典型沥青路面结构力学响应的有限元分析

采用有限元的方法构建三维沥青路面模型,研究3种典型基层沥青路面结构(半刚性基层、柔性基层和复合式基层)在车轮荷载作用下的竖向压应力、竖向压应变、剪应力和弯拉应力等的力学响应。 研究结果表明:半刚性基层沥青路面的承载能力强、变形小,但其基层和底基层层底的弯拉应力较大;柔性基层沥青路面的最大剪应力较小,但整体变形较大;复合式基层沥青路面由于铺设了柔性过渡层,力学响应介于两者之间,有较大的力学优势。     

层间状态对沥青路面力学性能与疲劳寿命影响研究

层间结合状态是影响沥青路面力学性能与使用性能的重要因素。鉴于目前我国沥青路面设计规范中层间完全连续且不产生相对滑移假定的缺陷,采用BISAR3.0软件中的简化剪切弹性柔量ALK来描述层间结合状态,并以水平荷载和竖向荷载共同作用作为加载方式,得到相应的沥青路面力学响应,同时对沥青路面疲劳寿命进行预估。结果表明:层间结合状态的退化对沥青层底弯拉应力、弯拉应变与剪应力影响较大,而对路表弯沉影响较小;层间结合的弱化对沥青路面疲劳寿命影响显著。     

层间接触状态对沥青路面结构力学响应的影响

沥青路面中层间接触状态非常复杂,它对路面的使用性能有直接影响。针对我国当前采用的典型半刚性沥青路面结构,采用GAMES多层弹性体系计算程序,系统分析了层间接触状态对表面弯沉、表面拉应变、面层内剪应力、沥青层底拉应变以及沥青层底剪应力的影响。分析结果表明:层间接触状态的变化对沥青层底的拉应变影响最为显著,其次为基面层间的剪应力,对路表的拉应变和基层底拉应变影响也较为明显;相对而言,路表弯沉、面层内最大剪应力对层间接触状态的变化不敏感。     

对两类路面沥青层拉应变的分析与思考

为深入分析半刚性基层沥青路面和复合式基层沥青路面面层内的最大拉应变的规律,选取两类沥青路面的典型结构,采用壳牌设计软件BISAR3.0为计算工具,考虑层间完全连续以及不完全连续两种状态,对各结构在不同的层间结合条件下沥青层最大拉应变进行了比较和分析。结果表明:对于两类沥青路面而言,当层间条件为完全连续时,沥青层最大拉应变出现在面层层底;当层间条件为不完全连续时,沥青层最大拉应变出现在中面层层底。     

典型沥青路面结构的力学响应对比分析

针对半刚性基层沥青路面、柔性基层沥青路面和复合式基层沥青路面三种国内典型路面结构,采用有限元分析软件建立仿真模型,模拟计算沥青路面拉应力、拉应变及剪应力等力学参数,对比分析三种路面结构在相同荷载及边界条件作用下的力学响应。通过对比分析可知:半刚性基层沥青路面竖向承载能力强,基、面层相接处受力不利;柔性基层沥青路面,基、面层共同承担外荷载,路面整体受力均匀,但变形较大;复合式基层沥青路面设置了柔性过渡层,综合了其他两种路面结构的特点,具有更广泛的适用性。     

半刚性基层沥青路面中剪应力点位分布研究

为了深入研究半刚性基层沥青路面中剪应力点位的分布,通过建立沥青路面结构力学模型,分析半刚性基层沥青路面结构剪应力在不同层间接触条件下的分布规律,从中得出剪应力最大值对应的点位,然后研究车辆荷载、面层模量和厚度对其点位的影响。结果表明:在不同层间接触条件下,最大剪应力点位在轮胎中心点对应下距路表6cm深度处,由此提出在半刚性基层沥青路面结构及材料设计中对中面层应主要考虑其抗车辙性能。     

层间接触条件对复合式基层路面结构的力学影响

对复合式基层沥青路面在不同层间接触条件下的力学响应分布进行比较和分析,结果表明：当层间接触条件由完全光滑变为完全连续时,复合式基层沥青路面的力学响应分布发生明显变化;相比层间光滑条件,层间连续条件下复合式基层路面具有较明显的力学优势。     

中、下面层局部全脱空对三层结构面层的沥青路面受力影响

采用3层结构的沥青路面典型结构,针对中面层与下面层局部全脱空的情形,考虑荷载作用在脱空中部以及边缘两种不同的荷载作用位置,利用有限元方法,建立全黏结、局部全脱空的对比模型,计算研究竖向荷载作用下不同层间接触状态的沥青路面各层的弯沉、剪应力与弯拉应力,并对比不同荷载作用位置对各层力学响应的影响。研究表明:局部全脱空对面层相应的影响不可忽略。     

沥青路面最大剪应力分析

采用ABAQUS软件对典型半刚性基层沥青路面及桥面铺装层中最大剪应力影响因素及变化规律进行了计算与分析。分析表明：半刚性基层沥青路面与水泥混凝土桥面铺装层最大剪应力分布与变化规律基本一致,在相同荷载条件作用下,最大剪应力水平亦接近;最大剪应力与车辆垂直荷载和水平荷载作用呈正比关系,最大剪应力受其影响显著;最大剪应力随着面层或铺装层厚度、模量的增加而相应地变小,随着半刚性基层厚度与模量的增加而变大。以上抗剪影响因素及变化规律的研究为解决车辙问题提供了一定的理论基础。     

层间弱结合程度及其范围对沥青面层应力的影响

为了深入研究基-面层层间结合状态对半刚性基层沥青路面反射裂缝的影响,采用Ansys,开展了二维有限元计算。以接触对长度和摩擦系数分别表征层间弱结合范围和结合程度,分析了不同荷载条件下基-面不同层间接触条件对沥青下面层层底拉应力和剪应力的影响,提出了竖向对称荷载、竖向偏载、水平力及温度应力单独作用时适宜的层间结合条件。研究结果表明:竖向对称荷载和水平荷载单独作用或两者联合作用下,基-面层层间结合得越紧密,其弱结合范围越小,对路面结构越有利;竖向偏载和温度应力单独作用或两者联合作用下,基-面层层间结合越弱,对路面结构越有利;除了频繁出现水平力或者水平力较大路段以外,没有必要要求半刚性基层沥青路面的基-面层层间处于完全连续状态,但需要相关试验和工程进行进一步的验证。     

连续配筋混凝土刚柔复合式路面界面剪应力分析

连续配筋混凝土刚柔复合式沥青路面是一种新型复合式路面结构,具有强度高、整体性强等优点,但由于沥青与混凝土层间变形协调性能差,易发生剪切破坏。基于弹性层状体系理论,采用BISAR3.0程序计算了连续配筋混凝土刚柔复合式路面层间最大剪应力,研究分析了温度、结构层厚度、表面摩擦系数、轮载等主要影响因素对层间最大剪应力的影响,揭示了层间最大剪应力的分布规律。结果表明,层间最大剪应力随着温度、表面摩擦系数、轮载增加而增加,且变化幅度明显;随着结构层厚度的增加而减小,趋于非线性下降。     

不同荷载作用下半刚性沥青路面力学响应规律

基于半刚性基层路面典型结构建立三维力学模型,综合考虑常载、常载+刹车、超载和超载+刹车4种组合荷载,采用双轮最不利矩形接触面形式,并运用特征路径分析方式,数值模拟了路表及深层内力学响应规律。结果表明:刹车对路表弯沉和路基顶面压应变影响较小,超载影响显著;刹车主要对面层弯拉应力影响较大,并使上面层出现较大拉应力,对基层基本无影响,超载使基层弯拉应力增大显著;超载和刹车对剪应力峰值增大明显,特别是刹车使剪应力增大极其显著;在不同荷载作用下,从路表沿深度方向力学响应峰值位置会发生变化,在进行沥青路面结构设计和力学分析时应取相应位置处的值作为力学控制指标。     

刚性基层复合式沥青路面层间剪应力分析

针对刚性基层复合式路面容易出现的层间剪切滑移破坏问题,选取由水泥混凝土基层、层间粘结层、沥青混凝土面层组成的复合式结构为研究对象,分析了在不同层间结合状态下,刚性基层与柔性面层的层间最大剪应力的分布规律,以及基面材料参数对层间最大剪应力分布的影响．     

层间接触状态对沥青路面结构受力的影响

路面结构层的层间结合是影响路面整体结构强度的重要因素,采用BISAR3.0路面应力计算程序,分析了面层竖向应力、面层和基层底面拉应力、路表弯沉、面层剪应力最大值的产生位置,以及路面结构层层间接触状态的变化趋势。分析结果表明:层间完全滑动状态下,路表弯沉、基层底拉应力、面层竖向应力、面层剪应力等路面设计控制指标比连续状态提高1.5～2.5倍;面层、基层疲劳寿命比连续状态急剧降低。     

路基干湿状态对沥青路面力学响应的影响

采用BISAR3软件从路面力学的角度研究了不同干湿状态下的路基对沥青路面的力学响应,采用路基回弹模量和层间连接状态两个参数来分析路表弯沉、各层面的正应力和剪应力的变化情况。结果表明:路基干湿状态对沥青路面结构的力学变化有很大影响,尤其是路面弯沉和基层层底拉应力,剪应力也有一定影响。     

重载非均布荷载下沥青路面力学响应分析

选取不同的典型沥青路面结构,采用动态参数,进行了6个等级的非均布荷载作用下的8种路面结构有限元力学响应计算.结果表明:面层是沥青路面结构受力的最不利位置;在双矩形荷载作用下,沥青层底水平横向拉应力和拉应变最大值位于单轮底部中心偏外的位置;路表轮隙中心的应力状态主要和沥青面层厚度和交通荷载有关,随荷载增大,路表应力最大值作用点主要在轮缘外缘附近位置出现;路表最大剪应力随基层类型和沥青层厚度的不同而不同,路表最大剪应力出现在双轮及双轮之间的范围.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.     

级配碎石基层沥青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路面结构层位功能,就沥青面层厚度、级配碎石基层厚度和模量三个路面结构参数对级配碎石柔性基层沥青路面非线性力学响应进行分析,结果表明：随着面层厚度增大,基层最大剪应力降低,且面层厚度为9cm时面层剪应力最不利,面层厚度为12cm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30cm时,面层剪应力、层底拉应力均出现最小值;随着基层模量的增大,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.     

面-基层界面粘结强度对路面力学响应的影响

由于沥青面层与基层材料存在较大差异,其接触位置存在强度突变界面,而界面的粘结强度对路面的力学响应有较大影响.首先基于BISAR3.0软件,对层间粘结强度的表征指标进行介绍,其次通过对行车荷载的模拟,分析不同层间粘结强度条件下,路面结构内部的剪应力、拉应力、弯沉等力学响应,为提高面层-基层界面粘结强度提供理论基础.     

耦合场下吐鲁番半刚性沥青路面三维有限元分析

基于吐鲁番地区半刚性沥青路面车辙和横向裂缝病害严重的问题,对耦合场下的半刚性沥青路面进行力学响应量的分析。利用ANSYS软件对半刚性沥青路面结构建立三维有限元模型,在施加太阳辐射等温度荷载的同时施加车辆荷载,研究吐鲁番地区半刚性沥青路面在耦合场下的力学响应量,为吐鲁番地区半刚性沥青路面结构组合设计提供一些建议。分析结果表明:沥青面层厚度对沥青层最大剪应力和半刚性基层最大拉应力有着明显的影响,并建议吐鲁番地区沥青面层厚度取值为16~18 cm;沥青层最大剪应力和半刚性基层最大拉应力在7~13点,分别增加了4.5%和5.8%。     

半刚性路面基面层间剪应力的计算与分析

基面层间推移破坏是目前中、低等级沥青路面典型的早期破坏之一。采用有限元法,对基层和面层之间的剪应力进行系统的计算,分析了路面结构参数和行车荷载的影响,得出了基面层间剪应力变化的一般规律,并提出了一些防治措施。