车辆和温度影响下大堤沥青路面开裂数值模拟

作者:刘小文;谢瑞琼;时雨;沈细中; 刊名:公路工程 上传者:周永华

【摘要】山东黄河大堤淄博段沥青路面开裂产生裂缝的危害比一般公路的裂缝危害大的多,裂缝的存在不仅影响行车安全,还大大损害了堤防结构的整体性。应用 ANSYS 有限元软件对沥青路面进行数值模拟,分析路面体在冬季一个变温周期下不同位置处温度场及温度应力场随时间变化的规律,以及车辆荷载作用下路面体的荷载应力以及在温度、荷载耦合作用下的复合应力的变化规律。研究结果表明:在冬季低温季节,路面表面层的最大拉应力超过了低温冻断应力,路面将开裂;对于车辆荷载,面层底部容易产生拉应力,可能引起路面开裂;车辆荷载与温度应力耦合作用下,路面表层最大拉应力大于沥青路面最大抗拉强度,路面将会发生破坏。采用合理的路面厚度、选择合适的沥青混凝土材料、合适膨胀系数的半刚性基层材料选择以及冬季车辆荷载控制可以有效防止裂缝产生。成果对路面裂缝发展的预测和路面结构设计有一定的指导意义。

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0前言沥青路面开裂一直是困扰国内外道路工程界的主要问题之一,也是世界各国沥青路面存在的普遍现象。沥青路面开裂的形式和原因是多种多样的。AASHTO设计指南指出:路表开裂一般自上而下,究其原因可认为是温度和荷载综合作用的结果。国内外学者对沥青路面的温度应力、荷载应力及温度荷载耦合作用下的复合应力也做了大量的研究[1-9]。本文针对山东黄河大堤淄博段沥青路面开裂进行分析,应用ANSYS有限元软件模拟出沥青路面在各工况下的应力情况,对结构层不同位置处的应力规律予以分析,得出造成沥青路面开裂的直接原因。1有限元模型及计算参数的选取[12]黄河大堤淄博段路面面层设计为AC-13沥青混凝土,厚5cm,大堤裂缝均为横向贯穿裂缝,长6m,开裂宽度5~20mm,深度2~5cm;缝隙随季节变化有自愈特点;车载处裂缝密度较大。根据大堤横向裂缝表现形式,初步分析路面开裂原因主要是冬季温度及车辆荷载作用。根据室内试验成果和参考相关文献,综合确定计算模型的热力学参数、结构力学参数、材料的极限强度参数等。道路各结构层材料热力学参数取值见表1,计算模型结构力学分析所需材料参数取值见表2,各结构层线膨胀系数取值见表3。有限元三维热分析时,沿路面方向长取10m,横剖面上以上下游坡面为界,深度方向,取标准堤断面高度4m,地基取3m深;在堤的上下游方向取水平长度3m。考虑到前后分析的一致性,这里所建立的热分析几何模型的各要素与线弹性静力分析时建立的结构分析整体模型取为相同,以笛卡尔正交直角坐标系为模型的坐标系,原点位于三维模型的中心点。x轴正方向垂直于行车方向向右,y轴正方向垂直于路面向上,z方向沿行车向。模型的单元类型选择三维热学单元solid87,模型横断面尺寸见图1。典型模型的单元网格见图2。共划分了13958个节点,8848个单元。表1路面各结构层热力学参数Table1Thethermodynamicparametersofeachpavementlayer材料名称密度/(kgm-3)导热系数/(w(m)-1)比热/(J(kg)-1)沥青混凝土细粒层23601.04903水泥石灰碎石土基层22001.191002.4水泥石灰土基层21001.221048.3路基土层16801.321112.5表2路面材料模量及泊松比Table2Themodulusandpoisson'sratioofpavementmaterial材料名称不同温度下弹性模量/MPa-20-10沥青混凝土3708213641水泥石灰碎石土基层水泥石灰土基层路基土层不同温度下弹性模量/MPa01020泊松比6640330018000.258980.295430.30510.32表3路面材料线弹性膨胀系数Table3Thelinearexpansioncoefficientofpavementmateri-als(10-6/)温度/沥青混凝土水泥石灰碎石土基层水泥石灰土基层路基土层15~5040.110165015~-536.6101650-5~-1530.1101650-15~-2027.7101650-20~-3024.4101650图1模型剖面图Figure1Modelsectiondiagram图2网格剖分图Figure2Meshessubdivisiondiagram2计算结果2.1温度场分析计算边界温度场分析中,以1d的地面温度变化作为边界条件,在上游坡面、下游坡面及路面施加地面温度;在地基底面施加恒定的地温,在其它面为绝热面。对1d的温度变化可以用同济大学严作人[10]采用的两个正弦函数的组合来模拟辐

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