基于Abaqus 計算下某舊水泥路面加鋪黑化瀝青結(jié)構(gòu)性能分析研究

鄭盛華

（寧德市路興設(shè)計有限公司，寧德 352202）

1 引言

當(dāng)前我國較多道路由于使用年限較長， 行車荷載不明確，導(dǎo)致部分舊水泥路面出現(xiàn)局部裂縫及道路積水，極大威脅行車安全性， 為此針對舊水泥路面開展加鋪黑化瀝青結(jié)構(gòu)層具有重要作用[1-3]。 已有較多學(xué)者或工程師通過有限元分析方法探討了荷載與溫度變形對路面結(jié)構(gòu)壽命影響[4,5]，也有學(xué)者基于現(xiàn)場加載試驗(yàn)，獲得加鋪黑化瀝青結(jié)構(gòu)性能影響參數(shù)[6-8],另有一些學(xué)者利用理論分析手段，建立黑化結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，分析影響模型穩(wěn)定性的重要因素，探討應(yīng)對黑化瀝青結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的措施[9-11]。 由于地區(qū)差異性導(dǎo)致道路面臨外界因素出現(xiàn)較多區(qū)別， 因而針對具體工程實(shí)例， 開展病害調(diào)查， 做出針對性應(yīng)對措施，強(qiáng)化黑化瀝青結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為快速解決舊水泥路面加鋪休整提供重要保障。

2 工程概況

東部某城市進(jìn)行城區(qū)改造之時， 其中一條主要交通干道為水泥路面，次級主干道，路段長為2.2km，其中機(jī)動車道占15m，綠化帶長度共分為兩個隔間，每個隔間為1.5m，輔道寬度為6m，另在道路兩側(cè)還分布行人道4.5m，道路跨有湖濱公園，穿越有8 個道路岔口，其中有3 個紅綠燈路口，沿途分布有學(xué)校、居民小區(qū)、體育場所等。路面仍設(shè)置有排水溝渠，暗渠輸排，間隔3.5m，設(shè)置有豎桿照明燈光，均為光照太陽能蓄電，兩側(cè)對稱式布置。 該路段實(shí)景如圖1 所示。

圖1 研究路段實(shí)景圖

根據(jù)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該路段路面結(jié)構(gòu)破損較嚴(yán)重，出現(xiàn)較多凹陷處、部分排水設(shè)施使用年限較長，積水過多，路面平整度極差，行車舒適性較差，經(jīng)統(tǒng)計在下午17 點(diǎn)至19 點(diǎn)，每個紅綠燈路口通行時間在15min 以上。 路段內(nèi)還出現(xiàn)局部橫、豎向裂縫，另部分水泥路面裂縫施工之時填充效果較差，面板接縫處開口裂縫寬度近10cm。 圖2 為該路段內(nèi)統(tǒng)計出各病害類型占比。 從圖中可看出，該路段中裂縫占比接近一半， 反射裂縫包括有溫度變化引起水泥路面漲縮，產(chǎn)生橫、縱向裂縫，此亦表明路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能不佳，穩(wěn)定性欠缺；另外道路結(jié)構(gòu)水損壞類型占比也達(dá)到21%，結(jié)構(gòu)水來源如圖3 所示，結(jié)構(gòu)水活動于裂縫中，降低水泥混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)力，進(jìn)一步導(dǎo)致路面出現(xiàn)損壞。

圖2 研究路段內(nèi)病害類型占比

圖3 結(jié)構(gòu)水來源示意圖

3 舊水泥路面黑化結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于該路段內(nèi)裂縫與結(jié)構(gòu)水危害為最主要路面病害， 故而考慮設(shè)計一種防止路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過多裂縫與結(jié)構(gòu)水累積的黑化結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。筆者認(rèn)為該路段內(nèi)產(chǎn)生較多反射裂縫主要由路面結(jié)構(gòu)承載能力與溫度變化引起的， 其中路面結(jié)構(gòu)承載能力較弱分析是路面骨架結(jié)構(gòu)長期受到上覆行車循環(huán)累計荷載造成的， 故而對該舊水泥路面進(jìn)行黑化瀝青加鋪時， 設(shè)計剛性阻斷條于構(gòu)造縫處，減少構(gòu)造縫受到上覆剪切載荷影響，并提高兩側(cè)水泥路面抗拉特性，減少承載裂縫的產(chǎn)生。對于溫度變化引起荷載，考慮在構(gòu)造縫下部設(shè)計有倒梯形切口，分散溫度變化引起的熱脹冷縮，給予混凝土面板一定空間進(jìn)行變形，進(jìn)而減少由熱脹冷縮混凝土顆粒擠壓而成的溫度裂縫。根據(jù)材料力學(xué)力平衡理論， 減少應(yīng)力集中將有助于提升材料整體性能，延長材料使用壽命，故將剛性阻斷帶焊接在上部面層結(jié)構(gòu)中，下部架設(shè)錨固鉚釘，保證剛性阻斷帶不發(fā)生滑移。

圖4 黑化結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

4 結(jié)構(gòu)性能數(shù)值模擬分析

4.1 模型建立與約束參數(shù)

為分析方便，對路面黑化結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，獲得如圖5所示有限元模型， 該模型中從上至下包括有35mm 厚QC-10 瀝青混凝土面層、50mm 厚的QC-20 瀝青混凝土面層，中間乃粘結(jié)層，包括有3mm 剛性阻斷帶、10mm 厚度的土工格柵材料、2mm 厚應(yīng)力吸收層薄膜材料， 最下層為路基。 單元網(wǎng)格模型采用SOLID65 單元體，以線彈性模型作為材料應(yīng)力變形基礎(chǔ)準(zhǔn)則， 且各層間不發(fā)生滑移，均具有各向同性；路基為受力材料，厚度不限定；剛性材料忽視其小變形，各類材料自重不計作外荷載。

圖5 數(shù)值模型

該舊路面黑化結(jié)構(gòu)模型邊界約束設(shè)定結(jié)構(gòu)底部為固定約束，即兩側(cè)不產(chǎn)生相應(yīng)方向位移，行車約束限定在軸承中心， 具有水平方向約束荷載， 結(jié)構(gòu)表面為自由變形面，無任何約束荷載，行車荷載速度取20m/s,步長為1/500，施加各邊界荷載研究該黑化結(jié)構(gòu)模型力學(xué)與變形特性。

4.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)性能

4.2.1 剛性阻斷帶設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響

剛性阻斷帶承擔(dān)黑化結(jié)構(gòu)抗剪切性能， 而阻斷帶的寬度或剛度均是影響剛性阻斷帶性能的最主要兩參數(shù)。阻斷帶寬度或剛度增加， 一定程度增強(qiáng)了黑化結(jié)構(gòu)整體承載性能，裂縫延伸及擴(kuò)展速度受限，對預(yù)防路面結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生具有較大幫助， 但不可忽視過大的剛性阻斷帶寬度或剛度會給工程成本帶來一定壓力， 故而有必要研究性價比最佳剛性阻斷帶設(shè)計參數(shù)。

（1）剛性阻斷帶寬度

為評價最佳剛性阻斷帶寬度， 考慮利用黑化結(jié)構(gòu)內(nèi)部Mises 應(yīng)力達(dá)到峰值作為評價標(biāo)準(zhǔn)， 故基于有限元軟件計算出同一剛度參數(shù)下 （206GPa）， 不同寬度參數(shù)的Mises 應(yīng)力云圖， 寬度參數(shù)分別設(shè)計有150mm、200mm、400mm、600mm、800mm，限于篇幅，本文只列出其中寬度150mm、400mm、600mm、800mm 計算云圖，如圖6 所示。

從圖6 可看出，增加有剛性阻斷帶后，應(yīng)力集中于構(gòu)造縫上端區(qū)域，且隨寬度增加，應(yīng)力集中區(qū)域逐漸擴(kuò)散，在路面各結(jié)構(gòu)層中并未可見到應(yīng)力集中現(xiàn)象， 結(jié)構(gòu)層裂縫產(chǎn)生相應(yīng)受到約束，保證了黑化結(jié)構(gòu)整體耐久性。 圖7為不同寬度下剛性阻斷帶峰值應(yīng)力曲線圖， 從圖中可看出，峰值應(yīng)力整體隨寬度增加逐漸上漲，但從增長幅度亦可知， 存在一定的增長斜率拐點(diǎn)， 寬度400mm 相比200mm 下峰值應(yīng)力增長了2.7%， 而寬度600mm 相比400mm 僅增長了0.78%，故剛性阻斷帶在400mm 處為峰值應(yīng)力增長臨界拐點(diǎn)，該寬度設(shè)計參數(shù)之后，增長放緩。

圖6 不同寬度參數(shù)下Mises 應(yīng)力云圖

（2）剛性阻斷帶剛度

同理， 剛性阻斷帶剛度參數(shù)分別設(shè)計有150GPa、206GPa、250GPa、300GPa、400GPa， 寬度參數(shù)統(tǒng)一設(shè)計為400mm，計算得到不同剛度參數(shù)模型下的應(yīng)力云圖，如圖8 所示。 從圖中可看出，應(yīng)力集中效應(yīng)出現(xiàn)在構(gòu)造縫上端剛性阻斷帶上，隨剛性阻斷帶剛度增加，上端應(yīng)力集中效應(yīng)擴(kuò)散程度并不高， 表明剛度增加一定程度后對黑化結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力集中消減作用并不太顯著。長幅度基本變水平， 表明剛度參數(shù)對剛性阻斷帶性能影響較低，當(dāng)剛度超過206GPa 后，Mises 峰值應(yīng)力增長基本不變，對黑化結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較弱。

圖9 不同剛度下剛性阻斷帶峰值應(yīng)力曲線圖4.2.2 倒梯形切口設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響

倒梯形切口設(shè)計參數(shù)共有五組備選方案， 分別是上端開口30mm、35mm、40mm、45mm、50mm，下端開口統(tǒng)一設(shè)計為20mm，獲得各方案的Mises 應(yīng)力云圖，如圖10 所示。從圖中可看出，倒梯形切口的存在，，改善了黑化結(jié)構(gòu)中構(gòu)造縫處應(yīng)力集中現(xiàn)象的產(chǎn)生， 避免結(jié)構(gòu)水的長期不流通，加速裂縫的產(chǎn)生，且隨著上端開口尺寸增大，構(gòu)造縫處應(yīng)力集中得到擴(kuò)散，且有逐漸增大擴(kuò)散面積趨勢。

圖10 倒梯形切口不同開口參數(shù)下Mises 應(yīng)力云圖

圖11 倒梯形切口不同開口參數(shù)下峰值應(yīng)力曲線

4.3 結(jié)構(gòu)變形性能

針對黑化結(jié)構(gòu)變形性能， 本文將主要分析最佳剛性阻斷帶寬度與剛度設(shè)計參數(shù)下變形特性， 如圖12 所示，即為剛性阻斷帶寬度為400mm、 剛度為206GPa 時最大主應(yīng)變云圖。 從圖中可看出，結(jié)構(gòu)內(nèi)部最大主應(yīng)變時，行車荷載作用點(diǎn)位于構(gòu)造縫之處， 構(gòu)造縫下端部集中有扇形式變形區(qū)域，逐漸向周圍擴(kuò)散，距構(gòu)造縫愈遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)變形程度愈小。

圖12 寬度400mm、剛度206GPa 時最大主應(yīng)變云圖

為對比不同設(shè)計參數(shù)下最大主應(yīng)變特征， 計算出各方案模型最大主應(yīng)變值，如圖13 所示。從圖中可看出，最大主應(yīng)變拐點(diǎn)位于400mm 處，200mm 有異常遞增趨勢，而寬度過度增大， 最大主應(yīng)變呈下降態(tài)勢， 其中剛度為206GPa 時， 最大主應(yīng)變值基本位于最小值， 故而寬度400mm 與剛度206GPa 是較為合理的剛性阻斷帶設(shè)計參數(shù)。

由于倒梯形切口設(shè)計參數(shù)對結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響較小，本文著重分析切口上端開口為35mm 時變形特性，如圖14所示。從圖中可看出，最大變形主要出現(xiàn)在構(gòu)造縫左側(cè)區(qū)域，兩側(cè)變形呈扇形鋪開，但基本對稱式相等；從計算結(jié)果可看出，上端開口主要影響最大變形區(qū)域，改變變形云圖分布形態(tài)，但應(yīng)變幅值基本不變；從圖15 不同開口寬度峰值應(yīng)變曲線可知， 最大與最小主應(yīng)變幅值之間相差1.22 倍， 故而選擇倒梯形切口上端開口寬度為35mm 是符合變形要求的。

圖13 不同設(shè)計參數(shù)模型下最大主應(yīng)變

圖14 倒梯形切口上端開口為35mm 時變形云圖

圖15 不同開口寬度峰值應(yīng)變曲線

5 結(jié)論

針對某舊水泥路面加鋪黑化瀝青混凝土開展結(jié)構(gòu)分析， 結(jié)合舊水泥路面病害調(diào)查， 設(shè)計出一種新型黑化結(jié)構(gòu)， 并利用Abaqus 數(shù)值軟件開展力學(xué)與變形特性分析，得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論與認(rèn)識：

（1）設(shè)計剛性阻斷帶于構(gòu)造縫上端，下端設(shè)計倒梯形切口，減少上覆剪切載荷與溫度變化引起的橫縱向裂縫，增強(qiáng)黑化結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

（2） 剛性阻斷帶設(shè)計寬度為400mm、 剛度206GPa，400mm 寬度為結(jié)構(gòu)峰值應(yīng)力增長拐點(diǎn)，且該參數(shù)下變形呈扇形對稱式分布，距構(gòu)造縫愈遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)變形程度愈低；剛度增大對剛性阻斷帶性能影響較小，206GPa 下最大主應(yīng)變值基本位于最小值，屬較為適宜參數(shù)。

（3）倒梯形切口上端尺寸與峰值應(yīng)力成正比，但增大幅度較小，當(dāng)上端開口為35mm 時，變形云圖扇形鋪開，對稱式相等， 最大與最小主應(yīng)變幅值之間相差1.22 倍，屬適宜開口參數(shù)。