基于连续变温的沥青路面车辙模拟分析

作者:李辉;黄晓明;张久鹏;廖公云 刊名:东南大学学报(自然科学版) 上传者:李伟良

【摘要】针对车辙产生的外部影响因素(温度、荷载),在对典型路面结构温度场分析以及材料特性试验的基础上,采用合理的车辙计算模型和考虑连续变温的模拟分析方法,利用ABAQUS模拟分析了不同温度场、不同接地压力下车辙的变化规律.结果表明:通过路面温度场的引入和定义材料参数随温度场变化,利用连续变温的路面车辙模拟分析方法可以更加符合实际的进行车辙模拟分析;车辙主要产生于平均气温高于20℃的高温季节的高温时段;在温度条件和累积作用时间相同的情况下,车辙量随接地压力的增大而增加,且基本成线性增长关系,而实际车辆超载时,路面车辙将呈非线性显著增大.

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随着公路交通量的增长、超重载车辆的增加及渠化交通程度的提高,公路沥青路面的车辙问题日益突出,已成为人们普遍关注的问题,车辙成因与规律以及车辙预估和防治成为世界各国研究的重要课题之一[1-2].但现有研究大多依据恒定的温度条件预测在设计使用期限内长期的车辙规律,没有考虑在具体的环境、荷载条件下,尤其是持续高温、重载条件下的短期车辙规律[2-4].为此,本文就典型的沥青路面结构,结合实际气候条件,尤其是针对高温、重载条件,建立合理的材料模型和数值计算模型及更符合实际的变温分析方法,进行车辙模拟与分析,研究路面在实际温度场下的车辙特性,分析不同温度场和荷载压力下的路面车辙发展规律.1计算模型及计算参数11计算模型根据国内目前主要路面结构形式及未来发展趋势[5],并暂不考虑路面结构形式和各结构层材料的多样性和变化性,选较典型的半刚性基层沥青路面结构(见图1(a))进行研究分析.经过对有限元模型的宽度、深度、单元类型、网格划分方式和蠕变误差等各因素的对比计算分析[6],确定同时满足计算精度和效率的车辙分析模型(见图1(b))为:水平宽度取25m,土基深度10m以上为有限元,10m以下采用无限元;网格划分方式采用局部细化的方式;蠕变误差取510-4.12计算参数1.2.1热特性参数由于沥青混合料的热特性随混合料类型变化不大,在路面温度场分析中,参考以往研究结果[7-8],将路面面层各材料的热特性取为统一值.同时不考虑各热特性参数随温度的变化.路面结构各材料热特性参数见表1.在路面材料热特性确定的情况下,路面结构的温度场由气象条件所决定.为进行温度场分析,需调查搜集道路所处地区的日最高气温Tmaax、日最低气温Tmain、日太阳辐射总量Q、日有效日照时数h和日平均风速vw等气象资料,作为主要的规律性研究.本文以南京地区为例,利用其20年的统计平均气象资料(见表2),进行各月不同气象条件下的路面温度场分析.图1计算模型表1路面温度场分析热特性参数表参数沥青面层水稳基层石灰土底基层土基热传导率k/(J(mh)-1)4680561651485616密度/(kgm-3)2300220021001800热容量C/(J(kg)-1)92499117942910400太阳辐射吸收率s090路面发射率081热对流系数hc/(W(m2)-1)hc=37vw+94绝对零度值TZ/-273Stefan-Boltzmann常数/(J(hm2K4)-1)204109210-4表2气象数据多年统计平均值月份-Ta/Tmaax/Tmain/Q/(MJm-2)h/hvw/(ms-1)125109-591047124244134-461396927391191-0816572304160247722338428521527815225793276256312201229982772923562282631072682883532232511152792392961832438724101802321271809122111091774113278231247127-331047523注:原数据来源于中国自然资源数据库;-Ta为Tmaax与Tmain平均值.1.2.2力学参数由于蠕变(车辙)主要发生在沥青混合料面层,基层以下的塑性变形相对较小,因此本文通过动态三轴蠕变试验和抗压回弹试验,确定沥青混合料面层材料的蠕变和弹性参数.基层以下各层材料不考虑蠕变等非弹性变形,选用弹性模型及其典型参数取值.材料的蠕变变形cr可以是温度T、应力q和时间t的函数,在分析蠕变变形时,通常采用Bai-ley-Nor

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