沥青路面结构设计及力学计算

李波;彭志斌

【摘 要】利用有限元对四种路面结构的变形、受力特性和位移进行了分析,得出了上面层和中面层模量的改变对竖向压应力变化没有很大的影响,上面层模量的增加可以显著地消减由于荷载作用而产生的水平拉压应力、径向拉压应力和剪应力,最大剪应力峰值随着面层模量的增加而减少且呈现非线性关系的结论. 【期刊名称】《公路与汽运》 【年(卷),期】2010(000)006 【总页数】3页(P75-77)

【关键词】公路;路面;有限元;应力分析;位移分析 【作 者】李波;彭志斌

【作者单位】娄底市城乡建设投资集团有限公司,湖南,娄底,417000;娄底市娄星区交通局,湖南,娄底,417000 【正文语种】中 文 【中图分类】U416.217

1 抗滑表层选择

提高沥青混合料水稳性的主要措施是防止水的侵蚀，提高沥青和集料的粘附性。SMA混合料是由沥青、矿粉、纤维及少量细集料组成的沥青玛蹄脂填充间断级配的粗集料碎石骨架。SMA混合料的空隙率很小，几乎不透水，混合料受水的影响

很小，加上玛蹄脂与集料的粘结力好，混合料的水稳性也有较大改善。 沥青路面的表面功能也很重要，除了集料自身性质外，表面构造是关键因素。SMA一方面要求采用坚硬的、粗糙的、耐磨的石料;另一方面矿料采用间断级配，粗集料含量高，路面压实后表面形成大的孔隙，构造深度大，一般超过1mm，必然使抗滑性能提高。

延长路面寿命需要沥青混合料具有良好的耐久性。SMA混合料内部被玛蹄脂充分填充，且沥青膜较厚，混合料的空隙率很小，沥青与空气的接触少，因而沥青混合料的耐老化性能好。

由于以上因素的共同作用，SMA结构能全面提高沥青混合料和沥青路面的使用性能，减少维修养护费用，延长使用寿命。 2 不同路面结构的应力和位移分析

按照JTG D50-2006《公路沥青路面设计规范》的规定，设计标准轴载取为BZZ-100，平均日交通量为6872辆/d(中型载重汽车)，2006—2010年交通量年平均增长率为7.153%，2010—2015年为6.442%，2015—2020年为5.27%，根据交通量车型百分比换算数，计算此设计年限内累计轴载次数为1266.97万次，路面设计弯沉值0.228mm。采用有限元分析软件ANSYS对车辆荷载作用下的不同路面结构进行力学响应对比分析，并进一步分析各个面层的沉降位移。 2.1 计算条件与计算参数

考虑上中面层材料的不同对路面结构的应力和位移的影响，上面层材料分别为SMA-13和普通沥青砼AC-13，中面层材料分别为SBS改性密实级配沥青砼和改性断级配沥青砼。组合得到四种不同路面结构(见表1)，采用ANSYS进行分析。 表1 路面结构及其参数结构层 厚度/cm 结构组合1 结构组合2 结构组合3 结构组合4上面层 4 SMA-13 AC-13 AC-13 SM A-13中面层 5 改性密级配AC-20改性密级配AC-20 改性断级配AC-20 改性断级配AC-20下面层 6 AC-25 AC-25

AC-25 AC-25基层 20 水泥稳定碎石 水泥稳定碎石 水泥稳定碎石 水泥稳定碎石底基层 18 水泥稳定碎石 水泥稳定碎石 水泥稳定碎石 水泥稳定碎石垫层 20 级配碎石 级配碎石 级配碎石 级配碎石土基 土基 土基 土基 土基

在计算过程中参照规范规定的范围，SMA-13的模量为2000MPa，AC-13的模量为1500MPa，SBS改性密实级配砼的模量为1400MPa，改性断级配砼的模量为1800MPa。

路面结构的土基 :E=100kPa，φ=30°，θ=5°。

荷载作用图示为:单轴双轮、双圆荷载、双圆中心距离3δ。

经过计算比较，ANSYS模型双圆圆心连线方向长度为5 m，圆心连线的垂直方向长度为6 m，土基厚度为3 m。

计算中，X坐标代表模型的宽度，总宽为5 m;Y坐标代表模型的厚度方向，总厚为3.73 m;Z坐标代表模型的长度，总长度为6 m;坐标的原点为面层的中心点;Z轴过两个轮胎荷载圆连线的中点。 2.2 四种路面的性能对比分析

由于四种路面结构不同，性质方面有些差别。因此，各个类型路面的基层和底基层的使用性能与其他类型路面存在一些差别。同时，实践证明这些路面类型的工作特性明显不同。以下通过理论计算分析这些路面类型之间的差异。 2.2.1 变形分析

四种路面结构在荷载作用下的变形分析结果见图1～2。 图1 标准轴载作用下的路表弯沉 图2 轮载作用附近的弯沉

从图1可以看出:1型和3型路面的弯沉曲线几乎重合，是由于1型、3型路面上面层和中面层模量的当量模量分别为1603和1698MPa，1型、3型路面上面层和中面层的当量厚度分别为4.4和4.5cm，二者的当量模量和当量厚度非常接近。

2型和4型路面的弯沉值相差较大，这是由于2型、4型路面上面层和中面层模量的当量模量分别为1433和1867MPa，二者当量厚度相同，均为4.46cm，这说明当量模量对弯沉的影响比较大。

从图2可以看出:1型、3型路面的弯沉曲线和2型、4型路面的弯沉曲线线形相差较大，这主要是由于二者的上、中面层模量差相差较大。

从弯沉的最大值来看，2型路面＞3型路面＞1型路面＞4型路面，与上面层和中面层模量之和之间存在单调递增关系。 2.2.2 面层受力特性分析

在路面三维空间结构分析中，面层在行车荷载作用下主要产生水平拉(压)应力SX、径向拉(压)应力SZ和竖向压应力SY。在相同双圆半径荷载作用下，面层不同位置的力学响应存在很大的差别，根据JTG D50-2006《公路沥青路面设计规范》，通常面层需验算的关键响应部位为双轮轮隙中心和单圆作用中心。 图3～8为轮载作用下单圆作用中心位置的力学特性及其分布规律。 图3 单圆中心处的竖向压应力SY 图4 单圆中心处的水平拉(压)应力 SX 图5 单圆中心处的径向应力SZ 图6 单圆中心处的剪应力SX Y 图7 单圆中心处的剪应力SYZ 图8 单圆中心处的剪应力SXZ

从图3～8可以得出轮载作用下荷载圆心位置的位移和应力变化规律:

(1)四种结构类型的竖向压应力曲线几乎重合，主要说明上面层和中面层模量的改变对圆心竖向压应力的影响较小。

(2)在同样荷载作用下，上面层的模量高使得上面层的表面产生较大的水平拉压应力SX和径向应力SZ，并且在上面层范围内消减较快;到中面层表面时，1型、4

型路面的水平拉压应力SX和径向应力SZ小于2型、3型路面。说明越大的模量将消减越多的水平压应力SX和径向应力SZ。

(3)四种路面结构类型在荷载作用下所产生的剪应力都很小，剪应力SXY和SXZ对于不同路面类型变化较小。在上面层部分，1型和4型路面的SYZ大于2型和3型路面;中面层部分，3型和4型路面的SYZ大于1型和2型路面。说明对于上面层和中面层，较大的模量将产生较大的剪应力SYZ，但对剪应力SXY和SXZ没有影响。 3 结 论

通过用有限元分析软件对四种路面结构进行分析，可以得出以下结论:上面层和中面层模量的改变对竖向压应力变化没有很大的影响;上面层模量的增加可以显著地消减由于荷载作用而产生的水平拉压应力、径向拉压应力和剪应力;最大剪应力峰值随着面层模量的增加而减少，且呈现非线性关系;上、中面层模量的当量模量和厚度相近时，路面弯沉曲线几乎重合;上、中面层模量的当量模量相差较大，但厚度相近时，路面弯沉值相差较大;上、中面层模量差对路面弯沉的线形影响较大。 参考文献:

【相关文献】

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