翟文卿 朱遠(yuǎn)譜 栗振鋒

(1.太原科技大學(xué)交通與物流學(xué)院，山西 太原 030024； 2.中國(guó)水利水電第八工程局，湖南 長(zhǎng)沙 410002)

基于ABAQUS不同荷載下多層瀝青路面響應(yīng)分析★

翟文卿1朱遠(yuǎn)譜2栗振鋒1

(1.太原科技大學(xué)交通與物流學(xué)院，山西 太原 030024； 2.中國(guó)水利水電第八工程局，湖南 長(zhǎng)沙 410002)

在進(jìn)行路面力學(xué)分析時(shí)，從圓形、正方形、長(zhǎng)方形、橢圓和兩半圓形+正方形荷載方面進(jìn)行論述，并進(jìn)行ABAQUS下的多層瀝青路面的三維有限元研究，結(jié)果顯示：進(jìn)行瀝青路面響應(yīng)分析時(shí)，不能將接地面形狀假設(shè)為圓形，同荷載下，對(duì)豎向位移的響應(yīng)最不敏感，相對(duì)安全；而假設(shè)為正方形，路面所受到的影響最不利，可以全面研究。

路基，接觸面形狀，ABAQUS有限元，力學(xué)響應(yīng)

0 引言

載荷的大小、路面的平整度、輪胎胎面上的花紋、汽車(chē)的各種響應(yīng)等都會(huì)影響路面結(jié)構(gòu)分析。想要詳細(xì)研究，就要把接地面積的形狀和接地壓力進(jìn)行簡(jiǎn)化。胡小弟[1]、馬新[2]、李雪蓮等[3]認(rèn)為：輪胎作用于路面的形狀更接近于矩形，且隨荷載的增加，矩形形狀越明顯，將接觸面形狀簡(jiǎn)化為正方形或者簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方形；謝水友[4]認(rèn)為：輪胎接觸面形狀隨垂直荷載變化而變化，當(dāng)垂直荷載較小時(shí)，接觸面呈橢圓形，當(dāng)垂直荷載較大時(shí)，接觸面近似矩形;彭衛(wèi)兵等[5]認(rèn)為，輪胎與地面的實(shí)際接觸形狀由一個(gè)矩形和兩個(gè)半圓形組成。文章運(yùn)用ABAQUS進(jìn)行不同形狀接觸面的荷載響應(yīng)分析，得出不同荷載形狀對(duì)路面的破壞程度，以此研究不同荷載作用下的多層瀝青路面的力學(xué)響應(yīng)面臨的實(shí)際情況，為選擇更合理的路面設(shè)計(jì)和維護(hù)提供有力的條件。

1 有限元計(jì)算模型及工況方案

1.1 有限元計(jì)算模型

路面結(jié)構(gòu)：瀝青混凝土上面層，回彈模量E1=1 200 MPa,泊松比μ1=0.25，厚度h1=5 cm；瀝青混凝土下面層，回彈模量E2=1 000 MPa,泊松比μ2=0.25，厚度h2=5 cm；基層為水泥穩(wěn)定碎石,回彈模量E3=1 500 MPa,泊松比μ3=0.2，厚度h3=30 cm；墊層為級(jí)配碎石，回彈模量E4=400 MPa，泊松比μ4=0.3，厚度h4=25 cm；路基回彈模量E5=35 MPa,泊松比μ5=0.35，厚度h5=500 cm。取公路前進(jìn)方向?yàn)閄方向，長(zhǎng)度為600 cm；垂直于公路方向?yàn)閅方向，長(zhǎng)度為400 cm；縱向厚度為上述結(jié)構(gòu)層總和，從基底往上為Z方向。計(jì)算時(shí)，底部和四周都取為固定約束，各層之間綁定約束結(jié)連接。

1.2 荷載接觸面形狀計(jì)算

車(chē)輛荷載采用P=100 kN[7],接觸輪壓p=0.7 MPa，相應(yīng)的當(dāng)量圓直徑d=21.30 cm,輪胎與路面接觸面積A=356.33 cm2。

選擇圓形、正方形、長(zhǎng)方形、橢圓和復(fù)合形為計(jì)算荷載面形狀，在相同的面積情況下，通過(guò)計(jì)算可知，圓形接觸面的半徑為10.56 cm；正方形接觸面邊長(zhǎng)為18.88 cm；假定長(zhǎng)方形的長(zhǎng)邊為短邊的2倍，可得長(zhǎng)邊長(zhǎng)26.70 cm,短邊長(zhǎng)13.35 cm；橢圓形長(zhǎng)半軸為短半軸的2倍，可得長(zhǎng)邊長(zhǎng)15.06 cm，短邊長(zhǎng)7.53 cm；復(fù)合形中半圓的直徑等于正方形邊長(zhǎng)為14.13 cm。由于兩個(gè)當(dāng)量圓中心的間距為1.5d，而內(nèi)側(cè)邊緣之間間距應(yīng)為0.5d，即10.65 cm，則假設(shè)其他形狀荷載內(nèi)側(cè)邊緣間距也為10.65 cm，如圖1所示。

2 計(jì)算結(jié)果及力學(xué)響應(yīng)分析

2.1 面層豎向位移數(shù)據(jù)處理

表1為上面層在不同荷載下輪隙中心豎向位移值和輪底最大豎向位移值。

表1 不同接觸面荷載下上面層豎向位移 0.01 mm

輸出豎向位移數(shù)據(jù)，沿垂直面層向?yàn)檎?，取輪隙中心?點(diǎn)，左右50 cm的豎向位移值用于繪圖，做出如圖2所示，不同接觸面荷載下沿路面橫向分布的豎向位移。

從表1可以看出，在相同的接觸輪壓作用下，接觸面形狀的輪隙中心豎向位移值從小到大為：圓形、橢圓形、復(fù)合形、長(zhǎng)方形、正方形；輪底最大豎向位移值從小到大為：圓形、復(fù)合形、橢圓形、長(zhǎng)方形、正方形。而從豎向位移沿路面橫向分布圖可以看出(見(jiàn)圖2)，在波峰處正方形的豎向位移明顯大于其他接觸面的豎向位移，在波谷處圓形的豎向位移是最小的，長(zhǎng)方形、橢圓形及復(fù)合形的接觸面的豎向位移則比較接近,變化幅度不是很明顯。

2.2 面層剪應(yīng)力響應(yīng)分析

表2為不同形狀荷載下面層最大剪應(yīng)力?？梢钥闯霾煌螤罱佑|面荷載下，上面層最大剪應(yīng)力都要大于下面層的最大剪應(yīng)力，上面層最大剪應(yīng)力從大到小依次是：正方形、長(zhǎng)方形、復(fù)合形、橢圓形、圓形；下面層最大剪應(yīng)力從大到小依次是：正方形、復(fù)合形、長(zhǎng)方形、橢圓形、圓形。通過(guò)比較，對(duì)剪應(yīng)力響應(yīng)最為敏感的是正方形，其次是長(zhǎng)方形和復(fù)合形，最不敏感的是圓形。

表2 不同形狀接觸面下面層剪應(yīng)力

2.3 路面各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力響應(yīng)分析

表3列出了不同接觸面下各結(jié)構(gòu)層層底最大拉應(yīng)力，可以看出正方形上、下面層和底基層層底的拉應(yīng)力絕對(duì)值最大，圓形上、下面層和基層層底的拉應(yīng)力絕對(duì)值最小。經(jīng)計(jì)算，X向拉應(yīng)力上面層到底基層拉應(yīng)力絕對(duì)值由大到小的接觸面形狀依次是：正方形、復(fù)合形、長(zhǎng)方形、橢圓、圓形；Y向拉應(yīng)力與X向一致。將各層層底X方向和Y方向拉應(yīng)力的最大值除以最小值可知，不同接觸面對(duì)上面層層底響應(yīng)程度最大，對(duì)底基層層底響應(yīng)程度最小，對(duì)下面層以及基層層底響應(yīng)程度相當(dāng)。

表3 各結(jié)構(gòu)層層底最大拉應(yīng)力

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)5種不同的輪胎荷載進(jìn)行ABAQUS計(jì)算，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析可以看出：

1)對(duì)面層剪應(yīng)力響應(yīng)最為敏感的接觸面形狀是正方形，最不敏感的是圓形。

2)接觸面的上面層層底拉應(yīng)力和下面層層底拉應(yīng)力以及底基層層底拉應(yīng)力響應(yīng)比其他接觸面的響應(yīng)要敏感一些，圓形最不敏感。

3)進(jìn)行荷載應(yīng)力分析時(shí)，不能將接地面形狀假設(shè)為圓形，同荷載下，對(duì)豎向位移響應(yīng)最不敏感，相對(duì)安全；而假設(shè)為正方形，路面所受到的影響是最不利的。

[1] 胡小弟，孫立軍，劉兆金.瀝青路面非均布荷載下層間接觸條件不同時(shí)力學(xué)響應(yīng)的三維有限元分析[J].公路交通科技，2003，20(3)：1-4.

[2] 馬 新，郭忠印，李志強(qiáng)，等.動(dòng)載作用下瀝青路面的剪切破壞機(jī)理[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2009，22(6)：34-39.

[3] 李雪蓮，陳字亮，張起森，等.高速公路上坡路段半剛性瀝青路面的三維有限元分析[J].公路交通科技，2007，24(8)：23-26.

[4] 謝水友.輪胎—路面接觸壓力問(wèn)題研究[J].華東公路，2009(3)：94-96.

[5] 彭衛(wèi)兵，劉萌成，劉書(shū)鎬.剎車(chē)荷載反復(fù)作用下瀝青路面剪切動(dòng)響應(yīng)三維有限元分析[J].公路交通科技，2009，26(9)：46-52.

[6] 殷立文，丁靜聲.荷載接觸面形狀對(duì)瀝青路面力學(xué)響應(yīng)的影響[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29(4):1-3.

[7] JTG D50—2006，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

The roadbed response under different load shape of ABAQUS★

Zhai Wenqing1Zhu Yuanpu2Li Zhenfeng1

(1.SchoolofTransportationandLogistics,TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,Taiyuan030024,China;2.SinohydroBureau8Co.,Ltd,Changsha410002,China)

In road surface mechanics analysis, through to the round, square, rectangular， elliptical and two semi-rounds plus square load discussing under ABAQUS of three-dimensional finite element study. Results showed that: when analyzing asphalt pavement response, it should not be assumed the shape of round, under load the same size, the least sensitive response to vertical displacement, the result will be relatively safe， but suppose for a square, the road will be affected the most disadvantaged, it can be a comprehensive study.

subgrade, ground shape of contact, finite element of ABAQUS, mechanical response

2015-01-06

★：山西省科技攻關(guān)資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：20120321023-05);山西省回國(guó)留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2013-096)

翟文卿(1992- )，女，在讀碩士； 朱遠(yuǎn)譜(1991- )，男； 栗振鋒(1968- )，男，教授

1009-6825(2015)08-0156-02

U416.217

A