1、文章编号:():./.基于有限元分析的干线公路路面疲劳寿命及养护时机研究赵 栋卢 超(.苏州绕城高速公路有限公司 苏州市 .苏交科集团股份有限公司 南京市)摘 要:为了研究干线公路路面疲劳寿命和养护时机基于有限元模型结合粘弹性路面材料模型和动态车辆荷载通过拉应力指标对路面结构力学响应进行分析并通过试验段大修模型疲劳寿命对典型方案的养护时机进行分析 研究表明:高模量沥青混合料应用于中下面层对路面结构的整体受力状况有利在抗车辙能力方面更为显著采用高模量沥青混合料 作为下面层提高了沥青路面寿命周期内的抗变形能力和维修养护次数从而大大减少干线公路全寿命周期内的能耗和排放 关键词:有限元模型干线公路路面
2、疲劳寿命养护时机中图分类号:.文献标识码:引言伴随着已建干线公路的多年运营很多早期建设的干线公路已相继进入养护阶段 尤其在干线公路的城镇段往往存在较多的平交道口车辆荷载的长期启动与制动对交叉口路面的抗车辙能力提出了更高的要求 如何在有限资金投入情况下选择合适的养护时机显著改善路面状况同时延长路面大修时间是目前亟待解决的问题 传统养护一般以矫正性养护为主这种事后补救的被动养护方式养护资金投入巨大效益却并不明显加上干线公路本身存在车流量大、行驶密度高等特点也会给养护造成难度因此寻求经济效益好的新养护方法势在必行路面养护方案的制定应根据现状路况分析结果在合适的路段、合适的时机采取合适的措施 然而未来
3、几年的养护方案需要根据结构层疲劳寿命选择合适的养护时机和养护措施 交通量的预测和路面结构方案的选择则是影响当量轴载次数和疲劳寿命的重要因素 为此提出铺筑高模量沥青混合料的路面结构方案以充分提高其抗车辙能力基于有限元模型结合粘弹性路面材料模型和动态车辆荷载通过拉应力指标对路面结构力学响应进行分析并通过试验段大修模型疲劳寿命对典型方案养护时机进行分析 低碳路面力学模型基于 有限元软件建立路面结构有限元模型对干线公路典型沥青路面结构型式进行受力分析 为了更准确地模拟路面结构实际受力状态采用粘弹性本构模型表征沥青路面面层材料施加车辆动态荷载分析路面结构力学响应为路面结构优化设计提供理论依据()力学模型
4、根据面积等效方法可将 的双圆均布荷载转化为双矩形均布荷载 车辆荷载模型参数为:宽度 .长度 .轴载 接地压力 .轮数 两轮中心距.轮胎接地长度 /().为模拟真实的车辆移动荷载荷载在时间上的分布采用半正弦波荷载 当 时荷载函数达到峰值荷载函数可用式()表示:()()()式()中:为荷载持续时间 当荷载离已知点很远或 /则该处荷载为 即()荷载强度为 详见图 荷载作用时间取决于车速和轮胎接触面积半径根据已有研究典型的荷载作用北方交通 年 第 期图 移动荷载的时间函数时间可取.针对三层结构考虑水平力对路面响应的影响增加沿行车方向的水平荷载大小为竖向荷载的()有限元模型有限元模型尺寸在 轴和 轴方向
5、均为 轴方向深度 建立的有限元模型如图 所示图 路面结构有限元模型为提高效率根据模型的对称条件采用四分之一模型进行计算以节约计算成本 在荷载作用处单元划分得较细偏离荷载处采用 模型距离荷载越远处单元尺寸越大 路面结构方案结合江苏省现有干线公路沥青路面结构类型选择两种干线公路典型路面结构型式进行分析具体如表 所示表 路面结构方案结构类型结构一结构二 改性 改性 普通 三层结构 普通 抗裂水稳 抗裂水稳 石灰土 石灰土 以上所列方案的基本技术指标如下:设计年限按 年标准轴载 在设计年限内一条车道的累积当量轴载是 次/车道采用常温条件下的材料参数进行结构分析根据已有试验数据几种沥青混合料在 时的动态
6、模量试验结果如表 所示表 沥青混合料动态模量及相位角试验结果()混合料类型参数不同频率下的试验结果.改性沥青 动态模量/相位角/().普通沥青 动态模量/相位角/().动态模量/.相位角/().根据动态模量计算所得粘弹性参数如表 所示 其中沥青混合料泊松比取为.表 沥青混合料参数结果参数.改性沥青/././.普通沥青/./././././.有限元计算分析根据结构型式和荷载型式进行力学分析以沥青层层底拉应力(应变)以及半刚性基层层底拉应力关键力学指标分析不同路面结构的力学响应()沥青层层底拉应力(应变)路面结构沥青层层底拉应力及应变计算结果如表、表 所示表 沥青层层底拉应力汇总结构沥青层层底拉应
7、力/水平荷载结构一结构二三层结构无.有.表 沥青层层底拉应变汇总结构沥青层层底拉应变水平荷载结构一结构二三层结构无.有.沥青层层底拉应力(应变)与路面疲劳裂缝的形成有一定关系由数据可见随着材料模量增大沥青层层底拉应力逐渐增大且 材料较其他材 年 第 期 赵 栋等:基于有限元分析的干线公路路面疲劳寿命及养护时机研究料增幅较大但拉应变值无明显差异说明高模量沥青混合料的使用不会对路面结构抗疲劳裂缝的能力造成不利影响 结构方面由于三层结构厚度较大层底拉应变相对更小对路面受力有利()基层层底拉应力路面结构半刚性基层层底拉应力计算结果如表 所示表 半刚性基层层底拉应力汇总结构水平荷载结构一结构二三层结构无
8、.有.基层层底拉应力与路面疲劳裂缝的形成有一定关系由数据可见总体而言基层层底拉应力数值很小同时随着材料模量增大数值逐渐减小进一步说明高模量沥青混合料的使用不会对路面结构抗疲劳裂缝的能力造成不利影响 结构方面由于三层结构厚度较大具有更小的基层层底拉应力对路面受力有利 试验段养护时机分析 国道改线工程主线采用干线公路技术标准双向 车道交通量较大 计算行车速度为/年平均日交通量为/根据当地经济发展和交通需求预估交通平均年增长率为.利用沥青路面的疲劳寿命对各种方案制定大修计划用沥青路面的永久变形和路面平整度衰变制定路面的中修计划由交通参数计算得到实际的初始年设计车道日交通量 次/根据预测交通量增长计算
9、项目设计期内的总交通量 万次 考虑到实际情况可能有不同的车型对不同车型的比例以及超载的比例进行了调研用调研的数据对设计期内的总交通量进行预测并用交通当量轴载次数公式计算得出不同车型在设计期内的累计轴载次数用无机结合料层疲劳寿命性能预估指标控制路面大修的时机路面大修预估模型应依据无机结合料层底面拉应力按疲劳寿命公式计算无机结合料层疲劳寿命无机结合料类基层与底基层应分别进行疲劳寿命的分析 当无机结合料层疲劳寿命小于设计年限内当量轴载作用次数时应对路面进行中修养护以提高路面的行驶质量 根据路面抗疲劳性能公式计算推荐方案的疲劳性能得到几种方案的水泥稳定碎石基层的疲劳寿命如表 所示表 不同方案无机结合料
10、基层疲劳寿命方案层底拉应力/材料弯拉强度/无机结合料基层疲劳寿命 结构一.结构二.根据大修养护维修的预测模型分析方案设计期内大修次数 用高斯函数表示取不超过车辆累计当量轴载次数除以水稳基层疲劳寿命的最大整数 计算公式见式():()式中:为大修养护次数(次)为设计期内设计车道上的当量轴载累计作用次数(次)为无机结合料层疲劳寿命(次)通过交通量计算不同路面结构方案设计年限内的疲劳寿命和大修养护次数结果见表 所示表 不同方案在设计使用期内大修的次数方案当量轴载累计作用次数 无机结合料基层疲劳寿命 大修次数结构一.结构二.由表 可知在设计使用期内当量轴载累计作用次数小于无机结合料基层的疲劳寿命也就是无
11、机结合料基层不会出现疲劳损坏用基层疲劳寿命作为性能预估指标预测的模型所有方案均不需要大修措施由沥青层分层永久变形公式将交通量和相关参数代入计算得到比较方案在全寿命周期内的沥青层永久变形发展趋势 根据沥青层分层永久变形的发展趋势以及规律当路面沥青层总的永久变形值超过 时对路面进行中修养护中修的养护策略为铣刨面层并用原材料进行重铺设计这也是为了方便计算养护维修期的养护维修能耗和排放 不同方案根据沥青层永久变形预测的养护时机如表 所示由表 可以看出结构一需要中修养护次数为 次而结构二不需要中修高模量 提高了沥青路面寿命周期内的抗变形能力 减少道路使用寿北方交通 年 第 期表 路面中修养护维修策略年限
12、永久变形值/结构一结构二第 年.第 年.第 年.第 年中修.第 年.第 年.第 年中修.第 年.第 年.第 年中修.第 年.第 年.第 年中修.第 年.第 年.命周期内的维修养护次数从而大大减少干线公路全寿命周期内的能耗和排放 同时养护的频率随着时间推移显示增长的趋势原因是考虑到交通量增长对路面车辙的影响 结论()通过沥青层层底拉应力(应变)以及半刚性基层层底拉应力关键力学指标的分析结果可以看出高模量沥青混合料应用于中下面层对路面结构的整体受力状况有利在抗车辙能力方面更为显著()提出方案的性能评估采用高模量沥青混合料 作为下面层提高了沥青路面寿命周期内的抗变形能力减少道路使用寿命周期内的维修养护次数从而大大减少干线公路全寿命周期内的能耗和排放参考文献 程玲闫国杰陈德珍等.温拌沥青混合料摊铺节能减排效果的定量化研究.环境工程学报():.中国统计局.中国能源统计年鉴.北京:中国统计出版社.秦永春黄颂昌徐剑等.温拌沥青混合料技术与最新研究.石油沥青():.秦永春黄颂昌徐剑等.温拌沥青混合料节能减排效果的测试与分析.公路交通科技():.程玲闫国杰陈德珍等.温拌沥青混合料摊铺节能减排效果的定量化研究.环境工程学报():.王江平洪斌.节能减排型温拌沥青混凝土特性与应用.筑路机械与施工机械化():.(.).:.年 第 期 赵 栋等:基于有限元分析的干线公路路面疲劳寿命及养护时机研究
