温度荷载作用下含裂缝的沥青路面结构应力分析

作者:赵东文 刊名:黑龙江交通科技 上传者:黄婕

【摘要】应用有限元素法对含有裂缝的半刚性基层沥青混凝土路面在温度荷载作用下的应力状况进行了初步分析,得到不同参数情形下裂尖应力强度因子,研究结果对沥青路面结构设计具有一定的参考价值。

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1温度荷载的确定欲将此问题采用平面应变来分析,故需要进行一系列的变换。根据弹性力学理论可知变温产生的温度应力由公式(1)确定=ET(1)其中:为线膨胀系数(在此采用的是面层与基层的温缩系数之差);E为弹性模量,MPa,沥青混合料采用劲度模量S;T为温差,。对于一般的材料和结构,变温在某一温度范围内时,不考虑T对E的影响也不会产生较大的误差。然而由于沥青混合料的特殊性,温度变化对沥青混合料的劲度模量影响比较大,分析温度变化对半刚性基层沥青混凝土路面作用时需要考虑T对E的影响。根据断裂力学理论可知:在外部荷载作用下,材料和结构内缺口及裂纹附近将出现应力集中现象。而要使裂纹能够进一步扩展,必须满足两个条件:首先,在裂纹尖端必须有足够大的应力以形成裂纹扩展的某种机理;其次,必须有足够的能量注入裂纹尖端,以供给创造新表面时做功。下面分析哪些因素会影响裂尖应力。2数值计算及结果分析21裂尖网络的确定欲采用MSCNASTRAN有限元软件对基层含有裂纹的路面结构进行各项分析,但是单元网格划分的不同会计对计算结果产生相当大的影响,这就存在一个合理划分网格大小的问题。本文研究的道路结构与“半无限大板内有一条长度为2a的裂纹,裂纹中心线距边缘为b,在垂直裂纹方向作用单向均布正应力,但由于该例公式中存在一个系数FA,该系数是由查图表的来,它的取值受主观因素影响较大,所以我们用“无限大板有一条中心裂纹,其长度为2a,在垂直裂纹方向受单向均布正应力,其应力强度因子见公式(2),距离裂尖001m范围内各点的水平拉应力见公式(3)”来确定网格尺寸的合理性,而在分析计算时仍采用无限大板形式。K=a(2)y=K2x(3)式中:x为距裂尖的距离,m;为在垂直裂纹方向的单向均布正应力,MPa。而对于半无限大板形式裂纹而言,裂尖处应力强度因子为K=aFA(4)公式(4)中FA由a/b查表得知。由于裂尖应力分布的特殊性,网格划分需要密集一些。下面比较两种方案:一是在距裂尖1cm范围内等分5格;二是等分10格,外加应力为=1MPa,采用等效荷载方式将均布力转化为等效结点。(1)有限元解比解析精确解普遍偏小,不论网格尺寸多小,距离裂尖最近点的有限元解误差都较大,在10%以上,而离开裂尖一定距离后计算结果与理论解吻合较好,也就是MSCNASTRAN的分析结构是可靠的;(2)最小网格为0001m相对0002m对应点的误差要小得多,所以采用在裂尖上下各1cm范围内等十格,且距裂尖1mm处的应力值尽量不采用。22沥青混凝土面层材料对应力强度因子的影响分析为对比材料劲度模量对裂尖应力的影响,采用温度应力不变,逐步变换沥青混凝土面层的劲度模量。可见,在初始裂纹长度不变的情况下,随着距离裂尖长度的增加水平拉应力逐渐减小,随着面层材料劲度模量的减小,面层内裂纹尖端1cm范围内对应点位水平拉应力也随之减小;在劲度模量降低幅度相同的情况下,模量越低,水平拉应力平均减小值越大。随着面层劲度模量的降低,底基层内裂尖范围拉应力恰恰与面层相反,增大的趋势。在距离裂尖相同距离时,面层内拉应力较底基层的大。裂纹间距对层底拉应力的影响。由于半刚性基层温缩性质不同,导致裂纹间距也各有差异。下面是对不同裂纹间距状况下面层内拉应力的分析。裂纹间距越长,沥青面层拉应力相对越小,当间距分别由10m减少到8m时,8m减少到6m时以及从6m减少到4m,水平拉应力相应平均减少1515%、1136%、305%。从这个角度出发,我们在进行沥青路面结构设计时,应合理选择基层材料,不能一味追求低温缩性材料。3结论本文运用MSCNASTRA有限元软件对

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