)調(diào)研方法發(fā)現(xiàn)我國(guó)建設(shè)初期的高速公路服務(wù)水平和通行能力落后于現(xiàn)有交通發(fā)展的需求，大部分高速公路都需要進(jìn)行改擴(kuò)建設(shè)計(jì)，通過(guò)有限元計(jì)算高速公路不同搭接寬度和荷載作用不同位置的路面力學(xué)響應(yīng)，提出了合理的路面拼接形式和施工注意事項(xiàng)[6]。唐咸遠(yuǎn)應(yīng)用有限元建立了7種高速公路路面拼接模型，通過(guò)對(duì)不同搭接寬度下的拉應(yīng)力及剪應(yīng)力變化規(guī)律的研究，確定了改擴(kuò)建高速公路新舊拼接結(jié)構(gòu)的最優(yōu)搭接寬度為50cm[7]?？挛暮缿?yīng)用ABAQUS建立了不同搭接寬度高速公路擴(kuò)建模型，并分析了荷載位置對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的內(nèi)部動(dòng)力響應(yīng)，結(jié)果得到最大拉應(yīng)力有所增加，但應(yīng)力分布較均勻，同時(shí)根據(jù)對(duì)荷載作用位置的研究，確定了荷載最不利位置[8]。樊金山使用ANSYS建立了拓寬路基新老路面搭接問(wèn)題模型，結(jié)果表明新老路面設(shè)置搭接臺(tái)階可以使新老路面搭接處的受力更加均勻，也可以有效地減小和克服拼接縫處拉應(yīng)力和剪應(yīng)力集中的現(xiàn)象，搭接臺(tái)階尺寸不小于30cm，拼接縫兩側(cè)各50cm范圍屬于荷載不利作用范圍[9]。

分析得出，在不同水平力作用時(shí)，頂層接縫處的瀝青面層層底動(dòng)力響應(yīng)均為先增大后減小沿道路中線對(duì)稱分布趨勢(shì)，但峰值存在一定差異，如表2所示。

3種工況條件下，面層層底的最大拉應(yīng)力均為壓應(yīng)力（負(fù)值），其中減速行駛條件下層底壓應(yīng)力最小，無(wú)水平力條件下次之，加速條件下的壓應(yīng)力最大，結(jié)果表明車輛在減速行駛條件下瀝青面層層底壓應(yīng)力情況最優(yōu)，說(shuō)明針對(duì)島前廣場(chǎng)車輛制動(dòng)減速情況，臺(tái)階的置有利于減小瀝青面層層底拉應(yīng)力。同理，分析剪應(yīng)力模擬結(jié)果，得到車輛減速行駛情況下面層層底剪應(yīng)力最小，無(wú)水平力條件下次之，車輛加速行駛條件下剪應(yīng)力最大，結(jié)果表明車輛在減速行駛條件下瀝青面層層底剪應(yīng)力情況最優(yōu)，說(shuō)明針對(duì)島前廣場(chǎng)車輛制動(dòng)減速情況，該臺(tái)階的設(shè)置有利于減小瀝青面層層底剪應(yīng)力，證明島前廣場(chǎng)的設(shè)置拼接臺(tái)階具備合理性。

3.2 拼接臺(tái)階寬度影響

采用豎向荷載和水平荷載共同作用于頂層接縫處，研究收費(fèi)廣場(chǎng)路面與主線路面拼接處臺(tái)階搭接寬度影響，對(duì)0cm、30cm、40cm、60cm及120cm5種不同的臺(tái)階搭接寬度工況進(jìn)行瀝青面層層底內(nèi)部的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力進(jìn)行分析，不同搭接寬度下頂層搭接縫處瀝青面層層底拉應(yīng)力和剪應(yīng)力情況如圖7和圖8所示。

結(jié)果表明，臺(tái)階拼接寬度會(huì)對(duì)瀝青面層層底拉應(yīng)力和剪應(yīng)力產(chǎn)生影響，五種不同臺(tái)階拼接寬度應(yīng)力結(jié)果不同，均隨道路中線呈軸對(duì)稱分布，且搭接臺(tái)階寬度下拉應(yīng)力和剪應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在道路中線處。頂層搭接縫處瀝青面層層底為壓應(yīng)力，而當(dāng)臺(tái)階拼接寬在0～30cm范圍內(nèi)變化時(shí)，最大壓應(yīng)力呈現(xiàn)出隨臺(tái)階拼接寬度增大而增大的趨勢(shì)，而臺(tái)階拼接寬度在30～120cm范圍內(nèi)變化時(shí)，其最大壓應(yīng)力呈現(xiàn)出隨臺(tái)階拼接寬度增大而減小的趨勢(shì)。分析可得，當(dāng)臺(tái)階拼接寬度為30cm時(shí)，其瀝青層底壓應(yīng)力最大，是模型最不利情況，當(dāng)模型的臺(tái)階搭接寬度為40～120cm，其瀝青層底壓應(yīng)力小于不設(shè)臺(tái)階模型時(shí)的瀝青層底壓應(yīng)力，表明此時(shí)模型能夠提高其抗裂能力，故應(yīng)設(shè)置臺(tái)階拼接寬度為40～120cm。

針對(duì)不同拼搭接寬度對(duì)瀝青層底橫向剪應(yīng)力，當(dāng)臺(tái)階拼接寬在0～30cm范圍內(nèi)變化時(shí)，剪應(yīng)力呈現(xiàn)隨臺(tái)階拼接寬度增加而增大的趨勢(shì)，當(dāng)臺(tái)階拼接寬度在40～60cm范圍內(nèi)變化時(shí)，臺(tái)階搭接寬度增加其剪應(yīng)力表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)臺(tái)階拼接寬度在60～120cm范圍內(nèi)變化時(shí)，剪應(yīng)力呈現(xiàn)隨臺(tái)階拼接寬度增加而增大的趨勢(shì)，但此變化趨勢(shì)較小，故可認(rèn)為在此臺(tái)階搭接寬度下對(duì)瀝青層底剪應(yīng)力的影響較小。

提取不同臺(tái)階拼接寬度下道路中線處的瀝青層底拉應(yīng)力及剪應(yīng)力如圖9和圖10所示。

拼接臺(tái)階寬度增加，瀝青層底最大橫向壓應(yīng)力出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)臺(tái)階拼接寬度為40cm時(shí)其壓應(yīng)力值小于不設(shè)臺(tái)階寬度時(shí)的壓應(yīng)力值，且當(dāng)搭接寬度為120cm時(shí)其壓應(yīng)力最小，故可認(rèn)為當(dāng)臺(tái)階拼接寬度大于40cm時(shí)臺(tái)階的設(shè)置對(duì)結(jié)構(gòu)有利。針對(duì)瀝青層底最大橫向剪應(yīng)力，當(dāng)臺(tái)階拼接寬度增加時(shí)，其瀝青層底最大橫向剪應(yīng)力表現(xiàn)處先增大后減小再增大的趨勢(shì)，當(dāng)臺(tái)階拼接寬度為40～60cm時(shí)，其瀝青層底最大橫向剪應(yīng)力最小，剪應(yīng)力分析臺(tái)階最佳拼接寬度為40～60cm。綜合臺(tái)階拼接寬度對(duì)瀝青層底拉應(yīng)力和剪應(yīng)力均存在影響，在實(shí)際鋪設(shè)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)考慮設(shè)置最佳臺(tái)階拼接寬度為40～60cm。

3.3 摩擦系數(shù)影響

拼接臺(tái)階模型摩擦作用包括豎向摩擦和橫向摩擦兩個(gè)部分，均符合庫(kù)倫摩擦定律，如圖11所示。豎向摩擦作用于接觸面垂向，相互分離時(shí)接觸壓力為零，約束設(shè)置失效;橫向摩擦沿接觸面切向發(fā)生相互作用，包括相對(duì)滑動(dòng)和摩擦[26]。研究采用庫(kù)倫摩擦原理，分析搭接臺(tái)階切向摩擦系數(shù)對(duì)拼接結(jié)構(gòu)頂層搭接縫處瀝青面層層底拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的影響。

建立30cm、60cm和120cm三個(gè)拼接臺(tái)階寬度模型在不同拼接臺(tái)階橫向摩擦系數(shù)下的有限元模型，研究搭接臺(tái)階橫向摩擦系數(shù)對(duì)收費(fèi)廣場(chǎng)與主線結(jié)構(gòu)拼接結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力的影響，分析其拼接結(jié)構(gòu)頂層搭接縫處瀝青面層層底拉應(yīng)力和剪應(yīng)力情況，其數(shù)據(jù)如表3所示。

當(dāng)臺(tái)階拼接寬度為30cm和60cm時(shí)，在拼接臺(tái)階摩擦系數(shù)從0.2增加到0.7的過(guò)程中，拼接結(jié)構(gòu)頂層搭接縫處瀝青面層層底拉應(yīng)力和剪應(yīng)力變化并不明顯，基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，表明在此工況下拼接臺(tái)階摩擦系數(shù)對(duì)拼接結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響不明顯;當(dāng)臺(tái)階拼接寬度為120cm時(shí)，在搭接臺(tái)階摩擦系數(shù)從0.2增加到0.7的過(guò)程中，拼接結(jié)構(gòu)頂層搭接縫處瀝青面層層底拉應(yīng)力數(shù)值逐漸減小，而剪應(yīng)力則基本不變保持穩(wěn)定，如圖12及13所示。

分析表明，搭接臺(tái)階摩擦系數(shù)從0.2到0.7的增加過(guò)程中，隨著搭接臺(tái)階寬度的增大，搭接臺(tái)階的摩擦系數(shù)對(duì)拼接結(jié)構(gòu)頂層搭接縫處瀝青面層層底拉應(yīng)力影響越來(lái)明顯，從拉應(yīng)力的數(shù)值來(lái)看，增大搭接臺(tái)階的摩擦系數(shù)，瀝青面層層底拉應(yīng)力數(shù)值減小，可以降低搭接縫頂層產(chǎn)生反射裂縫的風(fēng)險(xiǎn)，但搭接臺(tái)階的橫向摩擦系數(shù)對(duì)拼接結(jié)構(gòu)頂層搭接縫處瀝青面層層底剪應(yīng)力的影響并不明顯。綜合分析可得，搭接臺(tái)階的切向接觸摩擦系數(shù)選擇接近應(yīng)于1，即可以通過(guò)撒布粘層油和鋪設(shè)土工格柵的方式，增大臺(tái)階的橫向摩擦系數(shù)，在一定程度上控制搭接縫瀝青路面層底混合料反射作用產(chǎn)生。

4? 結(jié)論

（1）對(duì)現(xiàn)有收費(fèi)廣場(chǎng)路面進(jìn)行調(diào)查研究，分析收費(fèi)廣場(chǎng)與主線路面結(jié)構(gòu)的裂縫產(chǎn)生原因，利用有限元軟件建立收費(fèi)廣場(chǎng)路面與主線路面拼接模型，驗(yàn)證了臺(tái)階拼接方法實(shí)現(xiàn)應(yīng)力緩解可行性。

（2）分析無(wú)水平荷載，制動(dòng)水平荷載和加速水平荷載條件下，拼接結(jié)構(gòu)接縫處瀝青面層層底拉應(yīng)力及剪應(yīng)力變化情況，表明島前廣場(chǎng)拼接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以良好利用汽車制動(dòng)以及汽車加速所帶來(lái)的水平力，使得瀝青層層底拉應(yīng)力和剪應(yīng)力保持在較低水平，表明臺(tái)階搭接模型考慮水平力作用具備實(shí)際意義。

（3）建立0cm、30cm、40cm、60cm及120cm5種臺(tái)階搭接寬度工況模型，對(duì)頂層拼接縫處瀝青面層層底的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力進(jìn)行研究，分析得出搭接寬度為40～60cm時(shí)，頂層拼接縫處瀝青面層層底的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力均保持在較小范圍內(nèi)，故收費(fèi)廣場(chǎng)路面最優(yōu)搭接寬度范圍為40～60cm。

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