沥青路面结构设计及力学计算 (1)

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公路与 汽运总第 1 1期 4Hi ghwa ys Aut m o i eApplc i n o tv i ato s 7 5

沥青路面结构设计及力学计算李波，彭志斌。( .底市城乡建设投资集团有限公司，湖南娄底 1娄 4 7 0; .底市娄星区交通局，湖南娄底 100 2娄 470) 1 0 0

摘

要：用有限元对四种路面结构的变形、利受力特性和位移进行了分析，出了上面层和中得

面层模量的改变对竖向压应力变化没有很大的影响，面层模量的增加可以显著地消减由于荷栽上作用而产生的水平拉压应力、向拉压应力和剪应力，大剪应力峰值随着面层模量的增加而减径最少且呈现非线性关系的结论。

关键词：路；面；有限元；应力分析；移分析 公路位中图分类号： 1 . 1 U4 6 2 7文献标志码： A文章编号：6 1 2 6 (0 0 0 -0 7 -0 1 7— 6 8 2 1 )6 0 5 3

1抗滑表层选择提高沥青混合料水稳性的主要措施是防止水的侵蚀，高沥青和集料的粘附性。s提 MA混合料是由沥青、矿粉、纤维及少量细集料组成的沥青玛蹄脂填充间断级配的粗集料碎石骨架。S MA混合料的空隙率很小，乎不透水，几混合料受水的影响很小，加上玛蹄脂与集料的粘结力好，合料的水稳性也有混较大改善。

高沥青混合料和沥青路面的使用性能，少维修养减护费用，长使用寿命。延

2不同路面结构的应力和位移分析按照 J 0 2 0《路沥青路面设计规 TG DS— 0 6公范》的规定，设计标准轴载取为 B Z 0, Z一1 0平均日交通量为 68 2辆/ ( 7 d中型载重汽车 ) 2 0 - 2 1, 0 6 0 0年交通量年平均增长率为 7 1 3,0 0 2 1 . 5 2 1 - 0 5年为 6 4 2,0 5 2 2 . 4 2 1 - 0 0年为 5 2, . 7根据交通量车型百分比换算数，算此设计年限内累计轴载次数为计

沥青路面的表面功能也很重要，了集料自身除

性质外，面构造是关键因素。S表 MA一方面要求采用坚硬的、糙的、粗耐磨的石料；一方面矿料采用另间断级配，集料含量高，面

压实后表面形成大的粗路孔隙，造深度大，般超过 1mm,然使抗滑性构一 必能提高。

12 6 9万次，面设计弯沉值 0 2 8mm。采用有 6 .7路 .2限元分析软件 ANS YS对车辆荷载作用下的不同路面结构进行力学响应对比分析，进一步分析各个并面层的沉降位移。

2 1计算条件与计算参数 .考虑上中面层材料的不同对路面结构的应力和位移的影响，面层材料分别为 S上 MA一 1 3和普通

延长路面寿命需要沥青混合料具有良好的耐久性。S MA混合料内部被玛蹄脂充分填充，沥青膜且较厚，合料的空隙率很小，青与空气的接触少，混沥因而沥青混合料的耐老化性能好。 由于以上因素的共同作用， MA结构能全面提 S

沥青砼 AC—l, 3中面层材料分别为 S S改性密实 B级配沥青砼和改性断级配沥青砼。组合得到四种不同路面结构 (见表 1,用 ANS )采 YS进行分析。

表 1路面结构及其参数

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H i h公路 t moi e g wa s& Au与 t汽运 to s y o v App ia in lc7 6

21 0 0年 1 1月

第 6期

在计算过程中参照规范规定的范围，MA一1 S 3的模量为20 0MP,一1 0 a AC 3的模量为 15 0MP, 0 a S S改性密实级配砼的模量为 14 0 MP, B 0 a改性断级配砼的模量为 18 0M P。 0 a

几乎重合，由于 1型、是 3型路面上面层和中面层模

量的当量模量分别为 16 3和 16 8MP,型、型 0 9 a 1 3路面上面层和中面层的当量厚度分别为 4 4和 4 5 . . c二者的当量模量和当量厚度非常接近。2型和 m,4型路面的弯沉值相差较大，这是由于 2型、 4型路面上面层和中面层模量的当量模量分别为 14 3和 3 18 7MP, 6 a二者当量厚度相同，为 4 4 m,说均 . 6c这明当量模量对弯沉的影响比较大。 从图 2可以看出： 1型、 3型路面的弯沉曲线和 2型、 4型路面的弯沉曲线线形相差较大，主要是这由于二者的上、面层模量差相差较大。中

路面结构的土基： E—1 0k a一3。 0 P, 0

,=5。。 荷载作用图示为：轴双轮圆荷载、圆中单双双心距离 3。

经过计算比较， ANS S模型双圆圆心连线方 Y向长度为 5m, 圆心连线的垂直方向长度为 6m, 土基厚度为 3m。

计算中，坐标代表模型的宽度，宽为 5m; x总 y坐标代表模型的厚度方向，总厚为 3 7 Z坐 . 3m;标代表模型的长度，长度为 6m;标的原点为面总 坐

从弯沉的最大值来看， 2型路面> 3型路面> 1型路面> 4型路面，上面层和中面层模量之和之 与

层的中心点； Z轴过两个轮胎荷载圆连线的中点。2 2四种路面的性能对比分析 .

间存在单调递增关系。2 2 2面层受力特性分析 ..

由于四种路面结构不同，质方面有些差别。性 因此，各个类型路面的基层和底基层的使用性能与其他类型路面存在一些差别。同时，践证明这些实路面类型的工作特性明显不同。以下通过理论计算分析这些路面类型之间的差异。2 21 . . .变形分析

在路面三维空间结构分析中，面层在行车荷载作用下主要产生水平拉 ( )力 S、向拉 ( )压应径压应力 S和竖向压应力 S z。在相同双圆半径荷载作用

下，面层不同位置的力学响应存在很大的差别，据根 J G D 0 0 6公路沥青路面设计规范》通常面 T 5—2 0 (,层需验算的关键响应部位为双轮轮隙中心和单圆作用中心

四种路面结构在荷载作用下的变形分析结果见图 1 2~。

图3~8为轮载作用下单圆作用中心位置的力学特性及其分布规律。

从图 1以看出：型和 3路面的弯沉曲线可 1型x轴方向距离， m一

3

—2

—1

n

1

3

面面面面

一图 3单圆中心处的竖向压应力厚度/ m一

图 1标准轴载作用下的路表弯沉 轴方向距离/ m-

o_ 3

- . o2

一 . O1

0

01 .

02 .

O3 -

O 0 O 0 0 . 6 O O . 0 0 1 . 4 . 6 . 2 .4 0 O . 8 0 1 .2 0 1 0 1 0

1型路面

羹出一 5-

2型路面 3型路面 4型路面

三一

6 7二一

1 O

图 2轮载作用附近的弯沉

图 4单圆中心处的水平拉【 )力 S压应

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公.

总第 1 1 4期

H i h a s& A u o o i e g w y t m tv App ia in lc t s o2 2昌∞∞ O∞ 0∞. 4 6 一4 6 8帅∞∞∞一 一一 厚度， m

路与 汽运

7 7

.

表面时， 1型、 4型路面的水平拉压应力 S和径向 应力 S小于 2型、 z 3型路面。说明越大的模量将消减越多的水平压应力和径向-力 S 6。 ( )四种路面结构类型在荷载作用下所产生的 3

0 00 00 00 0.8 0 1 0 1 01 01 .2 .4 .6 O .0 .2 .4 .6—

0

暑一 2- 4一

6

蚕一 8.叵 -1 0一

剪应力都很小，应力 s y s剪 x和船对于不同路面类型变化较小。在上面层部分， 1型和 4型路面的 s z y大于 2型和 3型路面；中面层部分，和 4型路面的 3型S z于 1型和 2型路面。说明对于上面层和中面 y大

1 2

图 5单圆中心处的径向应力&

层，较大的模量将产生较大的剪应力 Sz但对剪应 y,力 S和 S Z有影响。 x没

3 o 5O o 3 0 OO o

篓钕

2 o 5O o 2 o O Oo l o 5O o1 O O oo 5 o0 0 O

3结论 通过用有限元分析软件对四种路面结构进行分析，以得出以下结论：面层和中面层模量的改变可上O1 . O2 . O_ 3 0. 4 0. 5 O. 6

对竖向压应力变化没有很大的影响；面层模量的上

厚度/ i n

增加可以显著地消减由于荷载作用而产生的水平拉

图 6单圆中心处的剪应力 S r x厚度/ m

压应力、向拉压应力和剪应力；大剪应力峰值随径最着面层模量的增加而减少，呈现非线性关系；、且上 中面层模量的当量模量和厚度相近时，面弯沉曲路线几乎重合；、面层模量的当量模量相差较大，上中

《

但厚度相近时，面弯沉值相差较大；、路上中面层模量差对路面弯沉的线形影响较大。

杂

参考文献：[ 1黄晓明，湘 .青路面

设计[ .京：民交通出版 1朱沥 M]北人图 7单圆中心处的剪应力20 O o15 0 0

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10 0 0

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~单圆中心处的剪应力 S

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称—

一5 0 01O 0 o 15 0 o

—

图 8

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从图 3 8可以得出轮载作用下荷载圆心位置~的位移和应力变化规律：

[]杨小丽， 8范杰，锡武， .青路面结构计算分析[]杨等沥 J.中外公路， 0 9 2 ( ) 2 0,9 5 .

( )四种结构类型的竖向压应力曲线几乎重 1合，主要说明上面层和中面层模量的改变对圆心竖向压应力的影响较小。 ( )在同样荷载作用下，面层的模量高使得 2上上面层的表面产生较大的水平拉压应力 S和径向 应力 S并且在上面层范围内消减较快；中面层 ,到

[]王辉，建伟，志威， .利施工环境下 S 9刘曾等不 MA一 1 3设计与施工控制探讨[]公路与汽运，0 9 3 . J. 2 0 ()

[0刘朝晖，健龙 . RC 11郑 C+AC复合式路面结构层间剪应力分析与层间界面抗剪强度试验研究[ . 0 8年 A] 2 0

(十届 )国科协年会[ 1 2 0 .第中 c .08收稿日期： O O 6 l 2 1—O一 8