動態荷載作用下半剛性瀝青路面動力響應研究

劉凱　徐曉美　張磊　張小惠

摘要：相關研究表明，在進行半剛性瀝青路面動力響應研究時，靜載模式已經不能解釋動態荷載作用下路面結構產生的各種現象，因此亟需開展動態荷載作用下半剛性瀝青路面的動力響應研究。本研究首先根據道路參數，運用ABAQUS軟件建立瀝青路面與路基的三維動力分析模型，研究在ABAQUS中移動恒載及半波正弦荷載的加載實現方式。然后基于所編寫的加載程序，研究半波正弦荷載與移動恒載作用下半剛性瀝青路面各層的動力響應情況。最后，針對受力情況較為嚴重的瀝青面層，研究不同車速下瀝青面層的動力響應。分析結果表明：在動態荷載作用下，半剛性基層的水平方向及垂直方向動力響應明顯，各面層之間的各向應力都較大;隨著車速的增加，路面的各向應力呈現減小趨勢。

關鍵詞：動態載荷;半剛性瀝青路面;動力響應;有限元分析

中圖分類號：U416.01文獻標識碼：A文章編號：1006-8023（2019）02-0082-05

Research on Dynamic Response of Semi-rigid Asphalt Pavement?under Dynamic Load

LIU Kai， XU Xiaomei， ZHANG Lei， ZHANG Xiaohui

（College of Automobile and Traffic Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037）

Abstract：Research results show that the static load mode cannot be used to explain the various phenomena generated by the pavement structure under dynamic loading while studying the dynamic response of semi-rigid asphalt pavement. Therefore， the study on dynamic response of semi-rigid asphalt pavement under dynamic loading urgently needs to be performed. Firstly， based on the road parameters， the three-dimensional dynamic analysis models of asphalt pavement and subgrade were established by using ABAQUS software. The implementation of load for moving constant load and half-wave sinusoidal load in ABAQUS was studied. Then， based on the loading program， the dynamic response of each layer of semi-rigid asphalt pavement under half-wave sinusoidal load and moving constant load were studied. Finally， the dynamic response of the asphalt surface layer at different speeds was studied with serious stress. Analysis results show that under the dynamic load， the dynamic response of the semi-rigid base layer is obvious in the horizontal direction and the vertical direction. Stress between the layers is large in various directions. With increasing of vehicle speed， the lateral stress of the road surface will decrease.

Keywords：Dynamic load; semi-rigid asphalt pavement; dynamic response; finite element analysis

0引言

目前將車輛荷載視為靜荷載，路面結構視為彈性體系結構的設計方法在瀝青路面設計中應用十分普遍?[1-2]。但隨著高速公路運輸高速重載化的發展，在行駛過程中，會加快道路破壞，嚴重影響道路的使用壽命，靜載模式已經不能解釋動態荷載作用下路面結構產生的各種現象?[3-4]。因此，研究動態荷載作用下半剛性瀝青路面動力響應具有十分重要的意義。Jianmin Wu等?[5]利用ABAQUS建立三維有限元模型，分析了混凝土路面結構在移動荷載作用下的瀝青隔震層的動力響應，并通過改變隔震層厚度、模量、隔震層與混凝土板的組合方式計算了臨界位置處的應力和撓度。Karimi M M等?[6]基于實驗觀測，提出了累積恢復粘彈性應變函數的瀝青混凝土硬化—松弛本構模型，并將模型與粘彈性、粘塑性和粘損傷本構關系耦合，最后通過不同加載方案的獨立實驗室試驗，驗證了所提出的硬化-松弛本構關系。Liu F等?[7]在廣東云羅高速公路試驗段的基礎上，采取了FWD作為加載工具，利用了有限元分析軟件ANSYS，得到了各路面結構層的內部變化規律。

本論文利用ABAQUS軟件建立半剛性瀝青路面的三維有限元模型，基于此模型，研究在半波正弦動態荷載和移動恒定荷載兩種動態荷載作用下的路面動態響應，同時討論在不同車速作用時，路面的動力響應。

1動態荷載及其模擬實現

汽車產生的動荷載一般分為兩個部分：一部分是汽車本身的重量，即固定荷載;另一部分是汽車在路面上行駛時由于振動產生的附加荷載?[8-9]。我國路面設計規范中采用雙輪組單軸載100 kN作為標準軸載，以BZZ-100表示?[10]。

1.1半波正弦動態荷載的模擬與實現

半波正弦模擬實際車輛荷載的表達式為?[11-12]

P（t）=p0sin（ωt） 。?（1）

式中：p0為輪胎壓力;ω為振動圓頻率，ω=2πV/L;V為車速;L為路面幾何曲線波長，L取6m。

設汽車車速?V?為72km/h，已知輪胎壓力?p?0為0.7 MPa，則將車輪動態荷載簡化為公式（2）的半正弦波動荷載。

P（t）=0.7?sin?（20πt/3）×106，0≤ t ≤0.3s 。?（2）

在ABAQUS軟件中通過增加幅值方式來實現半波正弦動態荷載的加載，具體操作如圖1所示。

1.2移動恒定荷載的模擬與實現

通過ABAQUS自編子程序實現移動加載，隨著時間的變化，荷載沿預定義的路徑向前移動。首先，沿荷載移動方向設荷載移動帶，移動帶沿路橫向的寬度與施加均布荷載寬度相同，沿縱向的長度即為輪載行駛的距離。然后，將荷載移動帶細化成多個小矩形。小矩形的長度依據計算精度而定，本文中取為加載寬度的1/3。每個矩形的大小為0.213 m×0.167 m。如圖2所示，初始狀態荷載占了3個小矩形，即圖2中1號、2號和3號。荷載沿移動帶逐漸向前移動，每個荷載步結束時，荷載整體向前移動一個小矩形。如第一個荷載步結束時，荷載占據2號、3號和4號矩形。為了提高計算精度，可將每個荷載步進一步細分為多個荷載子步，如第一個荷載步移動荷載的作用使1號矩形上的荷載逐漸減小，4號矩形上的荷載逐漸增大，逐步達到荷載移動的效果。荷載的移動速度可以通過設置每個子步的時長來實現。

本文中移動荷載為規范中規定的標準輪胎接地壓強0.7 MPa?[13]，汽車荷載移動速度為72 km/h，則0.3 s前進6 m，按照網格尺寸大小可知，汽車荷載在0.3 s內占有的矩形數為6/0.167=36個。移動荷載在ABAQUS里通過編寫子程序實現。

2動態荷載作用下的動力響應

我國的半剛性瀝青路面通常由半剛性材料底基層、半剛性材料基層和瀝青面層構成，泊松比參數一般不考慮溫度變化?[14-15]。本文選擇我國廣泛采用的典型半剛性瀝青路面結構作為研究對象，其路面相關參數見表1。

依照表1中數據，建立半剛性瀝青路面結構的三維模型。為便于分析研究，選取輪胎接地印跡沿深度方向上各層對應節點的響應值來分析整個路面上各層結構的動力響應，以軸載100 kN，汽車行駛速度72 km/h為例，在ABAQUS中分別研究半波正弦荷載作用和移動恒定荷載作用下路面的動力響應。

研究表明，研究結果大體可由6個面層作為代表，分別是瀝青面層頂部、瀝青面層與基層結合處、基層中部、基層與底基層結合處、底基層與土基結合處和土基中上部。圖3～圖6是半波正弦荷載作用下的響應結果，圖7～圖10是移動恒定荷載作用下的響應分析結果。這些圖中，1代表瀝青面層頂部，2代表瀝青面層與基層結合處，3代表基層中部，4代表基層與底基層結合處，5代表底基層與土基結合處，6代表土基中上部。

由圖3～圖6可知，在半波正弦荷載作用下：垂直正應力與水平正應力在基層與底基層結合處達到最大;在底基層與土基結合處，橫向正應力達到最大;在基層中部，水平剪應力達到最大。由圖7～圖10可知，在移動恒載作用下，水平正應力和橫向正應力在瀝青面層頂部均達到最大;垂直正應力在瀝青面層與基層結合處達到最大;水平剪應力在瀝青面層與基層結合處達到最大;各應力在土基中上部均接近于零。

以上分析進一步驗證了路面的疲勞破壞是動載引起的水平應力、橫向應力和垂直應力共同作用的結果，水平應力的交替變化是使路面產生疲勞破壞的主要因素，橫向應力的作用也同樣不可忽視;瀝青面層處于三向受壓狀態，它的破壞主要是層間存在大量的剪切應力所致;半剛性基層和半剛性底基層是主要的承重層，水平方向和橫向都處于受拉狀態，最大水平拉應力和最大橫向拉應力都發生在半剛性底基層的底部。此外，由仿真結果可知，在本文作用的載荷條件下，半剛性路面的疲勞破壞首先是從半剛性底基層底部開始的。

3不同車速下瀝青路面響應分析

由上述分析可知瀝青層面層受力情況較為嚴重，故以下將選取面層的垂直正應力、水平剪應力和基層底部的橫向正應力、水平正應力為研究對象，比較不同車速下瀝青面層的響應情況。

由圖11～圖14可以看出，隨著車速的增大，路面結構瀝青面層垂直正應力、水平剪應力和基層底部的橫向正應力、水平正應力產生的動力影響均呈現減小的趨勢。這說明，車速越快瀝青面層的受力狀況越好。但從這些圖中變化來看，車速變化對瀝青路面結構的垂直正應力、水平拉應力與橫向拉應力的動力影響明顯。在低速行駛時，這幾種應力對瀝青面層影響十分嚴重。

4結論

（1） 路面的疲勞破壞是動載引起的水平應力、橫向應力和垂直應力共同作用的結果，水平應力的交替變化是使路面產生疲勞破壞的主要因素，橫向應力的作用同樣不可忽視。

（2） 瀝青面層處于三向受壓狀態，它的破壞主要是層間存在大量剪切應力所致;半剛性基層和半剛性底基層是主要的承重層，水平方向和橫向都處于受拉狀態，最大水平拉應力和最大橫向拉應力都發生在半剛性底基層的底部，半剛性路面的疲勞破壞首先是從半剛性底基層底部開始的。

（3） 車速變化對瀝青路面結構的垂直正應力、水平拉應力與橫向拉應力的動力影響明顯，但隨著車速增加，路面的各向應力呈現減小趨勢。這與文獻[7]、文獻[16-18]的試驗研究結論是吻合的。由此，進一步表明，本文在ABAQUS軟件中模擬動態荷載方法的可行性。

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