随机荷载作用下沥青路面应力应变分析

应用有限元软件ABAQUS建立轮胎/路面结构模型,研究轮胎与路面的接触印迹及随机荷载下沥青路面三维结构应力、应变变化特征。结果表明:沥青路面竖向、横向、纵向应力应变随荷载的非线性增加而非线性增加,随路面深度增加应力应变逐渐减小,在沥青路面的上面层和中面层出现应力应变集中现象。在荷载作用分析点,竖向、横向及纵向应力最大应力值出现在上面层,竖向应力最大,横向应力次之,纵向应力最小;竖向和横向应变最大值出现在上面层,纵向应变最大值出现在上-中面层,纵向方向反复的拉压变形,可能是导致路面轮迹带材料产生疲劳损坏的原因。沥青路面结构应力应变受温度变化、荷载等多种因素影响,残余应变恢复时间延迟体现沥青材料的黏弹性特征。     

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。     

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。     

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。     

改进的无单元Galerkin方法在沥青路面动态响应中的应用

基于改进的无单元Galerkin方法,建立了三维沥青路面弹性动力学计算模型。对路面结构在匀速移动荷载作用下的动力响应进行了分析,得到了沥青路面各层的竖向位移、应力和最大剪应力的时程曲线,并将改进的无单元Galerkin方法计算结果和有限元数值模拟结果进行了对比;同时研究了不同车速下路面应力和位移响应的变化规律。结果表明:改进的无单元Galerkin方法在路面动力响应分析中是有效的;沥青面层表面的位移、压应力及剪应力最大;基层底部的拉应力最大;较高的车速可以减小沥青路面结构内部的动力响应。     

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。     

不同基层状态下的沥青路面荷载应力分析

为比较在行车荷载作用下,基层未开裂及开裂状态不同时沥青路面结构内的应力响应情况,采用有限元方法对不同工况分别建立模型,计算分析水泥稳定碎石基层沥青路面在不同水平荷载、层间条件时,结构内的应力分布。分析表明,层间粘结状态是影响裂缝扩展的重要因素;面层-基层粘结不好时,面层底部的拉应力和剪应力值都急剧增长,即使基层不开裂,面层内也会产生由下而上的横向裂缝及沿行车方向的纵向裂缝;已开裂但尚未沿深度方向贯穿基层的横向裂缝在荷载作用下会迅速反射至面层;待基层收缩裂缝充分发展并进行处治后,再铺面层可减少和延缓反射裂缝。     

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。     

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。     

连续配筋复合式路面沥青加铺层车辙研究

连续配筋混凝土复合式路面由于基层模量大,沥青面层容易出现较为严重的车辙等现象,为探究基层、底基层模量变化对连续配筋混凝土路面沥青加铺层的影响及变化规律,通过建立三维有限元结构模型,设置不同模量组合,分析最大剪应力、累积竖向压应变,以及压应力变化规律,并进行车辙预估.研究表明,最大剪应力、累积竖向压应变、车辙深度对底基层...     

高温重载作用下沥青路面结构力学响应分析

为研究高温重载耦合作用下沥青路面结构力学响应特点,采用ANSYS软件定量分析了高温重载交通对沥青路面路表弯沉和结构应力的影响规律。分析结果表明:1)路面弯沉与轴载呈正线性相关,高温环境中,竖向位移最大值随轴载的增加而增大;2)高温重载作用下,结构应力均有增长,面层拉应力比基层拉应力增幅更明显,但高温对压应力增幅影响不显著,常温中面层剪应力最大;高温超限100%条件下,面层压应力为常温标准轴载的2倍,面层剪应力为标准轴载的2.21倍。     

移动荷载下沥青路面结构力学响应分析

为真实反映路面结构在实际行车荷载下的受力情况,基于ANSYS有限元软件建立移动荷载下的沥青路面结构的有限元模型,并进行模态分析;研究移动荷载波对沥青路面结构力学指标的影响,以及阻尼比、车速和轴载参数的变化对各力学控制指标的影响。结果表明:在相同车速下,轴载每超载10%,沥青层剪应力和基层拉应力在100kPa以上的时间将分别增加30%和8.33%;当阻尼比达到1.0时,沥青层剪应力、面层与基层层间剪应力以及中面层层顶压应变均较大。     

重载交通对混合式基层沥青路面结构力学响应研究

通过运用ABAQUS有限元软件建立混合式基层沥青路面结构三维模型,针对不同轴载作用下的路面结构力学响应展开模拟分析,得出以下结论:随着轴载的增加,混合式基层沥青路面结构的路表弯沉、层底拉应力、层底压应力以及面层最大剪应力均逐渐增大;在轴载作用下,路面结构的路表弯沉、压应力及沥青面层的拉应力沿路面宽度方向呈"W"型对称分布,基层拉应力则呈倒"U"型对称分布;沥青面层的最大剪应力随着路表深度增加呈先增后减变化,而路面结构的压应力则随之逐渐减小。     

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。     

不同基层类型沥青路面的形变能响应分析

第四强度理论认为,以塑性变形等屈服形式失效的材料破坏是内部形变能过大所致,与最大剪应力相似,形变能的大小同样代表沥青路面承受的剪切破坏作用的强弱。利用BISAR3.0计算了在水平荷载和竖向荷载的共同作用下,不同基层类型的沥青路面内各深度处的形变能值,结果发现:基层强弱对沥青路面内形变能影响很小;上、中面层产生的形变能最大,路表至0.1h_1深度区域积累的形变能水平远高于其他位置;上面层模量决定了形变能最大值,提高上层模量可显著降低沥青路面内的形变能;中面层、下面层、基层模量对形变能也有一定影响。     

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.     

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。     

整车多轮动载作用下沥青路面动力响应

车辆荷载作用下沥青路面各结构层受力复杂，现行公路沥青路面设计规范未能考虑车辆振动特性和橡胶轮胎非线性。为研究整车多轮动载作用下沥青路面动力响应，基于车辆动力学、橡胶材料超弹性及沥青路面黏弹性理论，构建整车-橡胶轮胎-沥青路面三维有限元模型，与实际车-路现场测量比较验证本模型的可靠性，对比分析无路面不平度与B级路面不平度激励下，路面各结构层动力响应。结果表明：通过与实际车-路测量结果比较，沥青层底部纵向最大剪应变与实测值误差为5.889%，表明该车-路动力学模型可靠、合理；B级路面不平度激励下，后轴左单轮接地法向力为0~86.526 kN，车体法向振动加速度为-0.451~0.372 m·s^-2，后轴左悬架弹力为60.376~68.42 kN；与无路面不平度相比，后轴左单轮最大接地法向力、车体最大法向加速度、后轴左悬架最大弹力分别增加113%、402.7%、7.4%；与无路面不平度相比，沥青路面上、中、下面层纵向最大压应力分别增加18.91%、12.4%、21.1%，纵向最大拉应力分别增加3.94%、6.25%、33.3%；横向最大压应力分别增加10.43%、8.47%、9.19%，横向最大拉应力分别增加12.19%、13.08%、33.33%，且压应力数值远大于拉应力；竖向最大压应力分别增加19.1%、19.35%、20.07%，竖向最大拉应力分别增加26.93%、7.38%、6.2%，且前轮压应力大于中、后轮压应力。以上数据说明路面不平度对结构层响应影响较大，车辆振动特性及橡胶轮胎与路面非线性接触不容忽略。     

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。