您的当前位置：首页沥青加罩路面荷载型反射裂缝的有限元分析

沥青加罩路面荷载型反射裂缝的有限元分析

来源：化拓教育网

第29卷　第2期2005年4月

武汉理工大学学报(交通科学与工程版)

JournalofWuhanUniversityofTechnology

(TransportationScience&Engineering)

Vol.29　No.2Apr.2005

沥青加罩路面荷载型反射裂缝的有限元分析

李月光1)　胡小弟2)

(武汉理工大学交通学院1)　武汉　430063)　(华中科技大学土木工程与力学学院2)　武汉　430074)

摘要:沥青加罩是水泥混凝土路面常用的有效改造方法,但这种改造措施常常伴有沥青罩面层的反射裂缝问题.因此反射裂缝的研究一直是这种组合结构研究的重点和难点.文中在收集和整理目前国内外反射裂缝研究成果的基础上,结合实例对荷载型反射裂缝进行了有限元模拟计算,分析了不同罩面层厚度和夹层模量对沥青加罩层力学响应的变化规律.关键词:水泥混凝土路面;沥青加罩;荷载型反射裂缝中图法分类号:U416.224

　　我国早期修筑的高等级公路大多是水泥混凝土路面,噪声大、平整度差,在重载作用下产生了多种破坏现象,严重影响其功能.目前,这些水泥混凝土路面都面临着修复工作.

目前国内最常用的水泥混凝土路面大修措施是加铺沥青混凝土罩面层,这种措施不仅简单方便,能有效地改善旧水泥混凝土路面的使用性能,延长其使用寿命,而且造价低,对交通和环境的影响较小.采用加铺沥青层翻修后的复合结构涉及刚性、柔性两种路面结构形式,不仅材料性能差异大,而且因旧路面板上存在接缝和裂缝常伴有错台、脱空等损坏现象,使得复合结构中奇异部位尤为突出,使罩面层在对应于旧路面板接、裂缝的位置上极易出现反射裂缝.反射裂缝一旦出现,水分的侵入将会使沥青面层产生水损坏,引起路面的进一步开裂破坏.因此,反射裂缝问题是旧水泥路面上加铺沥青层所面临的一大难题.

动是温度变化、行驶车辆以及两者的综合作用的结果.为方便起见,常常把温度变化引起的反射裂缝称之为温度型反射裂缝,把行车荷载引起的反射裂缝称之为荷载型反射裂缝.

当汽车荷载驶经接缝时,在沥青罩面层中产生的应力影响可分为两种情况:(1)轴载位于接缝一侧时,接缝两侧产生较大的相对位移,在罩面层中造成较大的剪切应力;(2)轴载位于接缝顶面时,两板无相对位移或相对位移较小,罩面层主要承受弯拉应力作用.在整个过程中罩面层受到2次剪切1次弯曲作用,从而导致反射裂缝的产

生和扩展.因此,荷载因素是引起反射裂缝的一个重要因素.

沥青罩面层中的反射裂缝从其产生到整个路面破坏,中间要经历一个裂缝扩展阶段,即反射裂缝在罩面层厚度方向的纵向扩展和沿接缝长度方向的扩展.其中温度应力对反射裂缝影响的模式为张开模式,行车荷载对反射裂缝的影响主要是张开模式和剪切模式.当车轮驶经裂缝的正上方时,以张开模式来引起反射裂缝;在裂缝之前和之后的位置时,主要以剪切模式产生反射裂缝.荷载作用下的张开位移模式所对应的反射裂缝,首先产生于罩面层的底面,在周期性荷载的作用下垂直向上扩展;而在水平向,反射裂缝在瞬间是不可能贯穿整个路面宽度的,较为合理的发展过程是

1　荷载型反射裂缝的形成

[1～3]

一般认为,反射裂缝的产生和发展是由于旧

水泥混凝土路面板在接、裂缝处不能很好地传递拉应力和剪应力,当旧水泥路面板发生移动(水平向、竖向)时,在裂缝和接缝顶面的加铺层中产生应力集中,其结果造成反射裂缝.水泥路面板的移

　　　　收稿日期:20050114

　　　　李月光:男,36岁,硕士,讲师,主要研究领域为路基路面工程

・212・武汉理工大学学报(交通科学与工程版)　　　　　　　　　　　2005年　第29卷

裂缝首先在路面某些部位产生,然后再沿其长度方向扩展.一般情况下,反射裂缝多出现在轮迹处,因为温度对反射裂缝的影响在整个路面宽度内都是相同的,而行车荷载则是以一定的频率分布在车道上的,尤其在渠化交通的道路上.

3　实例分析

文中利用三维有限元,对水泥砼路面沥青加

罩结构荷载型反射裂缝进行模拟计算分析.3.1　路面结构及其计算参数

分析结构选取某实际公路改建的加罩层.在旧板脱空、错台等现象不太明显的路段,旧板无需特殊处理,故对这种路段可在旧板上预先设置应力󰃗应变吸收夹层(土工织物)后直接加铺沥青面层,见表1.其中基础是指旧板以下包括土基的原路面结构,其模量值按《公路水泥混凝土路面设计规范》取为当量抗压回弹模量.夹层材料厚度为1cm,泊松比为0.35.

表1　沥青加罩结构计算参数

材料AC216󰂪AC225󰂫夹层旧水泥板基础

h󰃗cmh1

E󰃗MPa

2　反射裂缝的力学分析模型

在进行大量试验研究的同时,国内外的研究

人员先后开发了多种用于计算沥青罩面层内的应力、应变分布以及反射裂缝扩展过程的力学分析方法,这些方法大致可分为四类:静力学分析方法、有限元分析方法、断裂力学+有限元分析方法和钝滞断裂带分析方法.在各种分析带裂缝结构的方法中,有限元方法是一种较有效的分析方法,并广为许多学者所接受和采用[1,2,4,5].2.1　OSU分析模型

OSU分析方法是1977年由OhioStateUni2

.OSU模型应versity的Majidzadeh等人提出的

用二维有限元技术来研究接缝的移动对罩面层应力的影响,由Westergard解可以得到板的翘曲形状,即罩面层的翘曲形状,并绘成诺谟图来预估罩面层中的拉应力.

虽然OSU分析方法可以利用诺谟图很方便地进行罩面层厚度设计,但是它仍存在以下问题:(1)没有考虑罩面层对旧路面板变形(水平移动和竖向翘曲)的约束,所以有关罩面层应力的计算可能是不正确的;(2)温度变化在产生板翘曲的同时,也将产生板的水平位移,OSU分析方法没有考虑这种变形对罩面层应力的影响;(3)没有考虑防治反射裂缝措施对罩面层设计厚度的影响.

2.2　三维有限元分析模型

该分析方法采用八节点三维等参数单元分析含有接缝的旧水泥路面上沥青罩面层内应力状况.另外,为了考虑旧路面与罩面层之间接触条件变化的影响,在界面上设置了虚拟的三维等参数单元和虚拟的传力杆单元,为保证旧路面板与罩面层竖向位移的一致性,虚拟杆单元的刚度取EA=∝,虚拟空间等参数单元的材料特性符合

.Goodman假设

较之二维有限元,三维有限元分析模型能较好地模拟实际的路面结构的受力状况,计算所得的应力、应变值更具有代表性,是分析罩面层应力的有效工具.

12001000E3

8122

20000100

Λ0.350.350.350.150.30

3.2　临界荷位选取

行驶车辆驶经罩面后复合路面结构的不同部位时,沥青罩面层中会产生不同的应力分布.在各种设计方法中,为了简化计算工作,通常选取一个使路面结构产生最大损坏的荷载作用位置,称之为临界荷位.文献[2]进行过使加罩层产生最大应力的对比分析.分析发现,就作用于一块混凝土板的面积上而言,对于单轴单侧双轮荷载,如图1a)中的荷载位对加罩层内的力学影响最为不利;对于单轴双侧四轮荷载,如图1b)中的荷载位对加罩层内的力学影响最为不利;就单轴单侧双轮和单轴双侧四轮荷载,对相同路面结构所产生的力学影响相差不大.文中选取如图1a)所示的单轴单侧双轮荷载进行分析计算.

图1　最不利的荷载位

3.3　荷载计算参数

根据文献[6],轮胎作用于路面的形状更接近

　第2期

李月光等:沥青加罩路面荷载型反射裂缝的有限元分析・213・

于矩形.因此文中将轮胎接地面积假设为矩形,单轮接地面积为0.1888m×0.1888m;平均接地压力0.7MPa;单侧双轮中心距0.32m,如图1a)所示.

3.4　有限元计算模型

根据上面的分析数据,可以建立三维有限元计算模型.分析软件采用通用的有限元计算程序.计算模型如图2所示(每个阴影部分表示单个轮胎荷载作用面积).依据垂直应力及接地尺寸的特性,分析范围X,Y,Z轴方向各为7.5m,10.0m,10.0m.计算采用8结点等参元.边界条件假设为:混凝土接(裂)缝两测板面与加罩层间完全连

以及荷载型反射裂缝的产生情形,计算取沥青下面层层底的最大拉应力、旧板与沥青下面层接触面横向裂缝处的最大拉应力进行分析.水泥混凝土旧板板块尺寸假定为x×y=3.5m×5.0m.

图2　有限元计算模型

续(粘层施工符合质量要求);除旧水泥混凝土板外,左右两面没有X和Y方向位移;除旧水泥混凝土板外,前后两侧也没有X和Y方向位移;假设旧水泥混凝土板的接缝无传荷能力,四周无约束.为了比较客观地反映沥青加罩层的力学响应

面层厚

度󰃗cm

46912

3.5　计算分析

3.5.1　面层厚度对加罩层的力学影响　除上面

层厚度外,路面结构其余各层的计算参数见表1.

上面层的厚度分别按4,6,9,12cm来计算.计算结果列于表2.

表2　沥青加铺层厚度变化的计算结果

　沥青下面层层底最大应力值󰃗kPa　　接触面横向裂缝最大应力值󰃗kPa　　ΡX3.633.242.782.35

ΡY3.333.092.712.39

ΡZ36.1930.0721.4016.51

ΣYZ47.2843.7639.2438.97

ΡX44.3541.7738.0234.46

----

ΡY30.29.27.25.

43131720

ΡZ28.4625.1618.6814.63ΣYZ88.2678.9266.7156.62

　　　　　　注:负值表示受压.

　　从表2可以看出:(1)面层厚度的变化对沥青下面层层底的应力都有一定的影响,其中ΡY,ΣYZ的最大与最小值相差分别为39.3%,21.3%,且随着面层的厚度增加,两者的值均逐渐减小,说明面层厚度的增加对中面层的弯拉应力有利;(2)对旧板裂缝位处的最大应力,ΡY值为负值,表现为受压状态;ΡX和ΣYZ值随着厚度的增加而减小,且对于ΣYZ值,最大值与最小值的相差幅度为55.9%.

计算结果说明:面层厚度的增加,对防治因车辆荷载引起的剪切型反射裂缝有一定的好处.3.5.2　应力󰃗应变吸收夹层模量对加罩层的力学响应　应力󰃗应变薄膜夹层是人们最早用来防治反射裂缝的措施之一,许多工程实践表明,在沥青砼与旧砼板之间设置应力󰃗应变吸收软夹层,具有延缓或抑制反射裂缝产生的作用.软夹层材料通常采用具有抗变形能力强、劲度模量低的橡胶沥青、土工织物类等土工材料.在这两种材料中,由于土工织物的柔度较大,温度变化影响下的变形能力小以及在低温时不易脆化,因此,在工程中常

常采用土工织物.但到目前为止,土工织物的铺设范围及其防治效果等都没有一致的结论.文中就应力󰃗应变夹层的模量变化,分析对荷载作用下路面的力学响应.

除夹层模量外,路面结构其余各层的计算参数见表1.夹层模量分别取为0(不设夹层),5,50,100,500,4000MPa.计算结果列于表3.由表3

可以看出,不管设置夹层与否,还是夹层的模量在一个较大的幅度内变化(本研究是从5MPa到4000MPa),其对沥青加罩上面层以及接触面横向裂缝处的应力影响都很不明显,几乎不发生变化;然而夹层的存在,对其附着层,即下面层层底的应力影响十分显著,当不设夹层时,对容易引起横向裂缝的ΡY值为4.75kPa,ΣYZ值为71.02kPa,当设置夹层后,即使模量仅为5MPa,ΡY值为3.17kPa,Σ.35kPa,分别减少了33.YZ值为4726%和33.33%.这说明,当设置夹层后,对其附着

层底的弯拉应力和剪切应力减少十分显著.但设置夹层后,其弹性模量大小在一定范围内变化时对其附着层的应力响应变化不是很明显.

・214・武汉理工大学学报(交通科学与工程版)　　　　　　　　　　　2005年　第29卷

表3　夹层模量变化时的计算结果

沥青中面层底最大应力值󰃗kPa　　kPa　夹层模　沥青上面层底最大应力值󰃗量󰃗MPaΡXΡYΡZΣYZΡXΡYΡZΣYZ

17.96.96.6570.945.3.7554.3871.02517.96.96.6570.943.573.1736.2547.355017.97.8396.6571.003.603.2536.2247.3110017.98.76.6571.063.633.2336.1947.2850018.06.3496.6371.504.213.9735.9747.03400018.8485.7596.5273.909.739.2934.5445.63　　注:负值表示受压.

接触面横向裂缝最大应力值󰃗kPa　ΡX

44.3944.3944.3744.3544.1942.83

------

ΡY30.30.30.30.30.29.

454544433247

ΡZ28.4928.4928.4728.4628.3427.49ΣYZ88.5088.4888.3888.2787.4073.90

参考文献

　　以上分析是针对荷载型反射裂缝的情况,对温度型反射裂缝还有待进一步的研究.

1　周富杰,孙立军.复合路面沥青面层最佳厚度.同济

大学学报(自然科学版),2001,29(10):1234～1239

2　周富杰.防治反射裂缝的措施及其分析:[学位论文].

上海:同济大学,2000

4　结束语

通过实例研究分析可以发现,面层厚度的增加对防治荷载型反射裂缝有一定的好处;当设置应力󰃗应变吸收夹层后,无论是对加铺在其上面附着层层底的弯拉应力还是引起剪切型反射裂缝的剪切应力的减少,效果将十分明显.因此,三维有限元的计算方法,可用于了解荷载型反射裂缝的产生和发展.当若能借此找到更为有效的延缓反射裂缝产生的办法,其意义将十分显著.

3　周志刚,张起森.交通荷载作用下土工格栅防止沥青

路面开裂的桥联效应.中国公路学报,1999,12(3):

27～34

4　周若来,沈成武.某高速公路跨线桥裂缝成因分析.武

汉理工大学学报(交通科学与工程版),2003,27(1):

84～87

5　刘大鹏,周建中,刘志强.软基变形的有限元计算与实

测结果的分析.武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2003,27(6):833～836

6　庄继德.汽车轮胎学.北京:北京理工大学出版社,

1996.131～142

FiniteElementAnalysisofLoad2bearingReflectionCrack

inAsphaltOverlayonExistingPCC

LiYueguang　HuXiaodi

)

(SchoolofTransportation,WUT,Wuhan430063)1)

(CollegeofCivilEng.&Mechanics,HUST,Wuhan430074)2)

Abstract

Asphaltoverlayisoftenoneofasimpleandeffectivemeansofimprovingtheperformanceofex2istingPCC,butalsoamainproblemcommonlyencounteredwiththereflectioncrackintheasphalt.Soitisioverlaysmportanttoresearchthereflectioncracktothiscompositestructure,anditisdiffi2culttoo.Inthispaper,someinformationinChinaandothercountriesabouttheresearchofreflectioncrackhavebeencollectedandanalyzed,andathreedimensionalfiniteelementanalysismethodisusedtoanalyzetheload2bearingreflectioncrack,therulesofthemechanicsresponseasthechangingofoverlaysthicknessandmodulusofSAMareanalyzed.

Keywords:cementconcretepavement;asphaltoverlay;load2bearingreflectioncrack

因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容

查看全文