倒装式沥青路面结构力学性能的有限元分析

1、·261·9月中 倒装式沥青路面结构力学性能的有限元分析吴进良 1 彭 伟 2(重庆交通大学土木建筑学院 重庆 400074;重庆交通大学交通运输学院 重庆 400074【摘要】 通过运用 ANSYS 软件对倒装式沥青路面结构进行了数 值模拟,建立了倒装式沥青路面结构力学响应三维有限元分析模 型,分析总结出在标准轴载作用下厚度和模量参数对该种路面结 构应力及位移的影响,为倒装式沥青路面结构的设计与实践提供 了理论参考。【关键词】 有限元;力学性能;应力;弯沉半刚性基层沥青路面由于具有整体强度高、造价低、板体性 好等优点,在我国得到了广泛应用。但在湿度和温度变化时它易 产生收

2、缩开裂,导致沥青面层产生反射裂缝,继而降低沥青路面 使用寿命。为了克服这些缺陷,研究人员在沥青路面半刚性基层 之上添加了一层过渡层 (级配碎石层 , 形成倒装结构沥青路面。 为了从理论层面深入研究倒装沥青路面结构,笔者建立倒装沥青 路面结构力学响应三维有限元模型,分析总结该沥青路面结构在 轮载作用下力学响应分布特点,为倒装沥青路面的设计与实践提 供理论参考。1. 力学指标的选取公路沥青路面设计规范 (JTG D50-2006采用沥青层底拉 应力、路表弯沉、面层剪应力作为新建公路沥青路面设计指标来 控制路面的疲劳破坏,保证路面的整体刚度,防止路面表面层出 现局部剪切破坏 1。文献 2研究表明,表

3、面层最大剪应力对于沥 青路面表面层的车辙和位于轮迹带上的早期纵向开裂等剪切损坏 起关键作用。基于此,笔者决定采用路表弯沉、沥青面层和半刚 性基层底拉应力、沥青面层和级配碎石层最大剪应力作为结构分 析的力学指标。2. 路面结构参数与三维有限元计算模型的建立 2.1 路面结构的选取路面结构不同,其结构层内的力学响应也有所区别。参考现 行规范及大量试验路段工程实例,最终确定本文采用的基准倒装 沥青路面结构的材料主要参数如表 1所示 :表 1 基准倒装沥青路面结构材料主要参数路面结构 厚度 h/m弹性模量 E/MPa泊松比 沥青混凝土上面层 0.0514000.30沥青混凝土下面层 0.1012000

4、.30级配碎石基层 0.204500.30水泥稳定碎石底基层 0.301500 0.25土基6.0600.352.2 三维有限元计算模型的建立公路沥青路面设计规范 (JTG D50-2006采用双圆垂直均 布荷载作用下的多层弹性层状连续体系进行路面结构设计,而文 献 3研究表明,轮胎作用于路面的形状更接近于矩形,因此笔者 采用荷载接触面为矩形且为均布荷载的有限元计算模型。荷载采 用黄河 JN-100标准车型,轴重 100kN ,轮压为 0.7MPa 。 模型采用单元类型为 SOLID45单元,取路面平面方向的尺寸 取为 6×4m (长 ×宽,深度方向各层具体厚度见表 1。其

5、中 z 轴为横向坐标 (路面横向 , y 轴为竖向坐标 (深度方向 , x 轴为 纵向 (行车方向 。文中车辆荷载采用的双矩形均布荷载关于模型 为对称荷载,为了建模的简便,只取模型的 1/4进行建模,即建 模平面尺寸为 3×2m 。进行 ANSYS 分析时,划分单元网格如图 1所示,其中 Y 轴 为竖向坐标(深度方向,如下图 1: 图 1 网格划分ANSYS 建模时取结点加面荷载,轮载面积为 20cm ×16cm ,车轮间距 32cm ,轴长 176cm 。3. 计算结果及分析在这里分别改变面层弹性模量和厚度、级配碎石层模量和厚 度,分析这些参数变化所引起的弯沉和应力的变化

6、。3.1 路表弯沉变化所有计算以基本模型为基准,其他参数不变,只变单一变 量。本文沥青面层分为上下层,选取模型参数时,上面层弹性模 量变化的同时下面层弹性模量也作适度的变化。计算时上面层模 量 分 别 取 900MPa 、 1200MPa 、 1400MPa 、 1800MPa 、 2000MPa , 下面层模量相应的取 700MPa 、 1000MPa 、 1200MPa 、 1400MPa 、 1800MPa 。其它参数变化见表 2表 5。表 2 不同面层模量下路表最大弯沉值上面层模量 /MPa9001200140018002000最大弯沉 /0.01mm55.251.149.347.44

7、5.9表 3 不同面层厚度下路表最大弯沉值面层总厚度 /cm1013151825最大弯沉 /0.01mm52.550.349.347.644.7表 4 级配碎石基层不同模量下的路表最大弯沉值级配碎石模量 /MPa250350450550650最大弯沉 /0.01mm53.85149.348.147.2表 5 级配碎石基层不同厚度下的路表最大弯沉值级配碎石厚度 /cm710162025最大弯沉 /0.01mm50.950.549.849.348.7从表 2表 5中可以看到:路表弯沉随面层、级配碎石层、 半刚性底基层模量和厚度的增大而逐渐减小, 但减小幅度均较小, 由此可以看出在一定范围内这些参数

8、的变化对弯沉并不会产生很 大的影响。3.2 层底最大拉应力和层间最大剪应力变化大量分析和实践经验表明,影响倒装结构疲劳寿命的主要是 沥青面层中的最大拉应力、最大剪应力与级配碎石层中最大剪应力。笔者在这一并分析倒装沥青路面各结构层模量和厚度变化时 半刚性基层层底最大拉应力的变化。计算所得曲线见图 2图5。图2 沥青面层模量与最大应力关系曲线图图 3 沥青面层厚度与最大应力关系曲线图图 4 级配碎石层模量与最大应力关系曲线图(下转 98页·98·20149设计健康、舒适、高效的办公环境。在建筑设计里,着重的考虑 了空间灵活隔断的设计,满足不同使用者不同空间大小的使用。 6A 甲

9、级写字楼通风设计是该建筑一大亮点,满足室内空气高 质量的要求,房间、走廊的新风量远高于国家标准,在建筑内采 用了新风循环保证了室内的空气质量。设计中充分考虑了室外的 新风口的位置, 以及建筑的入口、 可开启的门窗远离潜在的污染源。 供暖空调系统的冷、热源几组能效均高于现行国家标准公 共建筑节能设计标准及相关标准的规定。大堂的高大空间采用 了一次回风全空气系统,大大提高了室内的空气质量。 90%及以 上的主要功能房间供暖系统末端可以独立调节,改善人员在室内 的舒适性。6A 甲级写字楼最大化节水以减轻市政供水与排水负担。使用 高节水的洁具(大便器、小便器。大便器:每次冲水量 6L ;小 便器:每次

10、冲水量 3.8L ;低流量盥洗水嘴:1.9L/min。达到了节 水器具的二级要求。 集中空调的循环冷却水系统采用了节水技术。 冷却塔循环水设置全程物理化综合水处理装置,冷却塔管路设置 平和管。运行时,横流式冷却塔的增发耗水量占冷却水补水量的比例 不低于 80%。本项目选用密闭性能阀门、设备,使用耐腐蚀、耐 久性能好的管材管件,室外埋地管道采取有效措施避免管网漏损 造成修理的麻烦。办公室的自然采光主要由北面和南面的窗户获得的,北面和 南面均采用玻璃幕墙,最大化的利用自然采光,并设置了电动百 叶遮阳帘,根据自然光的强度来调节照度避免眩光,最大限度地 节约照明能耗。6A 甲级写字楼采用了规整的方盒子

11、,在满足形态,造型美的 前提下,把体型系数降低到最小。体型系数越小,单位建筑空间 的热散失面积越小,能耗也越小。因此把握建筑体型系数,是满 足建筑节能设计的关键。在建筑的室外环境设计中,通过合理的朝向布局、建筑迎风 面与城市接到的关系处理、绿化与水体的合理布置等方法进行自 然通风的引导,避免建筑不合理的布局而导致 “ 热岛效应 ” ,坚 持引风入城、导风过城、 “ 留风 ” 的室外环境的设计原则5.4建筑立面设计立面设计对建筑物的整体形象具有重要影响,由于建筑设计 中对工程与技术方面的侧重,往往对立面设计重视度不够,建筑 立面与城市街景、理想与建筑体态的相互关系也牵涉建筑品质和 社会价值的实现

12、,因此在高品质建筑的立面分析设计中,要把握 好本身立面处理中美观、面层材料、造价及设计者追求的时代性 的表现手法,还要处理好建筑物与周边环境的有机融合。建筑的可认知性作为一项重要的设计标准,人的视点与建筑 的距离成为设计的重要因素。 作为一栋大体量的城市商业综合体, 从远处看人们对其主要的形体和色彩的认识, 主要是考虑天际线、 塔楼形象、色彩、高大灯箱和广告的设计。建筑体块的错落关系 形成起伏的天际线,可彰显整个建筑的完整和富有张力,营造出 丰富的商业氛围;塔楼的昭示性可以提升商务办公与项目自身的 品质。在中距离观察建筑时,人们对其的认识主要体现在材质的 搭配和体块的组合上。体型穿插及玻璃、金

13、属和石材的有机组合成为现代商业建筑 立面设计的重点。在近距离和建筑内部体验建筑时,人们对建筑 的认识主要通过细部设计及低处的店招和广告位的设置等。设计 中近人尺度的处理应遵循亲切宜人的原则,在色彩和材质变化统 一的基础上, 细部设计可给立面带来丰富的光影和更多的趣味性, 满足商业休闲空间对立面造型的氛围要求。在立面造型上,塔楼立面风格为由玻璃和框架石材幕墙混搭 的现代经典风格,塔楼裙房风格与主体相一致。奠定了整个建筑 的主题和骨架。塔楼的主立面追求纯净,强调横向线条的隐框玻 璃可体现整个建筑简洁大方的形象。塔楼侧面的材料为石材结合 玻璃, 两种材质在外立面上保持平滑, 简洁流畅, 极具挺拔的力

14、度。 商业立面主入口采用半透明的形玻璃,整体简洁,有利于广告位 布置。6结语办公综合建筑是城市公共建筑中主要类型之一,其建筑能耗 较大。在满足使用功能及艺术效果的同时也要注重节能设计,切 勿顾此失彼。建筑设计要对节能设计方法统一考虑,以集成化、 整体化的建筑设计创造一个既节能又环保的健康、舒适的办公环 境。参考文献: 1民用建筑设计通则GB5035220052公共建筑节能设计标准GB50189-2005(上接 261页图 5 级配碎石层厚度与最大应力关系曲线图(1从图 2知,随着面层模量增长沥青面层层底的最大拉应力快速增加,且增幅很大而半刚性层底的最大拉应力有所降低;沥青层最大剪应力逐渐增加,

15、级配碎石层最大剪应力有所下降,但变化幅度不大。(2从图 3知,随着沥青面层厚度的增加,沥青层层底最大拉应力呈抛物线形变化但幅度不大,而半刚性基层层底的拉应力逐渐减小;沥青层最大剪应力在 18cm 之前逐渐减小,随后缓慢上升,但变化不大,级配碎石层最大剪应力变化不明显。(3从图 4知,随着级配碎石基层模量的增大,沥青层层底最大拉应力减小,之后缓慢减小,而半刚性基层层底最大拉应力逐渐减小,但幅度较小;沥青层的剪应力逐渐减小,其模量达到450MPa 左右之后变化幅度趋向缓和,而级配碎石基层最大剪应力随着其模量的增加逐渐增大。(4从图 5知,随着级配碎石基层厚度的增加,沥青面层层底的最大拉应力逐渐增加

16、,且增幅较大,半刚性层底的最大拉应力有所降低;沥青层最大剪应力有增加,但变化微小,而级配碎石层最大剪应力逐渐减小,但变化也较小。4. 结语本文采用 ANSYS 有限元程序对静载作用下的三维沥青路面结构模型进行了数值效应分析。 文中分析了沥青面层模量、 厚度,级配碎石基层模量、厚度对倒装式沥青路面结构的影响,所得主 要结论如下:1、倒装结构中沥青面层考虑到各种因素的影响,模量应达到 一定的强度,不能过小,同时考虑到道路修建的经济效益,应选 择合适的面层材料。 此外考虑到级配碎石层和沥青面层的剪应力、 路表最大拉应力,面层厚度不宜太薄。2、从力学上看级配碎石作为受压的中间层是安全的,但该层 不能太

17、薄,太薄不足以起到减少反射裂缝的作用,太厚则使路表 弯沉过大,而且较强的两层材料中间夹一层厚的较软层,结构会 不稳定,一般取 1520cm 较合理。考虑到级配碎石防裂基层必 须具有较高的强度,其模量最好在 350MPa 以上。参考文献 :1 JTG D50-2006,公路沥青路面设计规范 S.2 毕玉峰 . 沥青混合料抗剪试验方法及抗剪参数研究 D. 上 海:同济大学, 2004.3 胡小弟 . 轮胎接地压力分布实测及沥青路面力学响应分 析 D. 上海:同济大学, 2003.4 李艳 . ANSYS在道路路面结构计算中的应用 J. 城市道 桥与防洪, 2005, (2:100102.5 陈东鹏,童申家 . 倒装结构沥青路面面层层底拉应变分 析 J,公路工程,2010年 35卷第 1期,7981.6 金江 . 半刚性基层沥青路面的倒装结构综述 J . 北京工 业大学学报,2003年第 29卷第 4期, 465467.作者简介:1. 吴进良(1973-,男,副教授,博士,现主要从事山区公 路路基结构设计理论与灾害治理