基于有限元的旧水泥混凝土路面沥青混凝土加铺层荷载应力分析

以弹性层状体系理论为基础,采用ANSYS程序建立了经过可靠性验证的旧水泥混凝土路面沥青混凝土加铺层结构三维有限元模型,分析了车辆荷载、加铺层厚度、材料参数变化及各种典型防止反射裂缝措施对沥青混凝土加铺层底最不利处荷载应力的影响.分析结果表明:增加沥青混凝土加铺层厚度能有效降低加铺层结构层底最大主应力σ1、最大剪应力τmax和等效应力σe;对分析的实例加铺层结构,在铺筑级配沥青碎石过渡层的情况下,土工布夹层模量变化对缓解荷载应力的作用并不明显;在加铺层结构拟采用的各种典型防止反射裂缝措施中,以7 cm厚AM-20沥青碎石过渡层+2.5 cm厚应力吸收层组合措施效果最佳,其加铺层底的最大主应力σ1、最大剪应力τmax和等效应力σc下降幅度分别达78.6％、82.9％和84.4％.     

水平荷载对复合路面沥青加铺层结构的影响

根据实测车轮接地压力简化分布形式,采用ABAQUS有限元软件建立了PCC＋AC复合路面有限元三维分析模型,考虑最不利荷位和水平力系数进行复合路面沥青加铺层力学响应的数值分析。结果表明：与仅考虑垂直荷载的传统分析相比,不同的力学指标对应的最不利荷位不同。考虑水平荷载后各力学响应指标随着水平力系数的增加而快速增大,影响程度从高至低依次是最大拉应力、最大拉应变、接缝两侧的弯沉差、MISES等效应力、最大剪应力;当水平力系数≥0．2时,加铺层中的最大拉应力和拉应变的位置将由层底转到层表（增加“表”字）面,此时加铺层表面比层底更容易产生张拉裂缝。     

旧水泥混凝土路面沥青加铺层荷载应力分析

视路面结构为弹性层状体系,采用Ansys程序建立了经过可靠性验证的旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构三维有限元模型,分析了车辆荷载、加铺层厚度和材料参数变化及各种典型防止反射裂缝措施对沥青加铺层底最不利处荷载应力的影响.分析结果表明:增加沥青加铺层厚度能有效降低加铺层结构层底最大主应力σ1、最大剪应力τ max和等效应力σt;对分析的实例加铺层结构,在铺筑级配沥青碎石过渡层的情况下,土工布夹层模量变化对缓解荷载应力的作用并不明显;在加铺层结构拟采用的各种典型防止反射裂缝措施中,以7 cm厚AM-20沥青碎石过渡层+2.5 cm厚应力吸收层组合措施效果最佳,其加铺层底的最大主应力σ1、最大剪应力τmax和等效应力σc下降幅度分别达78.6％、82.9％和84.4％.     

基于蒙特卡洛法的钢桥面沥青铺装可靠度有限元分析

针对正交异性钢桥面沥青铺装存在的开裂和层间剪切滑移等主要破坏形式,以正交异性钢桥面局部梁段为研究对象,采用数值模拟方法,利用ANSYS整体分析各个参数的变异性对沥青铺装层表面拉应力σ和沥青铺装层与钢桥面板层间剪应力τ的影响,得到σmax、τmax累计分布函数曲线和最大应力与各变异性参数的相关灵敏度。结果表明,以σ为控制指标时,σmax对各参数变异性的敏感程度从大到小的顺序为沥青铺装层厚度h1、沥青铺装层模量E1、荷载P、防水粘结层厚度h2、防水粘结层模量E2;以τ为控制指标时,τmax对各参数变异性的敏感程度从大到小的顺序为P、E1、h1、h2、E2。     

沥青加铺旧水泥混凝土路面的层间受力

为了研究旧水泥路面沥青加铺层层间力学特性,借助ABAQUS分析了沥青加铺层厚度、模量及裂缝对层间应力的影响。结果表明:在静荷载作用下,沥青加铺层层底竖直方向上的剪应力最大值都出现在荷载正下方;增大沥青加铺层的厚度能明显减小层底应力;沥青加铺层的弹性模量对层底应力的影响很小;沥青面层底部的最大主应力受裂缝的影响变化在1%~2%,而沥青面层底部竖直方向上的最大剪应力值受裂缝影响变化在53%~58%。     

基于应力吸收层的旧水泥混凝土路面沥青加铺层材料研究

旧水泥路面直接加铺沥青面层后易导致反射裂缝产生,为此基于应力吸收层对沥青加铺层结构进行研究。结合沥青路面线弹性断裂力学原理对加铺结构进行理论分析;对应力吸收层裂缝尖端以及路面荷载应力进行ANSYS有限元计算得出以下几点结论:同等条件下设置应力吸收层可有效减弱应力集中,使沥青加铺层底部荷载值下降幅度达到35%左右;对不同应力吸收层厚度下的荷载应力计算可知当吸收层厚度为2.5 cm时最大主应力σ_1、最大剪应力τ_(max)以及等效应力σ_e达到最大分别为0.513、0.752、1.336 MPa,对比厚度为1 cm时刻增幅达到12.39%、9.26%、9.27%,随着厚度持续增加应力缓慢下降,厚度为6 cm时降幅为16.53%、9.56%、9.44%。因此吸收层厚度为2.5 cm时可最大程度消散车辆荷载应力以及荷载反射裂缝。     

横观各向同性沥青路面加铺结构力学响应研究

沥青混合料具有明显的横观各向同性特性,基于各向同性弹性多层体系理论分析沥青路面结构存在局限性,考虑沥青材料的横观各向同性能获取更准确的路面力学响应。文中通过改变沥青材料横观各向同性系数,采用有限元方法对沥青加铺层结构力学变化进行分析。结果表明,随着横观各向同性系数的增大,旧沥青砼路面结构加铺层的剪应力与层底拉应力增大,竖向压应变减小,剪应力随深度变化先增大后减小,旧沥青砼路面加铺沥青面层设计与施工中应考虑沥青横观各向同性的影响。     

某国道“白加黑”沥青薄层罩面力学响应分析

为研究水泥砼路面上沥青薄层罩面的力学行为，结合湖南省某国道改造项目工程实例，运用BISAR3.0程序对沥青薄层罩面及其层间的力学响应规律进行分析。结果表明，层间结合状态对“白加黑”薄层罩面层内拉应力和拉应变影响显著，从完全连续到完全光滑，最大拉应力和最大拉应变显著增大，所以应加强沥青罩面层与旧水泥砼路面之间的粘结；超载对剪切应力影响显著，通过增大罩面层的模量可以有效减小沥青层的剪切变形；罩面层厚度对最大剪应力τmax 的影响，层间连续时以3 cm为界，层间光滑时以4 cm为界。     

多次加铺的复合道面疲劳寿命分析

为解决多次加铺的复合道面加铺层使用寿命远低于设计值的问题,利用ABAQUS建立了多次加铺和一次加铺至相同厚度的复合道面三维有限元模型,分析了两种道面模型的力学响应,得出结论:新旧道面的层间状态对剪切力和拉应变的影响较大,将新旧加铺层简化为同等厚度的沥青道面的计算结果将偏小,将会导致设计偏于不安全。根据多次加铺的复合道面层间最大剪应力沿道路深度的分布点位和变化趋势可知:加铺沥青层后,原道面层间剪应力减小,但无论加铺几次,面层剪应力均最大;随着加铺次数的增加,沥青道面层间最大剪应力逐渐增大,并且在层间接触处出现突变,突变值随加铺次数的增大而增大。这说明加铺沥青层并没有改善道面表层的受力状态,相反,随着加铺次数增加,层间结合状态和复合荷载作用等的影响增大,反而会导致表层应力增大,最终加剧表层损伤。     

水泥混凝土桥面环氧沥青桥面铺装应力分析

针对预应力混凝土连续刚构桥,进行环氧沥青桥面铺装力学分析。按照弹性层状体系理论建立力学分析模型,采用在车辆荷载作用下的有限元计算方法,分析桥面铺装层中的最大拉应力、最大剪应力和最大应变,并分析了在不同铺装层厚度、不同模量及不同荷载情况下对应力与应变的影响,最后得出竖向拉应力大于水平向拉应力、横桥向剪应力大于顺桥向剪应力,以及汽车超载将导致铺装层早期损坏的研究结论。     

移动荷载作用下沥青混凝土桥面铺装层动力响应分析

为了准确地分析铺装层的受力状态,将车辆荷载简化为移动均布荷载,采用有限元法分析了铺装层在移动荷载作用下的动力响应。分析结果表明,在移动荷载作用下,以较低的速度行驶对铺装各层应力影响较大,各应力分量与移动荷载速度基本呈线性关系;刹车情况下离表面较近区域不再经历正反两次剪应力作用,只是离表面较深处存在很小正反剪应力作用;最大水平剪应力发生在铺装表面,且随深度的增加迅速减小;水平荷载对水平剪应力影响很大,随着水平力系数δ增大,在同一铺装层深度处的最大水平剪应力增加比较明显;在相同δ的条件下,随着深度的增加水平剪应力越小。通过上述分析,提出桥面铺装层控制性设计指标,从而为桥面铺装设计提供理论依据。     

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。     

匝道钢桥面沥青铺装简化设计方法

选用叠层连续梁作为计算基本模型,将沥青铺装表面的最大弯拉应变以及钢面板与沥青铺装界面最不利剪应力作为设计控制指标,以实体工程的结构参数作为计算模型参数,采用有限元计算方法,分别计算分析了大纵坡、超高横坡条件造成铺装表面产生的水平力及其对铺装结构内部应力应变的影响.根据计算结果提出修正基本模型计算结果的方法与具体修正系数的计算.在此基础上提出匝道钢桥面沥青铺装简化设计方法.最后,以实体工程为例,将该设计方法用于工程实践.实践证明,以叠层连续粱为基本模型,考虑纵、横坡度修正后进行匝道钢桥面沥青铺装设计是可行的.     

轴重与胎压对半刚性基层沥青路面动力响应影响理论研究

采用多目标参数评价方法,分析了车辆轴重和胎压对路面结构动力响应的影响,建立移动荷载下粘弹性层状体系动力学模型。结果发现,路面结构动力响应随着轴重和胎压的增加而增加,轴重和胎压对路面结构的动力响应具有耦合性。0.7 MPa胎压下,轴重达到250 kN时,面层底部弯拉应变和土基顶部竖向压应变均小于永久性路面结构设计指标,可作为校核指标;面层底部水平剪应变远大于层底弯拉应变,可作为半刚性基层沥青路面动态设计的主要设计指标。因此,提高面层与基层之间的粘结强度是提高半刚性基层沥青路面结构使用寿命的关键。     

基于ANSYS的高速公路路基动力响应特性模拟分析

以京化（北京-阳原县化稍营）高速公路二期路基工程为研究对象,借助非线性有限元数值分析软件AN-SYS进行了数值仿真模拟,研究分析车辆动荷载作用下路基的动力特性。结果表明：车辆动荷载作用下,路基动应力随深度的增加而呈衰减趋势;车辆动荷载对路基竖向动应力值σy影响较大,而水平向动应力值σx影响相对较小;车速差异对路基动应力值影响显著;动应力值沿水平方向衰减较快,其传递距离存在一定的范围。     

不同加载方式下的沥青路面剪切响应分析

运用有限元软件ANSYS建立半刚性基层沥青混凝土路面的结构模型进行瞬态分析,得到路面结构在匀速移动均布荷载和半波正弦荷载作用下的yz向剪应力及剪应变时程曲线,揭示两种加载方式下的路面结构剪切响应规律基本相似,但波动荷载对路面受力状态和应变状态的影响更为多变、更为复杂。     

不同渗流形态下沥青路面结构动力响应分析

为了研究荷载-渗流耦合作用下不同渗流形态对沥青路面结构各力学场量响应的影响，进一步揭示沥青路面水损害机理，在高水压沥青混合料渗透试验的基础上，采用非线性有限元方法，模拟分析碗形分布动荷载下Forchheimer非线性渗流和达西线性渗流时饱水沥青路面内部各力学场量的变化。渗透试验结果表明：在较高水力梯度下渗流流速-水力梯度关系呈现出非线性特征，不再适用达西定律，而需应用Forchheimer非线性渗流定律描述。数值模拟分析结果表明：2种渗流形态时沥青路面结构内部各力学场量均随着车轮动荷载的作用过程表现出波动性，且孔隙水压力均随着半正弦波型荷载的变化而呈正相关关系；与达西渗流时计算结果相比，非线性渗流时上面层内正孔隙水压力的峰值高49%，沥青面层内水平方向的拉应力、压应力、拉应变的峰值分别高16%、105%、15%，且在路表产生竖向拉应力，孔隙水压力也远高于现场实测值；2种渗流形态时均在上基层底部产生竖向拉应力，在沥青路面内产生的剪应力差别很小。因此，在车轮动荷载作用下，饱水沥青路面内部形成超高孔隙水压力和高流速的非线性渗流，会产生比线性渗流更为严重的水损害，以往基于达西定律的饱水沥青路面动态响应分析低估了车轮动荷载对沥青路面水损害的影响程度。     

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。     

沥青路面Top-Down开裂成因的有限元分析

源于路表面的轮迹带附近的纵向开裂(Top-Down开裂)是重交通沥青路面的主要损坏类型之一,也是国际沥青路面工程界对道路损坏研究的新热点。为此在实测轮胎接地压力的基础上,建立了路面结构的三维有限元模型,计算出4条实际道路的最大拉、剪应力值及其位置,绘制了它们的等值线图。对最大拉、剪应力位置与开裂现象,最大应力值与应力强度进行了比较和分析。分析结果表明,轮载下强大的剪应力是造成Top-Down开裂的主要原因。     

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。