不同速度的移动荷载下沥青路面力学响应分析

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沥青路面力学响应分析及其研究方法综述

沥青路面力学响应分析及其研究方法综述发布时间：2022-07-11T02:28:48.391Z 来源：《工程管理前沿》2022年5期3月作者：黄勇维[导读] 沥青路面具有比较复杂的力学特性，为了研究沥青路面的破坏机理以及路面应力应变变化规律，黄勇维重庆交通大学土木工程学院重庆 400074摘要：沥青路面具有比较复杂的力学特性，为了研究沥青路面的破坏机理以及路面应力应变变化规律，本文系统阐述了荷载、温度、路面结构类型以及层间接触状态对沥青路面结构力学的响应机理。

并且鉴于以往对路面进行力学研究不能够准确、真实、细致的反映其力学行为的问题，本文简述了对沥青路面细观力学行为的研究，使沥青路面力学的研究能够宏、细观相结合。

研究发现，细观力学分析能对内部材料变化进行量化处理，全面分析沥青路面力学响应，对改善路面性能有重要意义。

关键词：路面力学响应；荷载；温度；层间接触状态；细观力学研究0 引言我国沥青路面损坏影响因素主要有材料、荷载和温度。

因此，解决沥青路面这些问题，就要从因素出发，有必要对沥青路面力学响应因素进行分析研究。

沥青路面长期处于不同的自然环境中，并非单一不利因素影响沥青路面，在恶劣的气候条件和车辆荷载共同作用下，沥青路面材料内部逐步发生变化，路面出现宏观的损坏现象。

以往对路面进行力学研究，通常将沥青路面通过假设条件进行了不同程度的简化，与实际情况存在差别，不能够准确、真实、细致的反映其力学行为，因此，有必要对沥青路面细观力学行为进行研究，达到宏、细观相结合的目的，全面分析沥青路面力学响应，对改善路面性能有重要意义。

1沥青路面力学响应分析综述沥青路面是多层路面结构，具有比较复杂的力学特性。

国内外大量研究表明，对沥青路面力学响应有显著影响的因素主要有荷载、温度、路面结构类型和层间接触状态等。

研究不同因素影响下的路面力学响应，可以为更科学合理的路面设计方案提供必要的参考。

1.1荷载在沥青路面的力学性能分析时，通常把轮胎与路面的接触面作为路面受力分析的影响区域。

沥青路面结构力学响应分析研究

道桥建设2018年第13期121道路沥青路面须经受复杂多变的天气和作用力大且施加密集的车辆荷载反复作用。

过车之后容易出现路面品质逐年下滑从而显著降低道路使用寿命，而且造成资源浪费，不利于居民出行以及货物的中转运输，不能充分发挥道路功能。

研究在不同因素影响下的路面结构力学响应，有助于理解并掌握路面破坏机理，采取更加科学合理的应对措施，延长道路使用寿命。

基于此，文章系统阐述了荷载和气候因素对路面力学响应的影响，为公路养护部门和相关学者提供必要的参考。

1　荷载对路面力学响应的影响车辆荷载是路面需要承受的主要荷载，与道路的使用寿命直接相关。

研究车辆荷载对路面结构力学响应的影响，对了解路面破坏机理具有重要意义。

胡小弟等将荷载与路面之间的接触面近似为矩形，采用有限元计算程序ANSYS，分析x 及y 轴方向各为2.5m 范围内应力分布情况。

z 方向深度根据路面结构及所受车辆荷载的交通组成，并依据理论弯沉值进行调整。

计算结果表明，当车辆制动或启动时，所产生的水平力尤其是最大剪应力对路面结构具有较大影响，剪应力峰值作用位置不定，对柔性基层的影响比半刚性基层要明显，水平力作用下，面层层底的弯拉应力，尤其是y 方向引起横向裂缝的弯拉应力变化明显。

在上下坡等刹车频发地区路面容易破损，而曹卫锋对车辆动载作用下长大上坡沥青路面力学响应做了更加深入的研究。

利用大型有限元软件ABAQUS 建立车辆载荷作用下的长大上坡路段沥青路面结构的三维有限元模型，采用单侧双轮胎的加载方式，分析不同参数下的路面的力学响应。

理论计算表明：对于半刚性基层沥青路面，用沥青面层底部弯拉应变来评价其使用寿命是不合理的；较大的面层底部剪应变容易破坏面层与基层之间的粘结层，一旦粘结层破坏后，使面层结构的连接状态变为滑动状态，增加面层流动性，增加车辙发生的可能性。

因此，增强面层与基层之间的粘结强度，是抵制剪切破坏，提高路面寿命的有力措施。

2　气候对路面力学响应的影响2.1　温度对沥青路面结构动力响应的影响沥青面层材料是一种典型的温度敏感性材料，其力学特性和使用性能随温度的变化而显著变化。

移动荷载作用下Winkler地基的沥青路面动力响应

用积分变换法推导了板挠度的Ｇｅｎｒ函数，ｅ并利用移动荷载作用下，ｅｉＫｌｎ地基上无限大Ｋｒｈｏｆｖｉｈｆｃ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
１路面计算力学模型
为模拟车辆荷载作用下路面的动力响应，将
收稿日期：２０ —ｌ０．０９０一６宁波大学学报（工版）网址：ｔ：３ｂｂ．ｕｎ理ｈｔ／ｘ．ｕｅ．ｐ／ｎｄｃ基金项目：浙江省自然科学基金（０６７）；江省科技计划项目（０８３００）．Ｙ１７３浙２０Ｃ１３第一作者：刘干斌（９６），，西吉安人，士眉０１７一男江博教授，主要研究方向：基路面工程． — ｉｌｇ７＠１３ｏ路Ｅｍａｌｉｂ６６ｒ：ｕｃｎ
在研究不平整度对路面动力响应影响时，将位移
函数和荷载取近似模式，展开为正弦级数．ｍ等Ｋｉ
换得到数值结果以分析荷载速度、粘弹性地基阻尼及双轮问距对路面竖向位移、弯矩的影响．
人ｌ究了前后双轮变幅值荷载条件下，ｎｌ粘Ｗｉｅｋｒ弹性地基上无限大板的动力响应．周华飞等人采ｊ
（式和（式可得到路面动力响应的控制方程为：１）２）
载大小为ｑｅｏ，长２宽２，以速度ｃｘ方厶，沿ｚ向运动［考虑双轮荷载工况条件下，４】．荷载的大小
相等．地基模型采用粘弹性Ｗｉｌ模型，ｎｅｋｒ路面的竖向位移为（ｘ，．，ｆｚ）
第２３卷第２期２１００年４月
宁波大学学报（理工版）

移动荷载作用下路面结构的动力响应

移动荷载作用下路面结构的动力响应摘要现实情况中车辆总是以一定速度行驶在路面上的，因此研究沥青路面在车辆移动荷载作用下的动态响应是掌握路面结构行为的必要条件。

建立刚性基层沥青路面的三维有限元模型，分析移动荷载作用下路面结构的动力响应。

分析得出了荷载正下方不同深度处节点竖向剪应力he各结构层底弯拉应力的时间历程曲线。

结果表明，在移动荷载作用下，路面结构的动力响应具有明显的波动性质，与静荷载作用有明显区别。

绪论目前国内现有的道路设计方法通常将车辆荷载简化为双圆均布荷载静荷载，以双轮单轴BZZ-100(100kN)为标准轴载，以设计弯沉值作为路面整体刚度的控制指标，对沥青混凝土面层和基层、底基层进行层底弯拉应力的验算[1]，经过大量的使用实验证明，现有规范设计模型具有很大的局限性。

这是因为现实中车辆都是以一定的速度行驶在路面上，属于是移动荷载，路面结构在移动荷载作用下的力学响应与静力响应明显不同。

因此研究移动荷载作用下路面结构的动力响应更具有实际意义。

大量国内外学者对弹性层状体系在动荷载作用下的力学响应作了理论研究。

Siddharthan[2][3]结合弹性力学原理，建立层状体系动力学模型，研究了材料粘弹性对路面结构动力响应的影响。

Lv[4]采用Green函数、Laplace 积分变换和Fourier变换等方法求解出Kevlin地基上的无限大板在移动荷载作用下动态响应的数值求解。

钟阳、孙林[5]等利用Laplace-Hankel联合积分变换和传递矩阵相结合的方法推导出了轴对称半空间层状弹性体系动态反应的理论解，为进行路面结构的动态反应分析和路面材料参数的动态反算提供了一种行之有效的方法。

董泽蛟、曹丽萍[6]等采用ADINA建立了移动荷载作用下多层线弹性的三维沥青路面有限元分析模型，模拟分析了移动荷载作用下路面结构的三向应变动力响应。

鉴于理论解都涉及到较复杂的积分变换和无穷积分，最终只能采用数值方法求解。

移动非均布荷载作用下的沥青路面动力响应分析

存在端得边界条件采用固定约束阻尼，其动态响应是阻尼的
函数。对于小阻尼结构，单元的小阻尼矩阵采用瑞利阻尼假设，
ｖｅｔｃｌａｄｒｃｉｔｎｅｉｌｈａｉｒＯｎａｙｉｈｎａｉｒｉａｎｆｔｉｏｎａｇｎｔａｂｅｖｏ，ｔａｌｓｓｅｄｙｍｃｔｒｓｎｓｏａｐｌｐａｍｅｕｅｐｏｅｆｓｈａｔｖｅｎｔｎｄｅｄｆｅｅｏｈｃｅｏａｓｒｉｒｎｔｆｖｅｉｌｌｄｗｈｅｈｅｃｅｓｉｎｉｏＴｍｏｔｎｔｅｖｈｉｌｉｎｕｆＩｎｉｏｎ．Ｔｈｒｓｔｎｄｃｔｈｔｅｅｕｌｉｉａｅｔａｓｔｍａｉｕｌｎｇｔｄｉｌｅｉｅｔｅｓｓｎｔｉｔｒｅｉｔｈｅｘｍｍｏｉｕｎａｔｎｓｓｒｓｉｌｉｈｅｎｅｍｄａｅｓｃｉｎｈｕ —ｂａｅｈｅｍａｍｕｍｏｎｇｔｉｌｃｍｐｒｓｉｅｔｏｏｆｔｅｓｂｓ，ｔｘｉｌｉｎａｏｕｄｅｓｖｅｓｒｓｉｉｈｅｓｐｈｔｖｅｅｓｒａｅＯｖｅｌａｓｇｆｃｔｙｔｅｓｓｎｔａａｐａｍｎｔｕｆｃ．ｌｒｏｄｉｎｉａｌｉｎ
ｉｒａｅｔｅｌｙｅｓｏｔｅｓｎｃｅｓｄａｒｆｓｒｓ，ｗｈｃｃｅｅａｅｅｄｅｔｕｃｏｏｈｉｈａｃｌｒｔｄｔｓｒｔｎｆｈｉｔａｅｅｔｕｃｕｒ．ｈｅｐｖｍｎｔｓｒｔｅＫｅｏｒ：ａｐｈｌａｅｅｔｉｎｔｅｅｅ；ｍｏｉｇｏａｙｗｓｄｓａｔｐｖｍｎ；ｆｉｅｌｍｎｔｖｎｌｄ；

不同速度下制动沥青路面结构动力响应研究

１轮胎及沥青路面结构有限元模型的构建
１．１轮胎模型的建立
以子午线轮胎８Ｒ１７作为原型，采用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建立轮胎及道路结构模型。轮胎宽度为２０５咖、轮辋直
径为４３２ｍｍ、汽车后轮轮距为１．６ｍ。胎面及轮辋采用线弹性材料，采用阻尼弹簧模拟胎面。为了对轮胎充
６２
华东交通大学学报
２０１７年
１．２沥青路面结构模型的建立
路面结构各层考虑其粘弹性，采用ＤｒｕｃｋｅｒＰｒａｇｅｒ模型［９］。路面宽度为４．５ｍ、长５ｍ、边坡坡度为０．５、高２．３５ｍ。由《公路沥青路面设计规范》（ＪＴＧＤＳ０ — ２００６），选取路面各层参数，见表２。
关键词：路面结构；动力响应；制动；ＬＳ — ＤＹＮＡ；速度中圈分类号：Ｕ４９１．１文献标志码：Ａ
在交叉口、收费站等路段，由于交通量大、汽车频繁制动、启动，路面车辙、拥包等早期病害时有发生。汽车以不同速度、轴载在沥青路面频繁制动是路面结构早期破坏的重要原因［４１；因此，研究不同速度制动时
构动力响应的影响规律。研究结果表明：制动过程中，车辆荷栽主要作用在沥青路面面层，其中中面层受到的水平力、垂直力最

FWD荷载作用下沥青路面动力响应有限元分析

FWD荷载作用下沥青路面动力响应有限元分析论文
本文旨在探讨FWD（falling weight deflectometer）荷载作用下
沥青路面的动力响应情况，通过有限元分析的方式，分析其结构响应特性以及受力行为。

利用实验数据优化有限元模型，并将其应用于汽车对沥青路面进行路面质量评定。

针对FWD荷载作用下沥青路面，开展有限元分析。

根据有限
元理论，建立一个均匀的有限元模型，并运用经典的梁单元进行模拟，如Young-Von Karman模型。

同时，根据实验数据，
优化模型，使其最大程度反映真实情况。

此外，考虑地面材料的拉伸模量、剪切模量和泊松比，以及基础土的应力应变。

最后，基于不同的FWD荷载作用，计算路面的响应力，以及每
一段路面的形变，其中包括剪切变形、水平和纵向变形等。

结果表明，FWD荷载作用下沥青路面的动力响应随荷载的增
大而增大，荷载强度与响应之间呈线性关系，最终得出路面承载能力的最佳估计值。

此外，FWD荷载作用下沥青路面的形
变情况也随着荷载的增大而增大，且与不同部位的位移及形变有关。

经过有限元分析的研究，我们不仅可以更好地了解沥青路面的动力响应行为，而且还可以将最优预测值应用于汽车对路面进行质量评估中。

然而，路面在实际情况下还存在一些复杂情况，也需要进一步的研究和实验支持，更好地预测路面的响应性能。

总而言之，本文通过有限元分析的方式，研究FWD荷载作用
下沥青路面的动力响应现象，并优化有限元模型，更好地预测沥青路面的响应性能。

不同荷载模式作用下饱水沥青路面结构动力响应对比分析

Different Loading Modes
ZHOU Zhigang1，LI Yan1，YU Wensheng1，2，PING G aoming1
（ 1． Key Laboratory of Ｒoad Structure and M aterial，M inistry of Transport of PＲC，Changsha University of Science and Technology，Changsha，China，410004； 2． Jiangxi Provincial Expressw ay Investment Group Co．Ltd．，Nanchang， China，330000）
2019 年3 月第35 卷第 2 期
沈阳建筑大学学报（自然科学版） Journal of Shenyang Jianzhu University （ Natural Science）
M ar． 2019 Vol． 35，No． 2
文章编号： 2095 － 1922（ 2019） 02 － 0263 － 14
doi： 10． 11717 / j． issn： 2095 － 1922． 2019． 02． 09
不同荷载模式作用下饱水沥青路面结构动力响应对比分析
周志刚1 ，李岩1 ，俞文生1，2 ，平高明1
（ 1．长沙理工大学道路结构与材料交通行业重点实验室，湖南长沙 410004； 2．江西省高速公路投资股份有限公司，江西南昌 330000）
研究生科研创新项目（ CX2014B371）；道路结构与材料交通行业重点实验室（长沙）开放基金项目（ kfj150303）作者简介：周志刚（ 1966—），男，教授，博士，主要从事道路工程方面研究．

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不同速度的移动荷载下沥青路面力学响应分析摘要:本文利用有限元软件ABAQUS6.10模拟了汽车分别以10 km/h、30 km/h和60 km/h三种速度在公路上行驶时各结构层的力学响应情况,得出各结构层底的竖向应力、水平剪应力以及竖向剪应力的随时间变化的规律。

关键词:移动荷载力学响应沥青路面Abaqus
1 移动荷载模型的建立
汽车总是以一定的速度在公路路面上行驶,除了对路面有垂直方向上的作用力外,还会产生一个水平方向上的力。

为了使问题简化,在汽车正常行驶时,假设汽车轮载为垂直均布矩形荷载,且轴载组合为单轴双轮,由于对称所以文中只分析一侧的双轮情况。

1.1 基本假设
本文基于弹性层状理论体系,应用ABAQUS6.10建立了八结点线性六面体单元(C3D8R)的三维有限元模型,长宽高的尺寸分别为8 m×6 m×3 m,并对模型做了如下基本假设。

(1)各结构层为均匀、连续且各向同性的弹性体,应力应变关系符合广义胡克定律。

(2)结构层之间为完全连续状态,在垂直方向上位移连续。

(3)各结构层厚度一定且接触良好。

(4)不考虑自重应力场。

(5)道路表面为水平面且不考虑不平整度和横纵坡度的影响。

1.2 参数的选取
在动态分析中,考虑到阻尼力和惯性力的影响,选取参数时,弹性模量和密度可以通过室内实验获取,而对阻尼系数的测定是比较困难的,因此,本文通过查阅相关资料采用了简化的Rayleigh阻尼。

为了便于计算,给定阻尼矩阵系数α,假设阻尼矩阵系数β为0,具体数值见表1。

1.3 移动荷载在有限元模型中的实现
对移动荷载的施加本文是通过ABAQUS自编子程序来实现的,荷载沿设定好的路径随着时间的变化向前移动。

首先,沿模型的纵向即行车方向设置荷载移动带,因为文中是模拟的单抽双轮的轴载组合,由于对称只分析一侧的双轮情况,所以移动带是由两条长矩形组成,长度为路面的纵向长度,宽度为施加的均布载荷宽度。

然后,将两条长矩形细分成许多小矩形,小矩形的尺寸依计算精度而定,本文中每个小矩形的大小为0.213 m×0.167 m,相当于标准圆形均布荷载作用于路面。

2 移动荷载下沥青路面结构响应分析
以上实现了道路上移动均布荷载的施加,在结果分析中,以10 km/h的速度作为参考,分析了各结构层在移动荷载下竖向应力、水平剪应力以及竖向剪应力的分布规律,并通过对三种速度下的路面结构响应对比,找出车速对路面的影响规律。

2.1 竖向应力的响应分析
由图1可以看出,路面各层在垂直方向上主要承受压应力,随着行车荷载逐渐接近计算点位,各结构层的压应力也逐渐增大,最大值出现在上面层,其值为0.41 MPa,压应力随深度的的增加呈现减小的趋势,而且幅度越来越大,到底基层底面(76 cm)时压应力基本趋近于零。

2.2 剪应力的响应分析
由图2所示,当行车荷载驶近和远离计算点时,各结构层都承受了方向相反的两次水平剪应力的变化,无论是正值还是负值,随着深度的增加水平剪应力都呈现出减小的趋势,最大剪应力出现在上面层,其值分别为0.009 MPa和-0.009 Mpa。

图3显示了行车荷载下路面竖向剪应力的时程变化,从中我们不难看出,当行车荷载驶近和远离计算点位时,各结构层的竖向剪应力和水平剪应力一样,都承受了方向相反的两
次剪应力的变化,即各层都经历了先负后正的剪应力变化。

从面层到基层,应力随着深度的增加而增大,在沥青碎石层(20 cm处)达到最大值-0.045 MPa和0.05 Mpa。

2.3 不同车速下的应力响应分析
以上分析了车速为10 km/h下的路面结构响应,为了更好地了解车的行驶速度与路面响应之间的规律,本文选取了10 km/h、30 km/h 和60 km/h三种车速,以这三种速度下的路面各种响应的最大值为依据,如表2,通过对比,分析了车速对沥青路面结构响应的影响。

从表2可以看出,不同车速下的剪应力变化规律是一样的,只是数值随着速度的增加有所减少,水平剪应力突变前后的峰值都出现在上面层,从10 km/h到30 km/h,突变前的峰值减少了27.8%,突变后的峰值减少了26.7%;从10 km/h到60 km/h,突变前的峰值减少了51.1%,突变后的峰值减少了65.6%。

竖向剪应力的最大值仍然出现在沥青碎石层,突变前后的峰值也随着车速的增加有明显的减小,幅度最大的减小了近75.8%。

3 结论
ABAQUS是一款计算精度比较高的软件,本文通过其自编子程序实现了行车荷载随时间和空间变化的特点,比较真实地模拟了移动均
布荷载下沥青路面的结构响应,发现应力在行车荷载下存在着一定的规律:
(1)水平剪应力S13和竖向剪应力S23具有突变性,当行车荷载经过计算点上方时,各结构层都承受了方向相反的两次剪应力的变化,这种多次反复的变化对路面车辙的产生具有一定的影响。

(2)结构层内的最大竖向压应力S22出现在上面层,并且随着深度的增加应力逐渐减小。

(3)路面结构层内的应力随着车速的增加都趋于减小,低速条件下行驶的车辆对路面受力不利。

参考文献
[1]张静利.浅析经典路面结构分析方法的局限性和新的发展方向[J].公路交通技术,2004,2(1):16-18.
[2]魏连雨.车辆超载运输对路面的破坏作用[J].内蒙古公路与运输,1996(1):18-19.
[3]候芸,郭忠印.动荷作用下沥青路面结构的变形响应分析[J].中国公路学报,2002,15(3):6-10.
[4]黄磊,冯铨,杨阳,等.基于FWD荷载作用的路面力学指标分析
[J].公路交通技术,2010(2):14-16.
[5]舒富民,钱振东.移动荷载作用下沥青路面的动力响应分析[J].交通运输工程与信息学报,2007,5(3):90-94.。