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。     

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。     

重载作用下典型路面结构动态响应数据采集与分析

通过在试验路埋设沥青应变仪、温度场传感器等路面响应监测设备,采集了荷载和环境因素作用下不同路面结构沥青层底动态应变响应,分析了动态应变响应特征和应变响应与路面温度、轴载的关系,比较了不同结构的沥青层底最大应变值,构建了路面结构沥青层底应变响应预估模型,揭示了不同路面结构在重载及温度耦合作用下的沥青层底动态应变响应规律。研究结果表明,随着轴载的增加、路面温度的升高,沥青层底最大拉应变增大;不同路面结构沥青层底应变响应变化与其结构组合、交通荷载及环境因素有关,表现出一定的重载和温度敏感性差异;在对比的结构中,组合式基层结构比永久性路面结构具有更小的沥青层底拉应变,传统半刚性基层结构在重载和较高路面温度下具有较大的沥青层底应变响应。     

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。     

耐久性基层沥青路面结构比选研究

以某新建公路工程为背景,运用ABAQUS软件建立路面结构三维模型,针对工程初步设计供选的三种耐久性基层沥青路面结构进行力学响应和疲劳寿命对比分析,得出以下结论:①RCC基层、加强型半刚性基层路面结构的路表弯沉峰值较于倒装式半刚性基层路面要小,故该路面结构的承载能力更优;②RCC基层、加强型半刚性基层和倒装式半刚性基层路面结构的沥青层层底拉应变差距较小,故均具有良好的抗疲劳损伤性能和使用性能;③倒装式半刚性基层路面结构的沥青下面层层底拉应力峰值较小,故抗拉开裂性能较优;④RCC基层沥青路面结构的半刚性基层和底基层的层底拉应力以及疲劳寿命较于其余两种路面结构要小,故RCC基层沥青路面结构的抗疲劳能力、抗拉压性能较优;⑤三种路面结构中RCC基层的各项性能较优,故工程路面结构推荐RCC基层。     

移动荷载作用下组合式沥青路面结构受力特性分析

基于Abaqus有限元软件进行二次开发,建立了移动荷载作用下组合式沥青路面结构三维有限元模型,分析了不同行车速度下组合式沥青路面结构力学影响规律;结合正交试验,对路面结构层厚度进行了敏感性分析。结果表明:面层层底拉应变、底基层层底拉应力随行车速度的增大而减小,且行车速度越慢,路面结构所经历的力学响应波动循环越多、持续时间越长,对路面结构受力越不利;可采用增加面层厚度的方式提高组合式沥青路面结构抵抗疲劳开裂、永久变形和反射裂缝的能力,并尽量将运行车速控制在60 km/h以上;在组合式沥青路面结构设计时,应注意提高面层上部和中部的抗剪性能,同时加强各沥青结构层间的黏结。     

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。     

城市快速路沥青路面结构改造方案优选研究

以某城市快速路路面改造工程为研究背景,运用ABAQUS有限元软件建立路面结构三维模型,针对原路面结构和4种路面改造结构进行了力学性能对比分析,并在此基础上对路面结构改造方案进行优选。研究结果表明:①不同沥青路面结构的各项力学指标均随着轴载的移动呈先增大后减小变化,当轴载移动至路面中心时,各项力学指标均达到最大值;②RCC混合式基层结构的力学性能较于沥青稳定碎石组合式基层结构、半刚性基层结构更优,建议沥青路面结构改造方案选用RCC混合式基层结构;③适当增加基层厚度和基层模量能有效提高沥青路面结构的承载能力和使用寿命。     

不同橡胶沥青路面结构静载力学数值分析

为探讨不同结构沥青路面在静载作用下的力学性能,基于ANSYS有限元理论,拟定3种类型橡胶沥青路面结构并建立静力学有限元模型,分别针对沥青层层底拉应变、沥青层剪应力和半刚性基层拉应力进行数值分析。结果表明,3种结构路面在荷载作用下沥青层第一层层底均出现压应变,路面深度增至临近第二层层底时逐渐转变成拉应变;沥青层层底发生拉应变主要是由于沥青层模量和基层类型的影响;3种结构沥青路面层剪应力均随着路面深度的增加呈现先增后减的趋势。     

半柔性材料的路面结构层位适用性分析

为分析探讨半柔性材料在沥青路面结构中的层位适用性,采用APBIH97软件计算了几种典型路面结构的半刚性基层层底拉应力、路基顶面压应变和不同面层深度位置剪应力。分析结果表明:半柔性材料用于路面上面层或中面层均可使半刚性基层层底拉应力及路基顶面竖向压应变降低,使沥青结构层内的剪应力减小。综合计算结果及经济性、行驶舒适性等因素,对于公交专用道,推荐将半柔性材料用于中面层;对于道路交叉口位置,推荐用于上面层。     

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。     

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。     

移动非均布荷载作用下的沥青混凝土路面动力响应分析

为更准确地模拟沥青混凝土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建立了沥青混凝土路面三维有限元黏弹性模型,并对其施加非均布垂直荷载和切向摩擦行为的共同影响,分析车辆在匀速行驶时,沥青混凝土路面在不同载重车辆荷载作用下的动力响应.结果表明,最大纵向拉应力位于底基层中部,最大纵向压应力位于沥青混凝土面层.存在一中性层,其上结构主要承受压应力,其下结构主要承受拉应力.中性层位于基层中部附近.最大拉应力为0.031 MPa,远小于容许拉应力0.081 MPa,故路面结构破坏不是脆性破坏引起的,而是与疲劳破坏有很大关系.超载并不是造成路面损坏的唯一因素.     

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。     

乌干达KE高速公路沥青路面力学响应特性的数值模拟

文中运用Abaqus有限元软件建立乌干达KE高速公路路面结构的数值模型,计算标准轴载作用下路面各结构层的应力分布和应变响应,利用面层与基层的厚度变化所产生的应力、应变来评估各个结构层对面层与基层厚度的敏感性。结果表明,面层、基层及土基层主要承受压应力,产生压应变,覆盖层与底基层承受拉应力,产生拉应变,最大拉应力与拉应变均出现在底基层下表面,最大压应力出现在AC-13面层,最大压应变出现在土基层上表面。增加结构层的厚度均会在一定程度上减弱应力分布与应变响应,减少结构层厚度则相反;对AC-13面层厚度的敏感性较强的有AC-20面层、基层及土基层,对AC-20面层厚度敏感性较强的仅有土基层,对基层厚度敏感性较强的有底基层、覆盖层及土基层,基层的厚度变化对路面沉降的影响最大。     

交通荷载作用下路面结构动态响应分析

为研究路面结构在交通荷载作用下的动态响应,应用ABAQUS软件建立路面的三维有限元模型。探讨了3种路面结构在交通荷载作用下的动压应力和拉应力、水平剪应力和竖向位移等指标。研究结果表明：（1）3种路面结构的最大压应力随着深度的增加逐渐减小,且都在深度0.30m附近出现显著变化;随着所受轴载的增加,结构层面层承受的压应力也随之增大,并向深处扩散;当车载为150kN时,面层所受的压应力为0.15~0.25MPa,而车载为450kN时,基层内的压应力以达到0.15~0.25MPa;在正常行驶情况下,行驶速度为100km/h时,荷载经过时,最大压应力显著变化范围位于0~0.3m深度处;（2）3种路面结构所受的剪应力相对于压应力和拉应力来说较大,这说明汽车在行驶过程中对路面结构的剪切破坏更为明显;（3）前两种路面结构型式中的拉应力整体上呈现先增后减的变化,且都在路面面层出现较大的拉应力,第3种路面结构型式的拉应力基本上呈递增型式,但在0.3m深度以下增长缓慢,路面底基层仍然承受一定的拉应力;（4）通过将试验数据和模拟数值进行对比分析,模拟数据基本与试验实测数据一致,说明建模时所选取的参数能够较好的模拟移动行车荷载对路面的影响;将路面结构所用材料的抗折强度与无侧限抗压强度同模型的模拟值进行对比,得知不同中方案中路面的材料强度储备充分,能满足行车荷载所产生的压应力和拉应力,路面结构设计满足要求。     

七、半刚性基层沥青路面开裂的分析与估计

沥青路面的裂缝产生的原因很多,如静载应力(拉、压、剪应力)超过路面强度,或一次冷缩应力超过路面抗拉强度;更主要的是荷载的重复作用引起疲劳开裂,或温度重复冷缩引起路面温度疲劳破坏。在有接缝(裂缝)的刚性或半刚性基层上的沥青面层     

多孔混凝土基层缩缝处沥青面层应力分析

为了研究多孔混凝土基层沥青路面的结构设计方法,通过三维有限元数值分析方法,建立多孔混凝土基层缩缝处沥青路面的三维有限元模型,分析多孔混凝土基层缩缝处沥青面层的荷载应力、温度应力、荷载与温度耦合作用下的耦合应力。结果表明：基层缩缝处沥青面层底面荷载主应力多为压应力值,但其剪应力在接缝处出现峰值;在温度作用下,沥青面层应力峰值点的位置在基层缩缝中点处沥青面层的底面及表面;荷载和温度耦合作用下基层缩缝中点处沥青面层底面的第一主应力介于荷载应力和温度应力之间。     

大粒径沥青混合料基层结构抗裂机理分析

为研究大粒径沥青混合料基层的抗裂机理,采用多层弹性理论程序计算了不同结构类型路面内荷载作用产生的应力应变,基于瞬态传热假设建立了平面有限元模型,计算了降温时路面结构内的温度应力和应变,得到了荷载与温度耦合下各结构层的变形和受力特性。研究发现,当考虑车辆荷载和快速降温共同作用时,快速降温所引起的温度应力远大于标准荷载引起的荷载应力,说明快速降温的温度应力对路面的开裂起主要作用。同时,通过两种结构对比,发现采用ATB 30基层结构的沥青混凝土面层的温度和荷载应力应变均小于传统的半刚性基层沥青混凝土路面。因此认为,设置沥青稳定碎石基层是一种减少沥青混凝土路面开裂的有效方法。     

垂直非均布移动轮载作用下沥青路面结构数值分析

为揭示沥青路面结构在垂直非均布移动轮载下的力学响应规律,运用3D-Move Analysis程序,开展相同轮载不同轮胎-路面接触应力分布情况下的沥青路面结构动力学分析,并与圆形垂直均布荷载进行对比。结果表明,垂直非均布轮载对沥青面层层底拉应变的影响远大于土基顶压应变,沥青面层底最大拉应变位置随胎压降低向轮隙中心处转移;随着车速增大,高压轮胎与均布轮载作用下沥青面层底的最大拉应变位置变化不大,但低压轮胎作用下的最大拉应变位置向轮隙中心靠近。