王　震

（河南高速公路发展有限责任公司商丘分公司，河南　商丘　476000）



重载条件下沥青路面结构敏感性分析

王震

（河南高速公路发展有限责任公司商丘分公司，河南商丘476000）

摘要：借助于有限元法来构建重载作用下沥青路面的动态响应模型，并对轴重、轴载速度、路面结构等参数进行分析，探讨沥青路面的敏感性。结果显示，在动态重载作用下，随着轴重的增加，沥青路面结构敏感性线性增强；而对于路面结构随轴载速度的增加呈现先增加后降低的趋势；而对于路表弯沉、底层拉应力、顶面压应力变化特别显著。

关键词：沥青路面；重载条件；路面结构

在本研究中，结合车辆重载轮胎接地压力、接地面积的变化，构建基于Ansys三维有限元模型，以实现对重载条件下沥青路面结构动态响应的计算，来分析各结构参数的敏感性特征。

1　瞬态动力学分析基础概念

对于车辆在路面行驶状态的分析，符合典型的快速移动荷载计算条件，在本研究中采用瞬态动力学分析方法，来进行重载条件下沥青路面结构动态敏感性分析。其基本的运动方程表示为：MÜ(t)+Cu(t)+Ku(t)=Q(t)，其中对于式中的Ü(t)、u(t)表示系统的节点加速度及速度向量，M、C、K、Q表示质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵及节点荷载向量。在本系统中，对于阻尼模型采用Rayleigh方式，在求解方法上直接采用积分法，当时间步长Δt与车辆荷载向量及运动体系各周期的长短有关时，为了实现计算统一性和保持精度性，时间步长采用基本周期的1/50。

2　基于有限元的沥青路面结构三维模型

2.1荷载参数

从结构动力学来看，对于沥青路面结构在荷载条件下的状态主要有2个属性，静态属性和动态属性。静态属性主要表示为荷载的大小，而动态属性主要表现在荷载与沥青路面接触时的作用时间与动态值变化。由于车辆在载重条件下行驶，在对轮胎与路面接触分析中，采用高强高压轮胎，以轴载的增加、接地面积、接地压力等参数为变化，其静态荷载计算公式表示为：A=0.008P+152，p=P/A=P/πδ2。式中，A表示轮胎接地面积，δ表示接地面积当量圆半径，P表示轮胎荷载大学，p表示接地压力。结合研究资料和文献来看，对于车载模式下轮胎与路面之间并非均匀的圆形结构，而是接近于矩形的荷载状态，随着荷载的增加，其矩形特点更加显著。为此，本研究在对单轴双轮胎接地模式分析中，采用矩形方式，宽度选取22cm。另外，在动态测试中，对于轮胎与路面之间的半波正弦荷载作用力，通常可以将之简化为若干个半波正弦荷载的线性组合。由此，在计算轮胎对路面的动力学分析中，多采用正弦分布荷载模式来进行模拟，其公式表示为：P（t）=Pmaxsin（πt/ T）。式中，Pmax表示单个轮胎的荷载峰值，T表示荷载作用周期。对于荷载周期T的计算，可以利用T=12δ/v。式中，δ表示接地面积当量圆半径，v表示车速大小［1］。

2.2沥青路面结构层及材料分析

在对本研究进行试验分析时，以半刚性沥青砂砾垫层路面为参考，结合荷载状态下冲击载荷持续时间较短，对于各路面结构层可以简化为连续性基层，各层材料以沥青混合料为试验基础，通过对动态模量、静态模量的分析，来探讨路面结构在荷载作用下的动力学参数变化。在本研究中为简化计算，对沥青路面结构层及材料限定为4种类型。最底层路基泊松比0.40，密度值为1 800kg/m3；级配碎石层泊松比0.35，密度值为1 900kg/m3；二灰碎石基层泊松比0.25，密度值为2 100kg/m3；沥青混凝土面层泊松比0.35，密度2 200kg/m3。

2.3有限元模型分析

结合Ansys软件，对沥青路面进行有限元分析。选取8个结点，在对各边界效应进行简化中，为了保证动力响应的收敛性分析，确定以10m×10m的尺寸为最优平面，对路基选取10cm厚度，来进行荷载和结构模型的对比分析。

3　计算及结果分析

3.1车辆轴重对沥青路面结构动力响应的敏感性分析

通过对车辆轴重相关资料的调查和检索，考虑到轴重自身对路面结构性能的影响，在轴重选择上确定100～260kN，40kN表示为一荷载级位，可通过荷载级位来反映轴重是否超载。通过有限元分析软件测试来看，轴重的变化能够对路面结构带来较大影响。当轴重变大时，路表弯沉、路基底层最大拉应力、表层剪应力及压变应力都呈现线性显著增加；由于沥青路面结构自身的层间关系，在对路表进行弯沉测试中，随着各结构层的变化而反映出不同路面的整体承载力变化。当轴重匀速行驶时，以80km/h为例，轴重荷载从100kN增加到180kN，其超载率达到80%，此时获得的路面最大弯沉增加了87%；而当车速继续增加，轴重荷载有100kN提升到220kN，超限达到120%，此时路面获得的最大弯沉增加了170%。可见，对于荷载条件下，当车速提升时，轴重荷载对路面结构的动态破坏会显著增加，导致沥青路面结构的变化，严重时对路面寿命带来更大影响。

通过对轴重荷载在260kN条件下的检测分析，路面基层拉应力为0.15MPa，与当前公路沥青路面设计规范中的劈裂强度变化范围0.25～0.35MPa相符合，说明在260kN荷载下，其最大拉应力仍在允许范围内。同时，在重载作用下，对于沥青层最大剪应力的变化为0.26MPa，与沥青路面设计规范中的重交沥青混合料抗剪强度0.27～0.5MPa相比仍在范围内，而对于改性沥青混合料的抗剪强度则更高，所以一次性剪切破坏对半刚性沥青路面的剪应力影响较小。另外，随着轴载荷载的增加，对于路面压应力的变化迅速增加，以80km/h时速为例，当轴载从100kN增加至260kN时，路面压应力变化由127.3×10-6增加至334.4×10-6，其对路面顶部竖向压应力的破坏更加严重，从而将诱发沥青路面损伤。

3.2车速对沥青路面结构的敏感性分析

车速变化对沥青路面结构的影响是直接的，本研究将车速控制在0～120km/h，并以20km/h为速度等级，来反映不同车速变化在路面结构动力响应中的敏感性。从测试结果看，对于车速的变化，与路面结构动态响应程度存在一定影响；但其影响程度与轴重变化相比并非显著。当车速增加时，对路面基层、路面表层及路基顶层压应力也会随之增加；当车速为60km/h时，以轴重220kN为例，当车速从0增加至60km/h时，路面弯沉变化增加约12%，而基层最大拉应力增加8%，表面剪应力增加10%，顶层压应力增加5%；当车速增加至120km/h时，各动力响应峰值变化却小于静载时响应值。同时，由于重载条件下，重车对路面结构的响应峰值更大，对路面结构的破坏影响也最严重。

3.3路面结构各材料参数对路面荷载敏感性分析

本研究对于不同沥青路面结构层的分析，以正交试验来进行考查，设定各因素的独立性，从而获得动力响应峰值变化。选用轴重为220kN，车速为60km/h，采用方差分析法来进行正交试验，得出路面结构各面层厚度对路表剪应力、竖向压应力具有显著影响；对基底拉应力、路面压应力具有显著影响；路基模量对路面弯沉、路基压应力、基底拉应力影响特别显著；面层模量、基层模量仅对竖向压应力影响显著，而对于其他动力响应指标影响不显著。另外，对于位级的考查分析，主要从面层厚度、路基模量来考查沥青路面动力响应变化。当面层厚度增加，路面剪应力、竖向压应力下降显著。可见，增加面层厚度，有助于缓解重载模式下对沥青路面的变形、剪切、辙槽的破坏。

参考文献：

［1］魏连雨，李新明，马士宾，等.面层模量对沥青路面结构受力特性影响分析［J］.路基工程，2014（3）：41-45.

中图分类号：U416.217

文献标识码：A

文章编号：1003-5168（2016）02-0098-02

收稿日期：2016-01-25

作者简介：王震（1983-），男，本科，研究方向：交通系列道路与桥梁。

Sensitivity Analysis of Asphalt Pavement Structure under Heavy Load Condition

Wang Zhen
（Henan Expressway Development Co.Ltd.to Shangqiu Branch，Shangqiu Henan 476000）

Abstract:By means of the finite element method to build the overloading asphalt roadbed model,dynamic response under the action of axle load and axial load parameters such as speed,pavement structure were analyzed,and discussed the sensitivity of the asphalt.The results showed that under the action of dynamic overload,with the increase of axle load,the asphalt pavement structure sensitivity showed linear enhance⁃ment;For pavement structure with the increase of axial load speed increase before lowering trend;Table for road deflection,tensile stress in the bottom and top surface compressive stress changed particularly sig⁃nificant.

Keywords:asphalt pavement；heavy load condition；pavement structure