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标题 平交路口荷载作用下沥青路面粘弹性力学响应研究
范文 张倩等



摘 要：为探求平交路口处水平力对沥青路面面层材料力学响应的影响，根据粘弹性层状体系理论，采用ABAQUS软件建立半刚性基层沥青路面有限元模型，分析启动时水平荷载作用下平交路口沥青路面面层材料的粘弹性力学响应。结果表明，水平力的作用增加了沥青面层间的正应力、剪应力及应变，使得面层材料推移变形的可能性大大增加，加速了沥青路面波浪、拥包等病害的产生。
关键词：平交路口；水平力；有限元分析；粘弹性
中图分类号：U416.217 文献标志码：B
Viscoelastic Response of Asphalt Pavement Under Loads at Grade Crossing
ZHANG Qian1， FAN Zhezhe1， LI Ze1， SHI Xin2
（1. School of Civil Engineering， Xian University of Architecture and Technology， Xian 710055， Shaanxi， China；
2. Transportation Bureau of Shijiazhuang， Shijiazhuang 050001， Hebei， China）
Abstract： In order to explore the impact of horizontal force on asphalt pavement materials at the grade crossing， a 3D finite element model based on the theory of viscoelastic layered system was presented. A model of semirigid base asphalt pavement was established using ABAQUS. The simulation shows that horizontal load can increase normal stress， shear stress and strain between the asphalt surface layers. The possibility of slippage， wave and packet of asphalt surface layers is increased dramatically， and the deterioration at the crossings is aggravated.
Key words： grade crossing； horizontal force； finite element analysis； viscoelasticity
0 引 言
半刚性基层沥青路面具有施工周期短、养护维修方便、行车舒适等优点[12]，但是随着大量使用，这种路面结构出现了一些新病害特征，其中平交路口路面病害尤其突出。平交路口是道路交通的枢纽位置，由于交通管制和信号灯的设置，车辆经常在平交路口附近刹车停驻和启动，相比一般路段，平交路口路面承受了更大的水平力[36]。
在路面力学响应模拟方面，一些学者已进行了相关研究。戴震等[7]建立了二维有限元模型，分析了层间接触状态、加载特性等对沥青路面结构应力的影响，但二维模型不能真实反映三维道路的受力和应力、应变情况；马国存等[8]研究了随机动荷载作用下沥青路面的受力特性，但只考虑了垂直荷载作用，未考虑水平力；李婷婷等[911]研究了路面在垂直力和水平力共同作用下的力学响应，但都采用线弹性模型，不符合沥青混合料的粘弹性特征。水平力是平交路口沥青路面产生波浪、拥包病害的主要原因，对路面的影响相当复杂，但限于试验手段难以进行实测，一般只能借助数值模拟进行分析。作为一种解析分析工具，有限元能较好地模拟非线性材料的力学响应特性，计算复杂条件下的应力、应变；因此，本文利用ABAQUS软件建立沥青路面三维有限元粘弹性分析模型，对其施加水平力和垂直力，模拟车辆启动时平交路口路面受力状态，分析沥青面层的粘弹性力学响应。
1 建立三维有限元计算模型
分析模型为五层结构的沥青路面，路面总厚度为69 cm，在路面顶面作用行车荷载，模型长、宽、高分别为6 m、6 m和3 m，网格划分为0.1×01，荷载作用区域加密划分为0.05×0.05，计算单元为8节点六面体减缩积分C3D8R，模型及网格划分见图1，其中X方向为路面结构行车方向，Y方向为路面结构深度方向。
图1 路面结构模型及网格划分
1.1 材料参数的设定
路面各层厚度和材料特性见表1。
沥青混合料的力学行为受时间和温度的影响很大，在试验时间范围内混合料易表现出蠕变和松弛特性，现有粘弹性本构关系中，广义Prony级数模型可综合反映这两种特性。因此，模型以Prony级数表示混合料本构的时间依赖性，具体拟合步骤如下[12]。
首先由动态模量试验得到不同温度不同频率时的相位角及动态模量，将其转化为储能模量E′
1.2 边界条件的确定
计算结果受边界条件的影响很大，本文基于粘弹性层状体系理论，对分析模型作如下假设。
（1） 路面各层采用粘弹性材料，且均质、各向同性。
（2） 路面结构沿水平方向无限，但各层厚度有限。
（3） 荷载作用下，无限远及无限深处应力应变响应为零。
（4） 各层之间的接触为完全连续。三维分析模型中垂直于Z轴的面有相应的单向约束，道路底面完全固定[15]。
1.3 荷载的确定
研究表明，汽车在制动时车轮与路面间的最大制动力可按下式计算[16]。
FXbmax=FZφ
式中：φ为路面摩擦系数（路况良好的沥青路面φ取0.8～1.0）；FZ为路面表面所受的竖向荷载。
为简化计算，FZ取标准轴载0.7 MPa，则相应的最大制动力取值范围为0.56～0.7 MPa。为对比平交路口相对于一般路段路面力学响应的差异，综合考虑平交路口处汽车的牵引力和制动力，在模型上施加水平荷载，取值范围为0.56～0.9 MPa。将模型上表面沿X轴方向均匀划分为72个网格，每排36个，每个方格的尺寸为0.213 m×0.167 m。若汽车以36 km·h-1的速度行驶，则每0.15 s前进15 m，按照网格尺寸的大小可知，汽车荷载在0.15 s内作用在9个网格上，因此加载范围为X=1.837～3.340 m。车辆正常启动和制动时，可以认为路面受到的水平荷载大小相等，方向相反；因此，本文只分析启动水平荷载作用下平交路口沥青路面面层材料的粘弹性力学响应，模型边界条件及加载位置见图2。
图2 荷载作用位置及边界条件
2 有限元计算结果及分析
根据以上基本假定、模型和荷载水平条件，将三种沥青混合料粘弹性参数输入有限元模型进行模拟计算。以下对路面结构模型各层的位移、正应力、剪应力及应变计算结果进行比较和分析。
图3 路面结构沿行车方向的变形
2.1 路面结构内的位移响应
图3为路面结构内荷载沿行车方向的变形响应曲线。由图3可知，与只受垂直压力作用相比，施加水平力之后，荷载响应曲线的形状和位置发生突变。水平力增加时位移响应曲线的形状和位置没有变化，但数值在增加。水平荷载由0.56 MPa增加到0.7 MPa，沿水平方向的推移增加24.9%；水平荷载由0.7 MPa增加到0.8 MPa，水平推移增加142%；水平荷载由0.8 MPa增加到0.9 MPa，水平推移增加12.5%。水平力的存在增加了面层材料推移的可能性，频繁的车辆启动、制动会加剧路面的破坏。
图4为路面结构内荷载沿深度方向的变形响应曲线。由图4可知，在竖向荷载保持0.7 MPa不变的前提下，尽管水平荷载逐渐增大，路面竖向变形曲线的位置和形状基本保持不变，即沿深度方向的变形保持不变。
图4 路面结构沿深度方向的变形
2.2 路面结构内的正应力响应
图5为路面结构内荷载沿行车方向的正应力响应曲线。由图5可知，与只受垂直压力作用相比，施加水平力之后，正应力响应曲线的形状和位置发生明显变化。X=1.67 m处水平荷载依次由0.56 MPa增加到0.7 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa，对应的沿行车方向的应力分别增加了43.4%、21.6%和17.8%。
图5 路面结构沿行车方向的应力
图6 路面结构沿深度方向的应力
图6为路面结构内荷载沿深度方向的正应力响应曲线。由图6可知，与仅有竖向荷载的情况相比，X=0.1 m处施加0.56 MPa的水平力之后，其垂直应力由0.58 MPa增加到0.64 MPa，增加10.3%；当水平荷载由0.56 MPa依次增加到0.7 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa时，对应的垂直应力分别增加25%、17%和65.2%。
2.3 路面结构内的剪应力响应
图7为路面结构内荷载沿行车方向的剪应力响应曲线。由图7可知，水平荷载由0.56 MPa增加到0.7 MPa，X=2.3 m处沿行车方向的剪应力由0.28 MPa增加到0.36 MPa，增加了28.6%；水平荷载由0.8 MPa增加到0.9 MPa时，沿行车方向的应力增加了1倍。
图8为路面结构内荷载沿深度方向的剪应力响应曲线。由图8可知，仅有竖向荷载作用的情况下，X=0.5 m处的剪应力最大达到0.14 MPa；施加056 MPa的水平力之后，最大剪应力达到0.24 MPa，水平荷载由0.56 MPa依次增加到0.7 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa时，对应的剪应力分别增加105%、6.8%、102%。可见水平力的存在将大大增加沥青面层之间的剪应力，甚至导致剪应力成倍激增。
2.4 路面结构内的正应变响应
图9为路面结构内荷载沿行车方向的正应变响应曲线。由图9可知，与只受垂直压力作用相比，施加水平力之后，正应变响应曲线的形状和位置发生突变。若水平荷载由0.56 MPa依次增加到07 MPa、08 MPa、09 MPa，对应的沿行车方向的应变分别增加25.8%、14.7%和12.8%。
图9 路面结构沿行车方向的应变
图10为路面结构内荷载沿深度方向的累加应变响应曲线。由图10可知，与仅有竖向荷载作用情况相比，施加0.56 MPa的水平力之后，X=0.9 m处的累加应变增加28.9%；当水平荷载由0.56 MPa依次增加到0.7 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa时，对应的累加应变分别增加6.6%、4.8%和4.5%。
图10 路面结构沿深度方向的累加应变
可见水平力的存在加大了路面结构内的正应变，在车辆荷载反复作用下，平交路口更容易产生沉陷、波浪、拥包等病害。
3 结 语
（1） 利用ABAQUS软件建立半刚性基层沥青路面三维有限元粘弹性模型，分析了启动荷载作用下沥青路面的粘弹性荷载响应特性。结果表明，水平力尤其是启动力所引起的路面应力、应变状态的变化不容忽视。当水平荷载由0.56 MPa增加到0.7 MPa时，沥青路面结构内沿行车方向的推移增加24.9%，正应力增加43.4%，剪应力增加28.6%，正应变增加25.8%；当水平荷载由08 MPa增加到09 MPa时，水平推移增加12.5%，正应力增加178%，剪应力成倍激增。
（2） 同一轮载作用时，不同水平力对沥青路面结构内的位移、正应力、剪应力及应变的影响以沿行车方向最为突出，这是平交路口沥青路面产生拥包、推挤病害的主要原因。
（3） 平交路口车辆频繁地启动、制动，因此在路面分析中应充分考虑水平力的破坏作用。实际上，水平力对路面的影响相当复杂，如何有效考虑水平力尤其是制动力的影响，并将其应用到沥青路面结构设计、材料设计方面，对预防平交路口沥青路面破坏具有重要价值。
参考文献：
[1] 程文静.半刚性基层沥青路面早期病害及其防治研究[D].济南：山东大学，2013.
[2] 郑仲浪.重载车辆作用下沥青路面层间力学行为研究[D].西安：长安大学，2010.
[3] 张 浩.竖向动态荷载作用下沥青路面力学响应分析[J].太原理工大学学报，2006，37（03）：355357.
[4] 王 凯.道路交叉口沥青路面病害原因分析及防治对策[J].建材技术与应用，2012（7）：2932.
[5] 冯俊领.交叉口沥青路面剪切损害机理及剪切试验方法研究[D].上海：同济大学，2007.
[6] 于 玲，钟右鹏，包龙生，等.交叉路口沥青路面变形病害机理分析[J].沈阳建筑大学学报：自然科学版，2010，26（4）：709715.
[7] 戴 震.沥青路面结构受力机理分析[D].南京：东南大学，2004.
[8] 马国存.竖向移动荷载作用下沥青路面结构体系响应研究[D].长沙：中南大学，2009.
[9] 李婷婷.不同轴载和行车状态下永久性沥青路面的力学响应规律[J].上海交通大学学报，2011，45（5）：662666.
[10] 乔英娟.关于沥青路面设计抗剪强度指标的研究及应用[J].公路交通科技，2011（6）：9497.
[11] 郑木莲，韩胜超，张正亮，等.水平荷载作用下高模量沥青混凝土路面力学响应数值分析[J].公路，2013（9）：1924.
[12] 田庚亮.光纤传感技术监测沥青混合料应变响应有效性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.
[13] 谢来斌.基于温度场和动态模量的沥青混合料车辙预估模型研究[D].西安：西安建筑科技大学，2013.
[14] 丁和平，何 杰，赵池航，等.非均布动载荷下沥青路面粘弹性有限元分析[J].武汉理工大学学报，2011，33（2）：6771.
[15] 张鹏.制动条件下沥青路面受力分析[D].长春：吉林大学，2014.
[16] 樊庆竹.汽车刹车时沥青路面力学响应分析[J].河南科学，2014，32（3）：400404.
[责任编辑：杜卫华]
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更新时间：2025/2/10 22:43:50