基于Abaqus 計算下某舊水泥路面加鋪黑化瀝青結構性能分析研究

鄭盛華

（寧德市路興設計有限公司，寧德 352202）

1 引言

當前我國較多道路由于使用年限較長， 行車荷載不明確，導致部分舊水泥路面出現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構層具有重要作用[1-3]。 已有較多學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構壽命影響[4,5]，也有學者基于現場加載試驗，獲得加鋪黑化瀝青結構性能影響參數[6-8],另有一些學者利用理論分析手段，建立黑化結構力學模型，分析影響模型穩定性的重要因素，探討應對黑化瀝青結構裂縫產生的措施[9-11]。 由于地區差異性導致道路面臨外界因素出現較多區別， 因而針對具體工程實例， 開展病害調查， 做出針對性應對措施，強化黑化瀝青結構穩定性，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

東部某城市進行城區改造之時， 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，沿途分布有學校、居民小區、體育場所等。路面仍設置有排水溝渠，暗渠輸排，間隔3.5m，設置有豎桿照明燈光，均為光照太陽能蓄電，兩側對稱式布置。 該路段實景如圖1 所示。

圖1 研究路段實景圖

根據實地調研發現，該路段路面結構破損較嚴重，出現較多凹陷處、部分排水設施使用年限較長，積水過多，路面平整度極差，行車舒適性較差，經統計在下午17 點至19 點，每個紅綠燈路口通行時間在15min 以上。 路段內還出現局部橫、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 為該路段內統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，產生橫、縱向裂縫，此亦表明路面結構力學性能不佳，穩定性欠缺；另外道路結構水損壞類型占比也達到21%，結構水來源如圖3 所示，結構水活動于裂縫中，降低水泥混凝土結構粘結力，進一步導致路面出現損壞。

圖2 研究路段內病害類型占比

圖3 結構水來源示意圖

3 舊水泥路面黑化結構設計

由于該路段內裂縫與結構水危害為最主要路面病害， 故而考慮設計一種防止路面結構產生過多裂縫與結構水累積的黑化結構，如圖4 所示。筆者認為該路段內產生較多反射裂縫主要由路面結構承載能力與溫度變化引起的， 其中路面結構承載能力較弱分析是路面骨架結構長期受到上覆行車循環累計荷載造成的， 故而對該舊水泥路面進行黑化瀝青加鋪時， 設計剛性阻斷條于構造縫處，減少構造縫受到上覆剪切載荷影響，并提高兩側水泥路面抗拉特性，減少承載裂縫的產生。對于溫度變化引起荷載，考慮在構造縫下部設計有倒梯形切口，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行變形，進而減少由熱脹冷縮混凝土顆粒擠壓而成的溫度裂縫。根據材料力學力平衡理論， 減少應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構中，下部架設錨固鉚釘，保證剛性阻斷帶不發生滑移。

圖4 黑化結構設計示意圖

4 結構性能數值模擬分析

4.1 模型建立與約束參數

為分析方便，對路面黑化結構進行簡化，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，中間乃粘結層，包括有3mm 剛性阻斷帶、10mm 厚度的土工格柵材料、2mm 厚應力吸收層薄膜材料， 最下層為路基。 單元網格模型采用SOLID65 單元體，以線彈性模型作為材料應力變形基礎準則， 且各層間不發生滑移，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 數值模型

該舊路面黑化結構模型邊界約束設定結構底部為固定約束，即兩側不產生相應方向位移，行車約束限定在軸承中心， 具有水平方向約束荷載， 結構表面為自由變形面，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構模型力學與變形特性。

4.2 結構力學性能

4.2.1 剛性阻斷帶設計參數對結構力學性能影響

剛性阻斷帶承擔黑化結構抗剪切性能， 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。阻斷帶寬度或剛度增加， 一定程度增強了黑化結構整體承載性能，裂縫延伸及擴展速度受限，對預防路面結構裂縫產生具有較大幫助， 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計參數。

（1）剛性阻斷帶寬度

為評價最佳剛性阻斷帶寬度， 考慮利用黑化結構內部Mises 應力達到峰值作為評價標準， 故基于有限元軟件計算出同一剛度參數下 （206GPa）， 不同寬度參數的Mises 應力云圖， 寬度參數分別設計有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，應力集中于構造縫上端區域，且隨寬度增加，應力集中區域逐漸擴散，在路面各結構層中并未可見到應力集中現象， 結構層裂縫產生相應受到約束，保證了黑化結構整體耐久性。 圖7為不同寬度下剛性阻斷帶峰值應力曲線圖， 從圖中可看出，峰值應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， 寬度400mm 相比200mm 下峰值應力增長了2.7%， 而寬度600mm 相比400mm 僅增長了0.78%，故剛性阻斷帶在400mm 處為峰值應力增長臨界拐點，該寬度設計參數之后，增長放緩。

圖6 不同寬度參數下Mises 應力云圖

（2）剛性阻斷帶剛度

同理， 剛性阻斷帶剛度參數分別設計有150GPa、206GPa、250GPa、300GPa、400GPa， 寬度參數統一設計為400mm，計算得到不同剛度參數模型下的應力云圖，如圖8 所示。 從圖中可看出，應力集中效應出現在構造縫上端剛性阻斷帶上，隨剛性阻斷帶剛度增加，上端應力集中效應擴散程度并不高， 表明剛度增加一定程度后對黑化結構內部應力集中消減作用并不太顯著。長幅度基本變水平， 表明剛度參數對剛性阻斷帶性能影響較低，當剛度超過206GPa 后，Mises 峰值應力增長基本不變，對黑化結構穩定性影響較弱。

圖9 不同剛度下剛性阻斷帶峰值應力曲線圖4.2.2 倒梯形切口設計參數對結構力學性能影響

倒梯形切口設計參數共有五組備選方案， 分別是上端開口30mm、35mm、40mm、45mm、50mm，下端開口統一設計為20mm，獲得各方案的Mises 應力云圖，如圖10 所示。從圖中可看出，倒梯形切口的存在，，改善了黑化結構中構造縫處應力集中現象的產生， 避免結構水的長期不流通，加速裂縫的產生，且隨著上端開口尺寸增大，構造縫處應力集中得到擴散，且有逐漸增大擴散面積趨勢。

圖10 倒梯形切口不同開口參數下Mises 應力云圖

圖11 倒梯形切口不同開口參數下峰值應力曲線

4.3 結構變形性能

針對黑化結構變形性能， 本文將主要分析最佳剛性阻斷帶寬度與剛度設計參數下變形特性， 如圖12 所示，即為剛性阻斷帶寬度為400mm、 剛度為206GPa 時最大主應變云圖。 從圖中可看出，結構內部最大主應變時，行車荷載作用點位于構造縫之處， 構造縫下端部集中有扇形式變形區域，逐漸向周圍擴散，距構造縫愈遠，結構變形程度愈小。

圖12 寬度400mm、剛度206GPa 時最大主應變云圖

為對比不同設計參數下最大主應變特征， 計算出各方案模型最大主應變值，如圖13 所示。從圖中可看出，最大主應變拐點位于400mm 處，200mm 有異常遞增趨勢，而寬度過度增大， 最大主應變呈下降態勢， 其中剛度為206GPa 時， 最大主應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計參數。

由于倒梯形切口設計參數對結構應力影響較小，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，最大變形主要出現在構造縫左側區域，兩側變形呈扇形鋪開，但基本對稱式相等；從計算結果可看出，上端開口主要影響最大變形區域，改變變形云圖分布形態，但應變幅值基本不變；從圖15 不同開口寬度峰值應變曲線可知， 最大與最小主應變幅值之間相差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 不同設計參數模型下最大主應變

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變曲線

5 結論

針對某舊水泥路面加鋪黑化瀝青混凝土開展結構分析， 結合舊水泥路面病害調查， 設計出一種新型黑化結構， 并利用Abaqus 數值軟件開展力學與變形特性分析，得到了以下幾點結論與認識：

（1）設計剛性阻斷帶于構造縫上端，下端設計倒梯形切口，減少上覆剪切載荷與溫度變化引起的橫縱向裂縫，增強黑化結構整體穩定性。

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

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