冲击载荷下沥青路面响应特征

唐姚宏

（长安大学公路学院，陕西西安 710064）

作者简介：唐姚宏（1990－），男，长安大学公路学院硕士研究生，道路与铁道工程专业。

摘 要：为了解决高速公路使用寿命普遍低于设计年限的难题，基于对路面载荷动态化的考虑，探讨高等级沥青路面在冲击载荷作用下的响应规律。本文提出利用ABAQUS有限元软件建立沥青路面结构三维有限元模型，将传统静载荷作用替换成与实际车辆荷载更接近的冲击荷载。研究结果表明：动静荷载作用下路面响应规律差异很大，设计中应逐步采用动态设计方法。随着载荷强度的增大，路面结构响应指标呈线性增长。然而车速的增大，由于载荷对路面的作用时间缩短，路表弯沉与路基顶面压应变变小，但是总体上差别不大。

关键词：动力响应；冲击载荷；有限元模型

Abstract：In order to solve the highway is generally lower than the design life of the life of the problem，based on the road load dynamic considerations，discussed the law in response Asphalt Pavement under impact loading．This paper proposes the use of ABAQUS finite element software to build a three－dimensional finite element model of asphalt pavement structure will re－place the traditional static loads into actual vehicle load closer to the impact load．The results show that：the road under static and dynamic loads vary widely in response to the law，the design should gradually adopt a dynamic design．With increasing load strength index pavement structural response is linear growth．However，with the speed increasing，the load because of the constraction of the duration of loading ation on the pavement on the road because of shorter duration of action，signs de－flection and compressive strain on top of subgrade smaller，but on the whole not very different．

Key words：Dynamic response；Impact load；The finite element model

1 前言

沥青路面结构是我国高等级路面的主要形式，是公路交通发展研究的重点。早期路面结构研究主要集中在静荷载作用下，路面结构的响应特性。由于静荷载与现实受力状况的差异较大，静态研究成果很难解释路面破坏机理，尤其是早期破坏现象。因此，开展对沥青路面结构的动力响应特性，对解释路面破坏机理、延长路面使用寿命有着重要的意义。

本文以高等级沥青路面结构为研究对象，设定动态载荷作用形式，定义层间接触状态，进行有限元仿真。对比不同因素作用下的路面结构响应特性，结合关键指标，对比分析路面响应的区别，得到沥青路面动力响应的变化特征。

2 沥青路面结构三维有限元仿真

2．1 路面结构与有限元模型

2．1．1 路面结构

针对沥青高等级路面结构形式，采用4cm SMA＋6cm AC－20＋8cm AC－25组成面层结构，40cm水稳碎石作为基层，20cm石灰土作为底基层。物理模型见图1。

图 1

图 2

2．1．2 路面材料参数

沥青路面材料大致分为沥青混合料、无机结合料与粒料等。沥青混合料是一种粘弹性材料，其模量值由温度、载荷作用时间、频率、大小等多重因素决定，动态模量范围较大。无机结合料的模量值受到材料组成、用量、龄期等因素的影响，变化范围很大。本文采用静态模量进行模拟，重点对照不同载荷条件下路面结构的响应特性。对于沥青路面结构的动态模拟，需引入阻尼系数和材料密度，具体参数参照表2－1。

表2－1 沥青路面结构材料参数

2．1．3 有限元模型

本次模拟采用6m×8m的路面尺寸［1］，路基深度取为7m，可以满足三维沥青模型的计算要求。关于边界条件，路基底部采用完全固结的形式，道路横向与道路纵向均约束水平X方向（垂直于行车道方向）。有限元各层材料采用8结点六面体完全积分单元 C3D8 进行模拟。ABAQUS模型具体形式如图2。

2．2 载荷作用模型

行车载荷作用是一种随着时间、空间不断变化，具有很大随机性的动态载荷。因此，得到精确的载荷大小与方向十分困难。本次模拟采用静态载荷与动态载荷相对比，其中动态载荷选取近似的竖直向下的冲击荷载。

建立载荷模型时，需考虑载荷作用范围。考虑到汽车轮胎与路面接触后的形状近似为椭圆形，经过测量发现，其长宽比近似为3∶2。故在建立载荷模型时，将圆形荷载等效成为矩形荷载，其面积相同。采用BZZ－100轴载进行换算，换算后的尺寸见图3。矩形荷载的应用，也方便ABAQUS模型的网格划分。

考虑静荷载的情况时，假设圆形荷载内部压力均等，应力大小为0．7MPa。动力荷载的集度变化［2］，参考HUANG Y H在Pavement Analy－sis and Design中采用的半弦函数变化。载荷强度公式见公式（1）。

图 3

式中：q为载荷强度峰值；

R为当量轴载半径，取11．55cm；

v为汽车行驶速度。

论文从三个角度进行对比分析。首先是模拟沥青路面动静载荷对路面结构影响的对比，此时取汽车速度v＝80km／h，应力水平q＝0．7MPa。其次是模拟沥青路面在同相应力水平不同车速下的结构响应规律，取q＝0．7MPa，汽车速度以此取为40～160km／h，等间隔共7个速度值。最后是模拟沥青路面在相同车速，不同应力水平作用下的结构响应规律，车速取v＝80km／h，应力水平取为0．4 MPa、0．5MPa、0．6MPa、0．7MPa、0．8MPa、0．9 MPa、1．0MPa、1．1MPa、1．2MPa。动载荷作用时间取为轴载对路面固定点应力变化的周期长度T的表达式见公式（2）。

2．3 层间接触状态

在道路施工过程中，由于施工时间间隔、施工路面清理不完全、以及本身路面材料间性能差能等诸多因素，导致了路面层间不能完全连接，形成整体。当路面受到载荷作用时，层间就可能产生位移，处于部分连接状态。鉴于此，考虑路面结构层间状态是必要的。

层间的相互作用主要分为两个部分［3］，层间法向相互作用力以及切向作用力。其中法向接触按照“硬接触”进行定义，即层间不分离。切向作用力采用库伦摩擦模型进行定义。本文针对四个层间不完全连接状态进行考虑，分别定义摩擦系数。其中上面层与中面层、中面层与下面层定义0．7的摩擦系数。下面层与基层、基层与垫层的连接效果没有前两层大，故定义0．5的摩擦系数。底基层与土基采用Tie进行绑定，具体参数详细见表2－1。

3 沥青路面结构动态响应分析

3．1 沥青路面动、静力响应对比

为了对比静态载荷和动态载荷作用在模型上的差别，采用0．7MPa的双圆轮载的静态荷载，动态荷载幅值曲线采用车速为80km／h的状态，得到如表3－1所示的动静态响应数据。

表3－1 沥青路面动、静力响应对比

从表3－1可知，沥青路面结构的静力与动力响应差异很明显，为了更加有效的防止沥青路面早期病害的发生，分析实际路面病害原理，采取相应有效的防治手段，实际公路设计中应该逐步采取动态参数设计方法。

3．2 载荷大小对沥青路面动力响应指标的影响

本文中的模拟采用单轴载双轮组垂直均布载荷［4］，以80km／h作为标准速度，轮胎与路面压强依次取为0．4MPa、0．5MPa、0．6MPa、0．7MPa、0．8MPa、0．9MPa、1．0MPa、1．1 MPa、1．2MPa。分析计算结果由图4所示：

图 4

由上述计算结果可知：在动载荷作用下，随着荷载值的增大，路面响应显著增大。其中路表弯沉、面层层底拉应变以及基层、底基层层底拉应力在同一时刻下的值具有线性增长关系。以0．7 MPa作为基准，当接触压力增加157％达到1．1 MPa时，路表弯沉、面层层底拉应变以及基层层底拉应力增加60％左右，变化幅度相当。

因此，为保障沥青路面结构使用寿命达到设计年限，严禁车辆超载是很有必要的。

3．3 沥青路面车速大小对动力响应指标的影响

本文中的模拟采用单轴载双轮组垂直均布载荷，以0．7MPa作为标准接触压力，汽车速度依次取为40km／h、60km／h、80km／h、100km／h、120km／h、140km／h、160km／h。分析计算结果由下图所示：

图 5

由图可知：汽车速度越快，路表弯沉值越小。160km／h的速度下，荷载施加在路面结构上形成的路标弯沉值只有40km／h车速下的70％左右。这是由于荷载对路面的作用时间短，作用效应不能及时扩散，路面结构的响应也越小。对于路基顶面压应变，随着车速的增大，由于作用时间较短，其对路基的影响越小，路基层顶压应变的值就越小。

4 结论

本文应用大型通用有限元软件ABAQUS，建立了沥青路面结构动力响应三维有限元模型，详细分析了不同车速、轴载作用下的沥青路面动力响应特征以及动静载荷作用下的差异，结论归纳如下：

（1）沥青路面结构静力与动力作用下的响应特征差异明显，对路面的动态模拟更加有利于路面早期病害的防治，这种能够真实有效反映路面结构力学行为的分析方法应逐步在路面结构设计中进行应用。

（2）随着轴载的增加，汽车轮胎与路面结合处的压强增大，在整个模拟的作用时间内，路面结构各项重要指标均有显著的提高，路面面临着更严重的破坏。因此，严禁超载对保护路面有着重要的意义。

（3）汽车行驶越快，路面结构的响应越小，但是土基顶面压最大应变值则变化不大，基本不受影响。

参考文献

［1］ 梁洪涛．移动荷载作用下层状沥青路面结构时程响应分析［D］．湖南：中南大学，2013．

［2］ HUANG Y H．Pavement Analysis and Design［M］．The 2nd edition，Prentice Hall，new jersey，USA．2004．

［3］ ROMANOSCHI S A．Characterization of pavement layer interfaces［D］．Louisiana State University，Baton Rouge， 1999．

［4］ 刘立安．动荷载作用下沥青路面结构响应研究［D］．陕西：长安大学，2002．