基于三维黏弹有限元法的沥青路面结构力学响应分析

为探究沥青路面在荷载作用下力学响应,基于辽宁省沥青路面足尺加速加载试验,开展路面结构力学仿真方法及力学响应特征研究。采用光纤光栅传感器实测足尺加速加载路面的面层底部、基层底部和路基顶面的力学响应。利用有限元分析软件ABAQUS,建立了基于实测参数的典型半刚性基层沥青路面三维黏弹有限元仿真模型,分析路面结构在不同加载位置下的力学响应,并与加速加载实测结果对比,验证模型的可行性;同时,对路面结构内部的力学响应规律进行分析。结果表明:所建立的仿真模型能较合理地模拟路面结构内部力学响应;沥青混合料黏弹特性导致弹性后效,使力学响应曲线表现出非对称特点。对于沥青层,中面层和下面层上部剪应力和剪应变较大,为车辙发生的薄弱部位;对于沥青层底、水泥稳定碎石层底,控制疲劳开裂的力学响应为水平纵向拉应力和拉应变。     

沥青混合料动态模量及其变化规律研究

作为一种黏弹性材料,沥青混合料力学响应特征随环境的变化而变化。为了对沥青路面响应进行力学分析,需要对其变化规律进行研究。该文以AC-16沥青混合料的动态模量室内试验数据为基础,对沥青混合料动态模量随荷载频率及试验温度的变化规律进行研究,利用Sigmoidal模型及时温等效原理拟合得到AC-16沥青混合料的动态模量主曲线和位移因子,利用WLF方程得到位移因子随试验温度变化规律的数学模型,最后给出该种沥青混合料动态模量关于试验温度和荷载频率的变化规律,以更好地模拟沥青混合料在不同的温度下随汽车速度变化,其力学响应的变化规律。     

再生沥青混合料路用性能研究

针对AC-25型再生沥青混合料和新拌沥青混合料,通过劈裂强度试验、间接拉伸试验和三轴重复荷载试验对比分析了掺加30%旧料的再生沥青混合料与新拌沥青混合料的路用性能。研究结果表明:在相同温度时,再生沥青混合料的劈裂强度和劲度模量均比新拌沥青混合料要大,水平变形略低。依据间接拉伸疲劳试验,新拌AC-25型沥青混合料的疲劳性能要优于再生AC-25型沥青混合料。建立了新拌和再生AC-25型沥青混合料的应力疲劳方程和应变疲劳方程,其拟合相关系数之平方均大于0.91,相关性较好。在温度60℃、相同应力水平下,再生AC-25沥青混合料的永久应变小于新拌AC-25型沥青混合料,再生沥青混合料的抗永久变形性能优于新拌沥青混合料。建立了新拌和再生AC-25型沥青混合料在重复荷载作用下的黏弹性力学模型,相关系数达0.99。     

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

为研究和改善行车水平荷载对沥青混凝土路面结构受力的影响,采用三维有限元方法分析计算了静载作用下各大小水平荷载作用时沥青混凝土路面结构的力学响应规律,对比分析了高模量沥青混凝土(HMAC)设置在路面结构不同层位对水平荷载和垂直荷载综合作用下路面结构力学响应的影响.结果表明:水平荷载的影响范围主要集中在路面上部6 cm范围以内;在较大水平荷载作用下,路面结构最大剪应力和最大拉应力峰值增大显著,容易造成路面结构的剪切和拉裂破坏;面上面层设置HMAC和上中面层设置HMAC能够有效地改善这些局部路段路面结构的抗剪切和抗拉裂性能,且在效果上后者优于前者.     

温度非均匀分布对沥青混凝土路面结构力学响应的影响分析

传统的路面力学计算并未考虑温度沿路面深度方向的非均匀性和变温过程对沥青混凝土劲度模量的影响,使理论计算结果与实际状况之间的差异较大。为此,通过数值解法同时考虑以上两个因素,对青藏公路典型路面结构不同温度分布下的力学响应进行全面的计算分析。结果表明:一天时间内,在标准荷载作用下,路面结构在沥青混凝土面层平均温度最高时刻的最大竖向位移比温度最低时刻高约14.5%;轴向及行车方向的弯拉应力分别增大6.4%和6.7%;竖向剪应力增大12.0%左右,而水平剪应力则增大33.9%。这说明沥青混凝面层的温度及其分布对路面结构力学响应有较大影响。青藏高原多年冻土地区温度变化幅度较大、变温频繁,因此,在沥青混凝土路面结构设计中应充分考虑温度及其分布的影响。     

沥青混合料永久变形黏弹性力学模型通用性研究

为了拓展沥青混合料永久变形黏弹性力学模型的适用宽度,满足不同温度区间和应力水平的要求,实现在全温域条件下沥青混合料永久变形预估,对6种典型沥青混合料进行了三轴重复荷载蠕变试验,研究不同温度和不同应力水平下的永久变形规律;构建了考虑行车荷载存在间隙期的重复荷载作用下沥青混合料黏弹性力学模型;建立了温度、偏应力与重复荷载作用下沥青混合料黏弹性力学模型参数关系方程并进行了修正。研究结果表明:沥青混合料在低温、中温、高温不同阶段表现出不同的永久变形特性,从全温域角度考虑沥青混合料永久变形发展规律更加符合实际状况;温度、轴载大小和荷载作用次数对沥青混合料的永久变形均有着较大的影响,且三者存在着等效关系;重复荷载作用下沥青混合料永久变形黏弹性力学模型参数拟合及参数与温度、偏应力的关系方程拟合的效果良好,均大于90%以上,提高了沥青混合料永久变形黏弹性力学模型的通用性。同时,确定了不同温度的平均修正系数,使永久应变计算结果更加准确。     

玄武岩纤维在重载SBS沥青玛蹄脂碎石混合料路面中的应用

为探讨玄武岩纤维在重载路面中的路用性能及其路面结构的力学响应，对不同掺量玄武岩纤维沥青混合料与路面结构进行研究，通过高温稳定性、低温抗裂性、浸水马歇尔和冻融劈裂试验对玄武岩纤维SMA-13沥青混合料的高低温及水稳性能进行评价，并基于ABAQUS有限元程序对路面结构在累计荷载作用下的力学响应进行分析。结果表明：玄武岩纤维沥青混合料高温、低温、水稳性能要明显优于木质素纤维沥青混合料，最佳掺量为0.3%;玄武岩纤维沥青路面上面层变形量最大，且纤维对集中于中面层的车辙变形影响尤为显著。室内试验和有限元模拟结果表明，玄武岩纤维对SBS沥青路面的改善效果显著，且ABAQUS有限元程序在研究玄武岩纤维路面结构力学性能时能够起到良好的作用。     

重复荷载下沥青混合料变形的数值模拟

采用加载0.1 s、卸载0.9 s的半正弦波间歇荷载模拟路面实际的车辆荷载,利用线性Drucker-Prager蠕变模型对重复荷载下AC-13C基质、改性沥青混合料的变形进行黏弹塑性数值模拟,预测得到的变形与实测变形相比非常一致。沥青混合料的蠕变应变随着时间的增长而增大,初期增长率大而后期增长率小。在沥青混合料未屈服时,蠕变应变就是沥青混合料的永久应变;当沥青混合料发生屈服,产生了不随时间变化的塑性应变,此时蠕变应变加上塑性应变即为沥青混合料的永久应变。结果表明线性Drucker-Prager蠕变模型可以预测重复荷载作用下沥青混合料的变形,可用于移动荷载下沥青混凝土路面结构的力学响应分析。     

典型地区沥青混合料疲劳寿命动态模量代表值研究

沥青混合料在不同的试验温度和荷载频率作用下,其力学响应特征不同,不同的温度和行车荷载作用下服役的沥青路面产生的主要路面病害也不同。在沥青路面常见的病害中,疲劳破坏属于结构性破坏,可以利用行车荷载作用下的沥青面层混凝土力学响应特征参数来描述。文章通过调研内蒙古地区基本路况得到分析路面结构参数,并选取典型区域历年温度参数,利用调研所得数据,进行疲劳寿命等效温度预估分析,进一步得到疲劳寿命模量代表值。研究结果显示:典型路面结构下面层(AC-25C)的代表温度为3.1℃,疲劳寿命动态模量代表值为23291MPa。     

级配碎石基层沥青混凝土路面非线性力学响应分析

为了明确级配碎石柔性基层沥青混凝土路面结构层位功能,就沥青混凝土面层厚度、级配碎石基层厚度和模量3个路面结构参数对级配碎石柔性基层沥青混凝土路面进行非线性力学响应分析,结果表明:面层厚度增大,基层最大剪应力降低,且面层厚度为9 cm时面层剪应力最不利,12 cm时面层层底拉应力最不利;基层厚度对基层剪应力影响不显著,且当基层厚度为30 cm时,面层剪应力、层底拉应力均出现最小值;当增大基层模量时,面层最大剪应力、层底拉应力和基层最大剪应力均有不同程度降低.     

水平荷载对旧水泥路面沥青加铺层力学特性的影响

采用ANSYS有限元软件建立了加铺沥青层的旧水泥路面三维分析模型,考虑荷载位置和水平荷载系数进行沥青加铺层力学响应的数值分析,重点考察不同水平荷载系数下各力学指标沿深度的变化规律。结果表明：剪应力τyz及最大拉应变εmax受荷位影响较为显著;水平荷载系数对路表深度一定区域内的最大主应力σ1、等效应力σe及最大拉应变εmax有显著影响,且加铺层表面的各项应力指标所受影响最大;除了路表之外,各深度的剪应力τyz受水平荷载的影响也都较大。为利于规律分析和生产设计,对相关数据进行了拟合并给出回归公式。     

连续配筋砼基层沥青面层复合式路面结构沥青层应力分析研究

本文从理论上分析了连续配筋砼基层沥青面层复合式路面的沥青面层的最大拉应力和最大剪应力的分布情况,同时分析了各参数对最大拉应力和最大剪应力的影响,从而对连续配筋砼基层沥青面层复合式路面结的沥青面层混合料类型及路用性能提出了有益的建议。     

道路交叉口沥青混合料路用性能研究

针对南京市气候和道路交叉口的交通特点,采用AC-13C,SMA-13两种矿料级配与两种沥青共组成四种沥青混合料进行路用性能试验,测定了沥青混合料的水稳定性、高温稳定性、低温抗裂性、抗压强度和抗拉强度。提出了适用于南京市道路交叉口路面面层的沥青混合料类型。     

重载下刚性基层沥青路面的力学响应分析

应用APBI程序,建立计算模型,采用弹性层状体系理论,对重载下刚性基层(CRCP)沥青路面的力学响应进行了分析,探讨了重载作用下刚性基层沥青路面的应力分布及其影响因素。研究结果表明:路表位于车轮外侧有数点受到垂直于行车方向的拉应力,路表最大剪应力的位置出现在轮胎边缘附近,在拉应力和剪应力的共同作用下行车带轮迹边缘附近容易出现平行于行车带自上而下的裂缝;刚性基层路面拉应力主要由刚性基层承受,随着结构层所受荷载的增加,层底拉应力显著增大;高温下车辆制动时产生的水平力对剪应力的影响很大,当紧急制动时路面最大剪应力比不考虑水平力时增大接近150%,易产生剪切破坏。     

重型货车联轴间距对沥青路面的影响

车辆联轴间距的不同会对路面造成影响,采用ANSYS软件建立半刚性基层沥青路面的三维有限元分析模型,采用Adams软件建立某品牌重型货车的车辆动力学模型,分析非均布动载荷下双联轴货车联轴间距不同时路面的动态响应特性.结果表明,该车型在联轴间距为1440mm时,路表动态弯沉、沥青面层层底应力、基层层底应力以及沥青面层层底正...     

高速公路上坡路段半刚性沥青路面的三维有限元分析

运用三维有限元方法,分析了不同道路纵坡下路面结构层层底最大拉应力、层底最大剪应力和土基最大压应变的变化规律,以及上坡路段在不同超载率、路面摩擦系数和温度状况下各主要路面结构力学指标的变化情况,并提出了相应的防治对策。分析结果表明,道路纵坡改变只对面层所受拉力有影响,更易使面层产生开裂;各面层都是剪应力作用的主要集中区域;超载率、路面摩擦系数和温度对上坡路面结构受力都存在不同程度的影响,汽车超载的影响最大。因此,应尽量提高沥青混合料面层的抗拉强度和抗剪强度,并严格限制上坡车辆超载。     

横观各向同性黏弹性沥青路面动力响应解析解

主要推导三向移动荷载作用下考虑复杂层间接触状态的横观各向同性黏弹性沥青路面动力响应解析解。首先，从直角坐标系下横观各向同性黏弹性多层体系动力学问题的基本方程出发，借助相对坐标变换和Fourier变换，推导单层沿深度方向的波数域状态向量传递矩阵；其次，基于波传递方法，构造层顶下行波和层底上行波向量，以消除传递矩阵中的正指数项，保证数值计算的稳定性；而后，基于Goodman模型表征的层间接触条件，建立相邻层上、下行波向量的递归关系，并结合荷载和边界条件，对多层体系各层上、下行波向量进行求解；最后，通过Fourier逆变换和相对坐标逆变换，得到沥青路面任意坐标和时刻下的动力响应解析解，并编制数值计算程序。通过ABAQUS有限元模拟，验证了解析解的准确性，且证明了解析解的计算效率远优于有限元模拟；综合分析荷载、材料、层间接触对沥青路面动力响应的影响，可以发现：水平向荷载与路表剪应力关联性强，是导致路面Top-down开裂的重要因素；层间接触条件和横观各向同性均对面层底部水平向应变影响显著，且这2个因素之间存在耦合效应，建议在路面疲劳寿命分析中予以充分考虑。研究得到的解析解可为真实沥青路面力学行为研究提供高效准确的分析工具。     

重载交通半刚性基层条件下沥青面层的力学响应研究

为研究重载条件下半刚性基层沥青面层的结构力学响应,运用ABAQUS有限元软件计算半刚性基层沥青路面的弯沉、层底拉应力与拉应变、沥青面层最大剪应力,分析轴重、基层模量及厚度对力学响应的影响规律,并通过多因素方差分析研究各因素的影响敏感性。结果表明:轴重对弯沉、层底拉应力与拉应变、沥青面层最大剪应力的影响最明显,基层厚度次之,基层模量的影响最小。     

海绵城市透水水泥混凝土路面结构力学响应分析

为了分析海绵城市透水水泥混凝土路面结构力学响应，运用有限元软件ANSYS建立三维有限元路面模型，计算在车辆荷载作用下各结构层力学指标的变化规律。结果表明:在设有透水沥青混合料功能层的透水水泥混凝土路面中，功能层对多孔混凝土层层底拉应力折减作用比较小；表层排水型透水水泥混凝土路面中水泥混凝土层厚度是影响路面结构力学响应的最主要因素；基层储排水型透水水泥混凝土路面多孔混凝土基层厚度是影响路面结构力学响应的最主要因素；全透型透水水泥混凝土宜采用低模量高厚度设计，用于低承载道路。采用均匀设计法，通过回归分析得到透     

车辆载荷作用下沥青路面应力分析

基于沥青路面弹性层状结构,利用ANSYS有限元软件分析了水平载荷、超载额度对沥青路面力学状态的影响,得出沥青路面内部应力、应变分布规律;建立了沥青路面应力分析有限元模型,并利用数值软件进行分析,为沥青路面结构设计和施工提供参考。