行車荷載作用下瀝青路面的動(dòng)粘彈性分析

1、第27卷第3期2010年9月華 中 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)(城市科學(xué)版J .o fHU ST.(U rban Sc i ence Editi onV o.l 27N o .3Sep .2010收稿日期:2010 07 13作者簡(jiǎn)介:朱東輝(1963-,男,河南人,教授級(jí)高工,研究方向?yàn)榈缆窐蛄汗こ探ㄔO(shè)與管理(Em ai:l z dh1963163.co m 行車荷載作用下瀝青路面的動(dòng)粘彈性分析朱東輝(平頂山市公路管理局,河南 平頂山 467000摘 要:行車荷載作用下的瀝青路面響應(yīng)對(duì)瀝青路面的設(shè)計(jì)和維護(hù)具有重要的參考意義。本文利用有限元方法,基于粘彈性理論和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論,考慮了路面層間接觸狀

2、態(tài),分析了行車荷載作用下瀝青路面的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。結(jié)果顯示,層間接觸狀態(tài)越好,路面的彎沉響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)越小;由于瀝青材料的"剪切變稀"特性,結(jié)合行車荷載下路面的剪切應(yīng)力分布特征,在輪跡兩側(cè)會(huì)形成擁包;路面的自振會(huì)對(duì)同振型方向的結(jié)構(gòu)響應(yīng)存在較大影響。關(guān)鍵詞:行車荷載; 瀝青路面; 粘彈性; 接觸; 動(dòng)力分析中圖分類號(hào):U 416.217 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672 7037(201003 0026 05國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行的路面設(shè)計(jì)方法一般基于靜態(tài)彈性體系模型,而實(shí)際車輪荷載為動(dòng)態(tài),由于路面結(jié)構(gòu)本身對(duì)荷載的時(shí)變因素具有相當(dāng)?shù)拿舾行?因而在動(dòng)載作用下所表現(xiàn)出的力學(xué)性能通常與靜態(tài)模型的情

3、況存在較大差異。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從20世紀(jì)70年代開(kāi)始對(duì)路面結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)力學(xué)模型進(jìn)行研究。G illespie 1為研究重載車輛對(duì)路面的破壞作用,對(duì)動(dòng)荷載特征和路面響應(yīng)進(jìn)行研究,分析了軸載、車輛懸掛系統(tǒng)、軸距、輪壓等因素的影響;U ddin 2采用三維有限元模型,模擬F W D 作用于瀝青路面表面,分析了荷載大小、加載時(shí)間等因素對(duì)路表彎沉的影響;Zagh l o ul 和W hite 3考慮了路面瀝青材料的粘彈屬性,并進(jìn)行了敏感性分析。但是,這些文獻(xiàn)中施加的荷載的位置都是固定不變的,與路面上車輛行駛的實(shí)際情況不符?；诖?利用有限元數(shù)值分析方法,對(duì)多層瀝青路面在移動(dòng)荷載作用下的響應(yīng)進(jìn)行了分析。1 行車荷

4、載下的瀝青路面有限元模型1.1 模型假設(shè)(1瀝青面層為粘彈性材料,半剛性基層均為線彈性,土層采用D P 模型參數(shù);(2瀝青面層與半剛性基層間考慮其接觸狀態(tài),其它各層均為完全聯(lián)接;(3計(jì)算模型簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱模型;(4考慮阻尼并且采用瑞利阻尼,采用等效荷載,不考慮自重應(yīng)力場(chǎng)作用。1.2 瀝青路面的結(jié)構(gòu)模型建立ANSYS 內(nèi)的數(shù)值分析模型。該分析模型分為四層,分別為瀝青面層、基層、底基層以及土層。分析中路面材料結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。土基的D P 模型中,粘聚力c =75.4kPa ,摩擦角 =11.2 。對(duì)瀝青路面材料,采用廣義M ax w e ll 模型來(lái)描述瀝青混合料的松弛性能。對(duì)于N 個(gè)M ax w

5、e ll 體并聯(lián)組成的廣義模型,其應(yīng)力松弛模量(MPa為E (t=N1E i !e-t/i(1其中, i =iE i為第i 個(gè)M axw ell 單元的松弛時(shí)間(s,其模型參數(shù)見(jiàn)表2。表1 路面材料結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)層名稱厚度(nm 楊氏模量(M Pa泊松比密度(kg /m 3瀝青面層850.32.5#103半剛性基層240300000.252.3#103半剛性底基層30015000.252.2#103土基2000500.352.0#103表2 面層材料的廣義M axwe ll 模型的模型參數(shù)4E 1659.9 14315000E 4432 4145100E 210410 232.12E 54148

6、 5191.6E 32535 3986.4E 6161367570第3期朱東輝:行車荷載作用下瀝青路面的動(dòng)粘彈性分析1.3 加載方式荷載采用規(guī)范的雙輪垂直荷載5,接地形狀采用矩形18.9c m #18.9c m 。荷載沿著圖1中陰影移動(dòng),模擬車輛行駛過(guò)程,荷載形式采用循環(huán)荷載,模擬車輪行走,等效速度為120k m /h ;溫度為絕對(duì)溫度293K,即室溫20。 圖1 路面分析模型1.4 層間接觸狀態(tài) ANSYS 的接觸問(wèn)題需要定義接觸剛度,兩個(gè)表面之間滲透量的大小取決于接觸剛度,過(guò)大的接觸剛度可能會(huì)引起總剛矩陣的病態(tài),而造成收斂困難。一般來(lái)說(shuō),應(yīng)該選取足夠大的接觸剛度以保證接觸滲透小到可以接受,

7、但同時(shí)又應(yīng)該使接觸剛度不會(huì)引起總剛矩陣的病態(tài)問(wèn)題而保證收斂性。通過(guò)試算不同數(shù)量級(jí)的接觸剛度,得到豎向位移與接觸剛度的關(guān)系曲線,如圖2所示。 圖2 豎向位移與FKN 的關(guān)系曲線由圖2可以看出,當(dāng)法向接觸剛度達(dá)到108量級(jí)時(shí),位移趨于穩(wěn)定,考慮到模型的收斂性,將FKN 取為6#108。將FTOLN 取為0.08,此值與FKN 的取值相協(xié)調(diào),能很好地滿足模型的收斂性和接觸關(guān)系。2 有限元結(jié)果分析首先,我們對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析,得到模型的第一自振頻率為18.72H z ,豎向振動(dòng)。!1取0.05,計(jì)算出瑞利阻尼系數(shù)=5.881,#=4.25#10-4。將和#值代入模型,采用小位移瞬態(tài)分析求解,算出結(jié)果。

8、2.1 接觸狀態(tài)的影響在ANSYS 中,進(jìn)入P OST1分析處理器,對(duì)結(jié)果進(jìn)行一般性的分析。圖3、圖4分別為部分接觸瀝青層豎向位移云圖和完全接觸瀝青層豎向位移云圖。圖3 部分接觸豎向位移云圖圖4 完全接觸豎向位移云圖2.1.1 豎向變形對(duì)比分析從圖3和圖4中可以看出:(1該模型是位移連續(xù)的,這一點(diǎn)不難理解,該模型共劃分了三萬(wàn)個(gè)單元,對(duì)于一般性數(shù)值模擬已經(jīng)具有相當(dāng)高的精度;(2由于車輛荷載是自左向右開(kāi)行的,從云圖中可以明顯看出,又因?yàn)楸韺訛r青層是粘彈性材料,故云圖中出現(xiàn)向左的尾巴;(3該云圖讓我們更深入理解了粘彈性材料的性質(zhì),即卸載后隨時(shí)間具有恢復(fù)性,但不是瞬時(shí)恢復(fù);(4加載和卸載點(diǎn)的存在導(dǎo)致了

9、前端和后端的變形異樣性。對(duì)比分析圖3和圖4,部分接觸的豎向最大殘余變形為0.142mm,而完全接觸只有0.115mm ,說(shuō)明較部分接觸,完全接觸對(duì)豎向變形有著更大的抵抗作用。2.1.2 x 向應(yīng)力對(duì)比分析對(duì)比分析圖5和圖6,部分接觸的x 向殘余拉應(yīng)力為0.35M Pa ,而完全接觸只有0.14MPa ,說(shuō)明較部分接觸,完全接觸能明顯降低x 向拉應(yīng)力。!27!華 中 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)(城市科學(xué)版 2010年 圖5 部分接觸x向應(yīng)力云圖 圖6 完全接觸x 向應(yīng)力云圖2.1.3 剪應(yīng)力對(duì)比分析對(duì)比分析圖7和圖8,部分接觸的xy 向殘余 剪應(yīng)力為0.18MPa ,而完全接觸只有0.17M Pa

10、,說(shuō) 圖7 部分接觸xy向剪應(yīng)力云圖 圖8 完全接觸xy 向剪應(yīng)力云圖明較部分接觸,完全接觸能稍微降低xy 向剪應(yīng)力,但遠(yuǎn)不如對(duì)x 向拉應(yīng)力的影響明顯。綜上所述,完全接觸比部分接觸更為優(yōu)越,特別是對(duì)x 向拉應(yīng)力的降低作用尤為顯著。完全接觸的路面具有更好的變形連續(xù)和協(xié)調(diào)性,不會(huì)出現(xiàn)分層,大大減小表面瀝青層的彎拉應(yīng)力。然而,完全接觸只是一個(gè)理想狀態(tài),在現(xiàn)實(shí)生活中,路面接觸都為部分接觸。但是,從分析中可以明顯看出,接觸程度越高,路面的豎向變形越小,x 向拉應(yīng)力越小,xy 向剪應(yīng)力越小。2.2荷載作用下的路面響應(yīng)特征圖9 表層x =4m 處x向應(yīng)力圖10 表層x =4m 處xy向剪應(yīng)力圖11 表層x

11、=4m 處豎向位移層間部分接觸的結(jié)果見(jiàn)圖9圖11。圖9中x 向正應(yīng)力對(duì)稱分布和圖10中xy 向剪應(yīng)力反對(duì)稱分布,可以用結(jié)構(gòu)力學(xué)中簡(jiǎn)單力學(xué)知識(shí)給予定性!28!第3期朱東輝:行車荷載作用下瀝青路面的動(dòng)粘彈性分析 分析。該路面模型是對(duì)稱結(jié)構(gòu),加載面處于對(duì)稱軸上,即為對(duì)稱荷載,所以,正應(yīng)力對(duì)稱分布,剪應(yīng)力反對(duì)稱分布。圖11中,可以明顯看出,荷載作用處殘余變形仍然是最大的。相應(yīng)地,加載點(diǎn)兩側(cè)相對(duì)而言位移較小;產(chǎn)生偽隆起的原因就是瀝青材料的%剪切變稀&特性。在正常的行車荷載作用下,瀝青的粘度隨剪應(yīng)力或剪切速率增加而減小,這說(shuō)明離車輪越遠(yuǎn)粘度越大。當(dāng)車輪荷載向下及向兩邊推擠瀝青路面時(shí),由于車輪四周瀝

12、青粘度比車輪底部高,因此難以向兩邊推擠形成車轍,而更傾向于形成車輪兩邊的擁包變形。2.3 節(jié)點(diǎn)時(shí)間歷程響應(yīng)分析表層x =4m 某一節(jié)點(diǎn)的時(shí)間歷程響應(yīng)曲線如圖12圖14所示?？梢钥闯?豎向位移、x 向應(yīng)力以及xy 向剪應(yīng)力的時(shí)間歷程都出現(xiàn)了峰值,且峰值所在位置即為荷載到達(dá)該點(diǎn)的時(shí)間,與實(shí)際相符合。觀察每幅圖可見(jiàn),無(wú)論是豎向位移、x 向應(yīng)力還是xy 向剪應(yīng)力,均有殘余變形,這也驗(yàn)證了我們定義的粘彈性材料的性質(zhì)。豎向位移、x 向應(yīng)力以及xy 向剪應(yīng)力的時(shí)間歷程響應(yīng)曲線仍有一定的周期波動(dòng),波動(dòng)周期處在0.05s 左右,與該路面結(jié)構(gòu)的第一自振周期相近。而且由圖12圖14可見(jiàn),豎向位移的波動(dòng)振幅最大,x

13、向應(yīng)力次之,而xy 向剪應(yīng)力基本為零。這是由于第一振型的振動(dòng)方向?yàn)樨Q向,說(shuō)明 圖12豎向位移的時(shí)間歷程響應(yīng) 圖13 x 向應(yīng)力的時(shí)間歷程響應(yīng)圖14 xy 向剪應(yīng)力的時(shí)間歷程響應(yīng)路面自振對(duì)路面結(jié)構(gòu)的響應(yīng)有影響,特別地,與第一振型方向相同的物理量受到的影響最大。3 結(jié) 論通過(guò)ANSYS 有限元軟件對(duì)實(shí)際待鋪路面進(jìn)行了數(shù)值仿真,計(jì)算出待鋪路面在行車荷載下的位移響應(yīng)、x 向應(yīng)力響應(yīng)以及xy 向應(yīng)力響應(yīng)。通過(guò)荷載作用下的路面響應(yīng)特征,得出了位移及應(yīng)力分布規(guī)律,并對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)解釋。發(fā)現(xiàn)層間接觸狀態(tài)越好,路面的彎沉響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)越小;由于瀝青材料的%剪切變稀&特性,結(jié)合行車荷載下路面的剪切應(yīng)力分布

14、特征,在輪跡兩側(cè)會(huì)形成擁包;路面的自振會(huì)對(duì)同振型方向的結(jié)構(gòu)響應(yīng)存在較大影響。參考文獻(xiàn)1 G illespie T D,K aram ihas S M,Sayers M W,e t a l.lE ffects o f H eavy veh i c l e Charac teristi cs on P ave m ent R esponse and PerformanceR .N ati onal Cooperati v e H i gh w ay R esearch Progra m R eport ,N o .353,1993.2 U ddi n W,P an Z,N oppakun w ij

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17、t Pave m ent underM ovingW heel LoadsZ H U D ong hui(Pave m entAdm i n istration Bureau o f Pingd i n gshan ,P i n gd i n gshan 46700,ChinaAbst ract :The response of aspha lt pave m ent under m ov ing w hee l l o ad is of i m portant re ference val u e to as pha lt pave m en t design and m ai n tena

18、nce .By usi n g t h e fi n ite ele m entm e t h od ,based on the viscoe lastic theory and the structura l dyna m ics t h eory and the contact cond ition of the interface bet w een t h e aspha lt overlay and base ,the response o f the asphalt pave m entw as ana l y zed .The resu lts sho w ed that the better t h e contact state bet w een the layers ,the s m aller the deflection and the stress response o f the pave m ent can be obta i n ed ;there are sw elli n gs beside the w hee l track under the shear stress d istri b uti o n and t h e w heel load due to t h e %shear t