移動(dòng)荷載作用下CRC+AC復(fù)合式路面三維有限元分析

程焰兵

(湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

1 前言

連續(xù)配筋混凝土復(fù)合式路面(CRC+AC)為由連續(xù)配筋混凝土板(CRC)和瀝青混凝土(AC)相組合而成的一種新式復(fù)合路面，其中CRC板是主要承重層，AC層為表面功能層。該路面結(jié)構(gòu)兼具耐久性和舒適性等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前長(zhǎng)壽命路面結(jié)構(gòu)的重要研究方向?，F(xiàn)行有關(guān)CRC+AC的理論技術(shù)研究還不完善，仍需研究。王斌、楊軍利用有限元軟件探究了連續(xù)配筋混凝土路面在不考慮水平移動(dòng)荷載情況下的動(dòng)力響應(yīng)特性；高玲玲采用Bisar程序建立CRC+AC模型，對(duì)CRC+AC層間剪應(yīng)力影響因素進(jìn)行了分析；李盛、劉朝暉等通過(guò)Abaqus有限元軟件，以CRC層最大主應(yīng)力為指標(biāo)，確定了CRC+AC臨界荷位及結(jié)構(gòu)層厚、模量等變量與CRC層荷載應(yīng)力的關(guān)系；CRC+AC不設(shè)橫向接縫，當(dāng)前對(duì)該路面的相關(guān)研究，也多基于靜載無(wú)橫向裂縫模式，而隨著交通量增加，尤其是交叉口車(chē)輛頻繁啟停段，該路面容易產(chǎn)生橫向裂縫。該文運(yùn)用大型通用三維有限元軟件Abaqus，構(gòu)筑帶裂縫的路面結(jié)構(gòu)三維模型，搭載Dload、Utracload子程序來(lái)施加豎向荷載、水平荷載，以路表彎沉、路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)CRC+AC在移動(dòng)荷載下的動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行分析，以便為CRC+AC復(fù)合式路面設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)。

2 分析模型

2.1 模型介紹

參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，模型中路面寬度X取3.75 m，路基深度Y取5 m,行車(chē)方向Z取6.387 m，橫向裂縫間距為1.6 m，鋼筋網(wǎng)位于混凝土板中間位置，網(wǎng)格尺寸因離荷載作用區(qū)遠(yuǎn)近由大到小。采用Abaqus/Standrad(隱式)求解器進(jìn)行有限元計(jì)算。

2.2 材料和邊界條件

模型與材料參數(shù)假定如下:

(1)模型材料屬性假定為各向同性，材料阻尼由Rayleigh阻尼確定、層間狀態(tài)假定為完全連續(xù)。

(3)剎車(chē)時(shí)作用于路面的制動(dòng)力由公式Q=Pφ計(jì)算，其方向同車(chē)輛移動(dòng)方向一致。其中Q為水平荷載；P為垂直荷載；φ為輪胎同路面間的附著系數(shù)，該文取正常制動(dòng)情況，φ=0.2。

(4)選用彈性半空間地基模型，模型尺寸取有限大小，同時(shí)限制模型X、Y、Z三向位移。該文基礎(chǔ)模型參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 基礎(chǔ)模型參數(shù)

2.3 車(chē)輛荷載

剎車(chē)荷載由垂直荷載和水平荷載組成，為方便建模計(jì)算，行車(chē)荷載選用BZZ-100, 輪壓0.7 MPa，雙輪中心距D=32 cm，荷載作用面積簡(jiǎn)化為22.8 cm×15.7 cm矩形，通過(guò)加載Dload和Utracload子程序?qū)崿F(xiàn)車(chē)輛荷載移動(dòng)，移動(dòng)荷載帶長(zhǎng)2.28 m，由4排小矩形方格組成，每個(gè)輪載面積由3個(gè)小矩形組成，如圖1所示。

圖1 移動(dòng)荷載帶示意圖(單位：cm)

3 計(jì)算分析

現(xiàn)有實(shí)體項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)科研成果表明：CRC+AC復(fù)合式路面主要破壞形式包括CRC與AC層間剪切破壞、CRC板邊沖斷破壞、縱向鋼筋拉斷破壞，針對(duì)常見(jiàn)病害，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范及研究成果，以輪隙中心處AC面層彎沉、輪載中心處AC/CRC層間剪應(yīng)力、輪載中心處CRC及底基層層底彎拉應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力為計(jì)算指標(biāo)。

以AC層厚、底基層模量、土基層模量、車(chē)速為變量，研究CRC+AC在動(dòng)載作用下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，變量取值見(jiàn)表2。

表2 變量取值

3.1 AC層厚因素

在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，保持底基層模量1 200 MPa、土基層模量50 MPa、車(chē)速80 km/h不變，改變AC層厚時(shí)，相應(yīng)路面動(dòng)力響應(yīng)影響規(guī)律如圖2所示。

由圖2可以看出：AC層厚增加，對(duì)路表彎沉、鋼筋應(yīng)力、AC/CRC層間剪應(yīng)力減小的作用逐步減弱，其中對(duì)彎沉影響較小，平均減小幅度在0.5%以內(nèi)；而隨著AC層厚的增大，CRC及底基層層底拉應(yīng)力先減小后增大。這表明在基層、土基層等變量已確定時(shí)，對(duì)CRC+AC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)而言存在一個(gè)最佳AC層厚度，單純通過(guò)增加AC層厚來(lái)提高路面性能和使用壽命的做法不可行也不經(jīng)濟(jì)，該文模型對(duì)應(yīng)AC層最佳厚度為8 cm。

圖2 CRC+AC動(dòng)力響應(yīng)與AC層厚的關(guān)系

3.2 底基層模量因素

在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，保持AC層厚為6 cm、土基層模量50 MPa、車(chē)速車(chē)速80 km/h不變，改變底基層模量時(shí)，相應(yīng)路面動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律如圖3所示。

圖3 CRC+AC動(dòng)力響應(yīng)與底基層模量的關(guān)系

由圖3可以看出：路表彎沉隨底基層模量的增加而小幅降低，幅度在0.8%以內(nèi)；隨著底基層模量逐步增加，鋼筋應(yīng)力和AC/CRC層間剪應(yīng)力呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)，CRC層以及底基層的拉應(yīng)力呈小幅增大趨勢(shì)。因AC層與CRC層模量相差較大，CRC+AC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)常因AC/CRC層間抗剪能力不足而引起滑移剪切破壞，這表明在采用模量較大的底基層材料時(shí)，需對(duì) AC/CRC層間剪應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，以確保滿足材料的容許抗剪強(qiáng)度要求。

3.3 土基層模量因素

在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，保持AC層厚為6 cm，底基層模量1 200 MPa、車(chē)速80 km/h不變，改變土基層模量時(shí)，相應(yīng)路面動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律如圖4所示。

圖4 CRC+AC動(dòng)力響應(yīng)與土基層模量的關(guān)系

由圖4可以看出：路表彎沉值隨土基模量的增加而顯著降低，平均降低幅度為29%，這與實(shí)際觀測(cè)到的路面變形情況相似；土基層模量、底基層模量與鋼筋應(yīng)力及AC/CRC層間剪應(yīng)力的關(guān)系類(lèi)似，增加土基層模量總體來(lái)看可以小幅度減小CRC及土基層拉應(yīng)力。由以上分析可知，提高土基模量和施工質(zhì)量可以較經(jīng)濟(jì)實(shí)用地提高CRC+AC的使用性能和壽命。

3.4 車(chē)速因素

在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，保持AC層厚為6 cm、底基層模量1 200 MPa、土基層模量50 MPa不變，改變行車(chē)速度時(shí)，相應(yīng)路面動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律如圖5所示。

由圖5可以看出：存在一個(gè)臨界車(chē)速，在臨界速度兩邊，車(chē)速增加對(duì)各動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)的影響趨勢(shì)相反，該文對(duì)應(yīng)臨界速度為80 km/h；車(chē)速對(duì)CRC層拉應(yīng)力影響最大，當(dāng)車(chē)速由60 km/h變?yōu)?20 km/h時(shí)，CRC層拉應(yīng)力增大了84%。綜合考慮駕駛安全性以及高速行駛對(duì)路面的動(dòng)力沖擊，建議對(duì)車(chē)輛進(jìn)行限速，以降低行車(chē)荷載對(duì)路面產(chǎn)生的沖擊破壞。

圖5 CRC+AC動(dòng)力響應(yīng)與車(chē)速的關(guān)系

4 結(jié)論

(1)提高土基層模量能顯著降低路表彎沉；同時(shí)提高土基層模量和施工質(zhì)量可以較經(jīng)濟(jì)實(shí)用地提高CRC+AC的受力性能和使用壽命。

(2)超過(guò)最佳AC層厚后，將不利于項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性、并需對(duì)CRC層底拉應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，該文模型對(duì)應(yīng)最佳AC層厚為8 cm，在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需確定合理的AC層厚。

(3)當(dāng)選用底基層材料模量較大時(shí)，需對(duì)AC/CRC層間剪應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，以確保滿足抗剪強(qiáng)度要求。

(4)對(duì)各動(dòng)力響應(yīng)均對(duì)應(yīng)一個(gè)臨界速度，該文對(duì)應(yīng)速度為80 km/h，臨界速度兩側(cè)車(chē)速對(duì)各動(dòng)力響應(yīng)特性的影響趨勢(shì)相反。為減小對(duì)路面的沖擊破壞，嚴(yán)禁超速行駛。