温度-移动荷载耦合作用下沥青路面结构力学响应研究

建立沥青路面结构有限元模型,计算沥青路面结构在一天内温度连续变化条件下温度场分布,在此基础上进行温度与移动荷载耦合,分析沥青路面结构在温度-移动荷载耦合作用下的力学响应。结果表明,沥青面层温度场在一天内的变化呈现先减小、后迅速增大、再减小并趋于缓和的趋势,基层以下路面结构层温度几乎不发生变化;在温度-移动荷载耦合作用下,路表最大竖向位移比不考虑温度作用时最大竖向位移增大8.60%,沥青层层底拉应变比不考虑温度作用时层底拉应变增大176.26%;车辆速度和轴重影响沥青路面的力学响应,随着荷载移动速度的增大,路表竖向位移减小、竖向压应力增大,随着轮胎接地压强的增加,路表横向压应力、竖向压应力和纵向压应力都增大。     

双向循环荷载作用下长寿命沥青路面的剪应力分析

以长寿命沥青路面为对象,在双向循环荷载作用下,对其路面所受剪应力进行分析研究,结果表明,工况滞回曲线均呈近似椭圆形,沥青路面应变值在对应循环位移幅值处,随循环次数增加而增大。在循环加载结束后,工况C2、C3、C4沥青路面应变值增长率分别为86%、80%、52%,循环位移幅值越大,沥青路面应变值增长率越小。汽车在减速和加速行驶时,水平力施加明显改变了沥青路面上面层顶部和上面层层底的最大应变值,路面结构内部交变应力场造成路面发生疲劳破坏。路面下面层层底在竖直方向应变值所受影响最大。车辆在减速和加速过程中,下面层层底横向的应变随着水平荷载的增加而增加,在面层里,随着深度的增加,横向应变也随之增加。随着水平荷载的增加,下面层层底的纵向拉应变的最大值变化不明显,横向应变不断增加,在面层里,横向应变随着深度的增加而不断增加,在下面层底部达到了最大值。     

沥青路面典型点位应力应变分布特征研究

采用BISAR3.0力学计算软件和《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)推荐的双圆荷载加载模式,选取八个典型点位,提取其应力应变数值。应力应变沿路面深度分布规律表明:最大应力应变出现在A点或D点,面层内最大剪应力、剪应变出现在A点或C点;横向应力应变较纵向、竖向变化复杂;剪应力、剪应变变化规律一致,分析等效,采用其一便可代表路面的剪切状态;沿路面深度横、纵向应力仅数值变化而方向不变,横、纵向应变不仅数值变化且方向变化。     

车辆振动模型作用下不平整沥青路面的动力响应

由于受到车辆荷载的影响,沥青路面出现了各种形式的破坏。为研究沥青路面的动力响应,明确其破坏机理,采用二自由度1/4车辆振动模型模拟车辆荷载,依据弹性层状理论体系,建立沥青路面三维有限元模型,通过车辆-路面相互作用系统分析动态车载作用下沥青路面不同深度的动力响应,并对车速的影响效果进行了研究。结果表明:(1)由应力随深度变化来看,最大竖向、纵向与横向应力均出现在面层表面,三向应力在面层与基层的衰减现象明显;最大水平剪应力出现在面层与基层的交界处。(2)从应力的时程变化来看,竖向与横向应力均以受压为主;纵向应力的拉-压状态变化明显,容易造成疲劳破坏;水平剪应力处于正负变化状态,容易造成剪切破坏。(3)当车速在5～10m/s区间时,车辆荷载对沥青路面影响最大;随着车速增加,竖向位移与压应力急剧减小,至15～20m/s区间时荷载的影响最小,之后以缓慢增长趋势发展。     

行车荷载下不同沥青路面结构动力响应测试分析

为研究行车荷载下不同沥青路面结构的动力响应,验证、完善我国沥青路面设计方法,在两种倒装式和传统半刚性基层沥青路面结构内部埋设沥青应变计、土压力计和垂直大变形应变计等传感元件,以单后轴货车为行车荷载,现场开展了不同轴重、不同行车速度及制动工况下3种路面结构的动力响应测试。以沥青层层底纵向应变与横向应变、路基顶面土压力和过渡层底部竖向压应力与竖向位移为评价指标,分析了不同沥青路面结构的动力响应规律。结果表明:随行车速度增加,各路面结构沥青层层底应变、过渡层竖向压应力与竖向位移均明显减小;从拉应变循环幅值看,半刚性基层结构随车速的变化更敏感;相同轴重和车速下半刚性基层结构路基顶面的压应力远小于倒装式结构,半刚性基层结构荷载扩散能力更优;相同车速下,3种路面结构沥青层层底纵向应变循环幅值和路基顶土压力均随轴重增加而增大,且半刚性基层结构的增幅相对更大,即半刚性基层结构对荷载更敏感,倒装式结构对荷载适应性更强;车辆制动会引起沥青层层底残余应变、纵(横)向应变与应变循环幅值大幅增加,频繁制动易引起路面车辙变形和加速路面沥青层疲劳破坏。     

重交通荷载下的沥青路面结构力学响应研究

文章针对广西典型沥青路面结构,进行了5个等级的均布荷载作用下的路面结构有限元力学响应计算。结果表明:重载交通条件下,面层是沥青路面结构受力的最不利位置,最大压应力出现在表面;重载将会大幅增加面层及基层的弯拉应力、弯拉应变,上面层和下面层底面弯拉应力不同,上面层为负值,下面层为正值;重载将会导致层间剪应力的大幅增加,面层是剪应力主要集中的区域。所得结论可为重载条件下沥青路面设计指标的提出提供理论依据。     

沥青路面结构设计及力学计算

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。     

离散元法的沥青路面车-路动力学响应分析

为了分析车辆荷载作用下沥青路面结构的细观状态力学响应，建立了二自由度1/4车辆模型与多层路基路面耦合离散元模型，通过各结构层单轴压缩应力-应变试验与相同工况试验数据比较，经迭代运算得到路面离散元模型各结构层细观参数，应用试验得到的沥青路面细观参数建立多层路基路面模型，在离散元模型的上表面设定一定不平度，在一定速度作用下，1/4车辆模型在路基路面离散元模型上表面匀速移动，从而求解车辆动荷载作用下沥青路面各结构位移、应力等细观受力状态。进而改变1/4车辆模型的车体悬架刚度、悬架阻尼系数、轮胎刚度，轮胎阻尼系数，从而获得在改变车辆参数作用下沥青路面内部的应力变化规律。研究结果表明：基于离散元理论不但可以求得沥青路面在车-路相互作用下各层的应力与变形，而且还可以求得沥青路面各结构层颗粒流的变化趋势，在车辆移动荷载作用下，随着路基路面深度增加，各结构层颗粒流竖直方向动态位移与应力响应依次减少，其中上基层颗粒流动位移比上面层颗粒流动位移减少25%，下面层颗粒流竖向应力约为上面层颗粒流竖向应力的50%，水平方向上颗粒流既有压应力又有拉应力，变化比较复杂，上面层颗粒流水平方向主要承受压应力，其余结构层主要承受拉应力；增加轮胎与悬架刚度系数对模型颗粒流水平方向拉应力影响较大，增加轮胎与悬架阻尼系数对垂直方向颗粒流压应力与水平方向拉应力影响较小。     

重荷载作用下橡胶沥青面层结构的三维非均布动力响应分析

为了掌握重型移动车辆荷载作用后橡胶沥青路面的力学响应,文章首先基于路面平整度车辆振动因素选取了1/4动力学模型作为重载车辆模型;而后,基于路面结构、边界条件、材料参数等条件,建立在非均布移动重荷载作用下,橡胶沥青路面的三维瞬态动力学有限元模型;最后,基于有限元模型给出橡胶沥青路面在移动重型车辆荷载作用下的动力响应时程变化规律和空间分布规律。结果表明,橡胶沥青路面结构的力学响应呈波动性及正负交替变换,横向、竖向的应力应变先迅速增加后减小,荷载离开后留有一定的残存变形,下部应变比上部应变恢复得快;纵向应力始终为负,且在中下面层中,移动车辆荷载出现了微小波动;橡胶沥青路面吸收应力应变的能力比普通沥青路面强。     

基-面层间粘结状态对沥青路面车辙的影响

通过有限元软件模拟基-面层间局部不同粘结状态的沥青路面结构,计算分析了路面处于弹性阶段时荷载作用下的力学响应,结果表明：在车辆荷载作用下,由于基-面层间出现局部完全滑动,路面各面层底最大主拉应变都有增大,最大剪应变以表、中面层底变化明显,竖向压应变以越靠近牯结状态变化区越大;车轮制动,竖向荷载与水平荷载的联合作用加大了路面结构的变形.在此基础上,进行了室内车辙试验,较好地验证了,由于结构层间局部粘结失效,会导致沥青路面出现车辙.     

车辆多轮动载作用下柔性路面动应力响应

为研究重型车辆多轮动荷载产生的柔性沥青路面应力特性,建立考虑黏弹性的柔性沥青路面三维有限元模型,分析重型车辆多轮随机动荷载和移动恒动荷载作用下柔性沥青路面动态应力响应。结果表明:在路面的确定位置,2种动荷载作用下沥青各层的各向应力变化规律基本一致,而每个车轮通过时各向应力变化规律不同,沥青下面层Sup25底面纵向和横向应力呈现拉应力状态,且大于沥青各层上面的各向拉、压应力;在车辆行驶区域,沥青层各点的各向拉应力和压应力最大值出现的位置及大小均不相同,随机动荷载作用下各点的各向拉应力和压应力最大值的变化幅度较大,分别大于和小于移动恒动荷载作用下各点的各向拉应力和压应力最大值;沥青层各层在随机动荷载作用下各向最大拉应力和最大压应力相对移动恒动荷载作用下各向最大拉应力和最大压应力分别增加1.63%~20.14%和2.13%~28.93%;在研究柔性沥青路面动态响应时,必须考虑路面不平度引起的车辆多轮动荷载及其随机变化的影响。     

水-应力耦合作用下沥青路面的力学响应

为研究沥青路面水损害的机理,基于弹塑性理论,应用FLAC3D程序进行建模,分析饱和沥青路面在瞬时汽车荷载作用下的力学响应情况。结果表明:将饱和沥青混凝土路面面层厚度作为控制变量时,路面受到的水平应力、竖向应力、剪切应力随瞬时荷载的增大而增大;水平应力最大值主要集中在碎石层与LSPM的交界面处,竖向应力和剪切应力分布在饱和沥青混凝土面层内;变形从沥青路表面到土基层呈线性减小。     

移动荷载作用下长大纵坡沥青路面力学响应分析

为了研究结构层参数对长大纵坡沥青路面结构力学性能和路用性能的影响作用,采用有限元软件建立了移动荷载模型及长大纵坡沥青路面结构三维有限冗模型,分析了移动荷载作用下,面层、基层竖向压应力、最大剪应力、层底拉应力随各结构层厚度、模量及结构层组合的变化规律。结果表明：面层模量的增加在提高路面抗车辙性能的同时会降低其抗疲劳开裂性能;增大基层模量可以提高面层抗疲劳性能,但同时增加了基层层底拉应力,降低了基层抗疲劳性能;对于刚度较大的半刚性基层,面层厚度取低值可以增强长大纵坡沥青路面的抗车辙性能,基层厚度对于路面结构抗车辙性能影响较小;面层与基层模量比值在0．8～1．1范围内变化时,对长大纵坡沥青路面结构受力较为有利。     

FWD荷载下的沥青路面动力响应分析

为研究沥青路面在移动荷载作用下的实际动力响应规律,依托345国道工程铺筑的沥青路面试验路,采用落锤式弯沉仪(FWD),通过埋设于路面结构中的应变传感器,获取FWD荷载作用下沥青路面的层底弯拉应变响应。基于FWD荷载下的路面实测动力响应表明,路面结构层层底横向、纵向应变的脉冲信号呈现受拉状态,竖向应变呈现受压状态。横向应变脉冲峰值呈现逐渐递减的趋势：ε_t(下面层层底)>ε₍t(底基层层底))>ε₍t(下基层层底))。纵向应变脉冲峰值也呈现逐渐递减的趋势：ε₍l(下面层层底))>ε₍l(底基层层底))>ε₍l(下基层层底))。当FWD荷载作用结束时,下面层层底横向、纵向、竖向应变存在残余应变现象。基于ABAQUS软件建立的三维有限元模型,计算在FWD荷载作用下的动力响应表明,横向分布上,从承载板中心开始,应力应变逐渐减小,最大峰值出现在承载板中心下方。沥青层应变峰值和温度、荷载呈现正相关,下面层层底三向应变峰值与温度、荷载、弯沉呈指数增...     

基于加速加载试验的半刚性基层沥青路面动力响应

为了了解移动车辆荷载作用下半刚性基层沥青路面结构动力响应规律,修筑足尺试验场,采用置入式应变传感器,检测加速加载设备在车轮荷载作用下的面层底部动力响应,研究了面层底部横向分布以及轴重和温度对路面结构动力响应的影响。结果表明:移动车轮荷载下,面层底部纵向弯拉应变呈拉压应变交变状态,荷载位置仅影响其数值大小;横向弯拉应变比较复杂,胎冠下部呈现拉应变状态,2个轮胎之间及轮胎外侧呈现压应变状态,胎肩位置呈现拉压应变交变状态;面层底部弯拉应变无法充分反映超载车辆对路面的破坏作用;温度对路面结构的动力响应影响显著,30℃、40℃和50℃下沥青路面动力响应分别为常温状态下的3倍、8.9倍和13.3倍。     

饱水OGFC沥青路面力学分析

基于弹性多孔介质理论,利用Abaqus软件建立了饱水OGFC沥青路面的轴对称有限元模型,分析了在水荷载耦合作用下,上面层OGFC不同动态压缩模量对应力、应变和孔隙水压力影响的变化规律;研究了不同车速和渗透系数情况下孔隙水压力的时程变化曲线。结果表明:随着OGFC动态压缩模量的增大,沥青面层的水平应力呈下降趋势,中面层底部的水平应力受影响最大,上面层底部次之,下面层底部最小;随着OGFC动态压缩模量的增加,特征点A最大水平应变不断减小,特征点B、C随上面层动态压缩模量的增大,最大水平应变影响不大;面层结构内的孔隙水压力在水和车载耦合作用下呈现明显的正负逆转现象,且与车速有关,车速越大,孔隙水压力越大;OGFC动态压缩模量和上面层渗透系数的增大均可降低上面层孔隙水压力。     

连续变温沥青路面车辙变形数值模拟

采用ABAQUS有限元软件建立三维半刚性基层沥青路面结构的温度场模型,输入某地区夏季高温1天24 h温度,考虑了沥青路面材料性质(弹性模量、蠕变参数)随温度变化的特征,进行持续变温的车辙变形模拟分析。主要研究高温时,路面在不同行车速度作用下,不同深度结构层竖向变形、剪切蠕变、压蠕变规律。结果表明:竖向变形、剪切蠕变、压蠕变值在整个行车道路横向范围内呈正负交替变化。不同层位的竖向变形、剪切蠕变、压蠕变变化规律不相同,但同一层位变化规律是一致的,都随着行车速度的降低而增加,而且发现当车速处于中低速(30~80 km/h)时,车速增大对竖向变形、剪切蠕变和压蠕变的减小程度均明显高于中高速(80~120 km/h)。路表位置轮载外侧边缘受到拉、剪切的综合作用,也验证了拉应力和剪应力作用下,轮胎轨迹外侧边缘容易出现纵向裂缝。而路表正最大剪切蠕变出现在左侧轮迹内侧右边缘,负最大剪切蠕变出现在右侧轮迹内侧左边缘。所以在路表处轮迹内侧边缘容易出现剪切破坏的裂缝。剪切蠕变、压蠕变主要出现在中面层(4~10 cm范围内)。在沥青路面设计时,上面层与中面层需要选择时间硬化蠕变模型中A,n参数变化对温度敏感性小的沥青混合料,以提高沥青路面的抗车辙能力。     

基于车-桥耦合动力作用的车辆与桥梁力学行为

为研究车-桥耦合动力作用下的车辆与桥梁力学行为,基于ABAQUS有限元软件建立二自由度四分之一车辆模型和简支桥模型。车辆模型考虑橡胶轮胎超弹性,桥面铺装层考虑沥青混合料黏弹性。基于轮胎与桥面铺装层接触关系,建立车-桥耦合动力模型,采用中心差分法和有限元理论求解车辆和桥梁时域响应。结果表明:通过与现场桥面铺装层上面层跨中竖向应力测量值比较,验证所建车-桥耦合动力模型具有一定可行性;未添加路面不平度上面层跨中最大竖向压应力、最大横向压应力、最大纵向压应力分别为0.608,0.283,0.338 MPa,添加路面不平度上面层跨中最大竖向压应力、最大横向压应力、最大纵向压应力分别为1.327,0.652,0.706 MPa,分别增大118.257%,130.389%,108.876%;未添加路面不平度最小和最大车辆悬架弹力分别为36.178,59.322 kN,变化幅度为63.973%,添加路面不平度最小和最大悬架弹力分别为33.738,60.859 kN,变化幅度为80.387%;未添加路面不平度纵梁跨中最大竖向压应力、最大横向拉应力、最大纵向压应力分别为0.282,0.193,0.159 MPa,添加路面不平度分别为0.449,0.418,0.348 MPa,分别增加59.220%,116.580%,118.868%。添加路面不平度,车-桥耦合动力效应增强,车辆与桥梁各项响应均增大。     

移动非均布荷载作用下的沥青路面动力响应分析

为更准确地模拟沥青路面实际的受力状态,基于弹性层状理论,借助大型有限元分析软件ANSYS,建立了沥青路面三维有限元粘弹性模型,并对其施加非均布垂直和切向摩擦行为的共同影响,分析车辆在匀速行驶时,沥青路面在不同载重车辆荷载作用下的动力响应。结果表明,纵向最大拉应力位于基层层底,纵向最大压应力位于沥青面层。超载显著增加了各层结构应力,加速了路面结构的破坏。路面设计时应提高上层材料的抗压强度。     

沥青路面压电输出的仿真分析

为探究沥青路面压电输出能力的大小及其影响因素,基于ABAQUS软件的力学-压电耦合分析技术,建立了压电式沥青路面压电输出的三维有限元仿真模型,分析了压电陶瓷类型、轴重、路面结构参数等对压电输出的影响。结果表明:PZT4的压电输出值最大,且压电输出随荷载的增大线性增加;当PZT埋设在沥青路面上面层与中面层之间时,压电输出随上面层模量的增加而减小,随中面层模量和沥青面层泊松比的增加而增大;PZT所受应力远小于其容许应力范围,满足行车荷载作用下的要求。