非均布轮载加载对沥青路面力学结构的影响

1、长安大学学报$自然科学版% &()*+,-./+*01+*2*345)6378$9+7()+,:;35*;5<=373*%第 !"卷 第 !期!#"年 "月>,?!" 9?!+)A!#"文章编号BCIGCJJGF$!#"%#!#"!#E考虑非均布轮载效应时超载对沥青路面结构的力学影响H$同济大学 道路与交通工程教育部H上海!#F!%摘 要B超载是中国公路上普遍的现象H而且超载时轮胎接地往往表现出非均匀分布特性H这将对路面结构产生很不利的影响K采用三维有限元分析H分析了柔性基层和半刚性基层的沥青路面结构H在

2、不同的超载量情形下路面结构应力响应的差异K B沥青路面L超载L应力响应L非均匀分布L三维有限元号B2MCI?#C文献标识码BNOPQRSSQRSTUVSRUWXSTYXZPTXRRVPXSR_aURQZUX_bVcV_RQVUVdVbWUQ _bSPQbPR_PbQRTQRSSQRef ghijkhHlfm nhopq$r58s+tA-3*367)8-<=(;+73*u+=+*=v)+-3;<*03*55)3*0Hv*0w32*345)6378H:/+*0/+3!#F!H./3*+%xSPQXPBv/545),+=3*03645)8y)54+,5*7*/30/z+83*./3*+H

3、+*=7/573)5y)566()57+56*(*3-)| =367)3t(75=H637z(,=t545)8=36+=4+*7+05(677/5y+45|5*767)(;7()5AN 7/)55=3|5*63*+,-3*3755,5|5*7+*+,8636|57/= 36(73,35= 7 +*+,857/5=3-5)5*;5-|5;/+*3;6)56y*65(*=5)=3-5)5*7,545,645),+=3*063*+6y/+,7y+45|5*7-63|3)303=t+65,+85)+*=-,53t,5t+65,+85)A!Ra"UQ_SB+6y/+,7y+45|5*7L45)

4、,+=3*0L|5;/+*3;6)56y*65L*(*3-)| =367)3t(75=L"#-3*3755,5|5*7|57/=车辆荷载的作用是影响路面使用的关键因轮重表征K中国及其他的一些辆有一个最大车辆总重和轴重然而H在中国或其他的一些对道路上行驶车值H见表 CKH超载现%7一H它一般以车辆$单车或组合车%总重$各轴型$单轴$双轴或三轴%的轴重$各轮组$单轮或双轮%的表 C 道路上行驶车辆的轴重和车辆总重最大容许值象十分普遍K有关研究者对河南几条干线公路做过发现C(H单轴超过 C#7的车辆超过 !M?"M)H甚至超过 !#7的车辆也有 C)L超过 !#7的双轴约为JJ?

5、EC)H超载比例更大H其中最大双轴重超过 E#7H超载率超过了 CG#)KCFFF年H湖南省有关对境内 C#G国道耒宜段进行了超载情况!(H结果表明H重车超载率一般在 G#)&!#)之间H最大超载达额定荷载的 "#)KC#G国道湖南段大量的车收稿日作者简介B$CFGC%H男H湖南常德人H华技大学教师H同济大学博士生A中国美国各州欧洲各国轴重单轴C#J?!&C#?#E?E$前轴%HF?CF&C"双轴C#$单轮%HCJ$双轮%CM?E&CJ?CCGCI&!三轴C!$单轮%H!$双轮%!#!M!#&!I车辆总重M#"&qu

6、ot;&GM!"?G$三轴%H"C?I$M%H"F?E$E%HMI?E$I%HE"?E$G%"E&E#第 *期$等C考虑非均布轮载效应时超载对沥青路面结构的力学影响""辆轴重情况结果显示!"#$标准轴重约 %&的中型34456 对一些型号的轮胎作用于对路面的分货车实际载货量经常超过 (&$大型货车单后轴重达 )&以上的现象并非鲜见$某些改装车的后轴重布进行量测发现!(#$轮胎在一定负荷范围内$其中部7约占整个轮胎宽度的 )(18的接地是基本保持不变的$而增加的荷载被作用在轮胎

7、的两侧7如图 "798所示$其中 :表示接地宽度$;表示接地长度且在整个接地长度内荷载作用集度假设是均匀分甚至高达 *(+"(&,图 -图 *是其结果$货车主导车型是以 %&额载为特征的中型汽车$这类车满载的后轴重在 .&左右$而图中实测轴重以 *+%&为多$反映了超载的严重程度,图 *是根据车型参数布的8,他按测量结果回归出来的接地分布公式和轴重结果得到的超载率分布图,从图中可以(?%"* A %.?0)< =%"0?(%看出$不光超载车辆比十分突出$达到了 /01$而且超载率也十分惊人$超载在 (1+*(1的量占

8、了<( = (?B)<A .%式中C为轮胎负载7DE8$且其适用范围为 *(+ %(DEF<为轮胎胎压7DG98且其适用范围为 0*(+ .*( DG9,整个货运车辆的 %(1以上$有的超载率竟然达到了 "(1+0(1,因此$分析超载对路面结构的影响十分必要,本在这种轮载 胎压回归的基础上对不同的路面结构在车辆的不同超载情形下的力学特性进行分析,要注意的是$上面两式回归分析的结果是光滑胎面的接地情况7作用面如图 "7I8所示8$对花纹轮胎并没有可靠的测量结果,然而$实际作用于路面的轮胎是有花纹的,为了使得计算的结果更接近于实际情况$分析时按一般轮胎的花纹量

9、7.*1+ B(1的实际作用面积!0$%#8进行理想化的折减$本文取 (?.%的横向折减系数7相当于胎面上是横向花纹$实际上重型货车的轮胎主要以横向花纹为主8$如图 "7J8所示$阴影部分表示荷载作用的位置$折减时每种相应负荷的整个作用面积假定与没有考虑折减时是一致的,图 货车后轴轴载谱图 " 轮胎接地分布图 * 货车超载比分布图根据 34456 的回归公式$考虑到其适用荷载范围为 *(+%(DE$可以计算黄河 KE%(车型在不同的超载量作用下不同路面结构的应力响应,该车型的单轮标准轴载为 *%?0DE$双轮中心距为 "0) LL$标准胎压为 )"(DG

10、9$胎面宽度为 *""LL,分析时单轮负荷分别按 *%?0DE7额定负荷8-"(?%B DE-"B?DE-%(?BDE 取值,为了便于对比$一方面$分别按面积的折减与不折减两种情形进行最大剪应力以及层底弯拉应力的计算F另一方面$按多层弹性体系计算每种结构在车辆不同负载情形下的轮隙理论弯沉,因多层弹性体系只能计算圆形均布荷载$故计算时需要将矩形接地面积转化为圆形$对每种负载$假设荷载作用面积轮胎接地形状-接地面积及接地压力实际轮胎作用于路面的形状及垂直应力相当复杂$并非多层弹性体系理论中的圆形均布所能简单地描述, 大量的文献资料!0+ (#及其试验结果显示

11、$轮胎作用于路面的形状更接近于矩形$且随载荷的增加$矩形形状越明显,同时$作用面内的垂直作用力的大小也随之发生很大的变化$呈明显的非均匀分布,轮胎作用于路面的这种不规则性对路面的力2学影响也本差异,荷载接地面积假设为矩形, 南非学者长安大学学报<自然科学版=/8年85不发生变化!由此便可以推算出相应的圆形均布接形的接地面积则作用的长度应该是发生改变的"同地半径及接地"按 #$%& 的理论!若轮胎作用时!表 是计算用的各种超载情形荷载参数"用于路面的面的宽度保持不变的话!当负荷量发生改变时!对矩表 计算荷载参数表析范围 ABC轴方向各为 431!D方向

12、深度根据路面结构的不同!需依据理论弯沉值的大小进行调整"计算用路面结构的选取路面结构的不同!其结构层内的;应应该计算采用 6结点等"边界条件假设为E底面上没有 D方向位移!左右两面没有 A 方向位移!前后两侧没有 C方向位移!层间完全连续"是有所区别的!因此有必要对不同的路面结构进行计算分析"本文选取了三种不同的路面结构进行计算分析如图 5!各结构的材料性能指标及厚度也列于图中"其中结构<.=和结构<>=属于半刚性基层路面!结构<?=是柔性基层路面"图 3 有限元模型示意图计算结果及分析根据以上的计算条件!将各

13、种情况的计算参数输入通用的有限元计算程序进行计算!计算的结果列于表 8"同时为了有一个直观的比较!将三种结构的最大剪应力峰值的变化图以及结构 .和结构 ?的FGH,848811 平面的最大剪应力分布示出!分别见图 :B图 7"根据表中的计算数据!可以发现以下的一些基本规律"<,=轮隙理论弯沉随着荷载的变化而呈现出相应比例的变化!如图 :所示"<=荷载作用面积的折减与否!会对路面结构的最大剪应力值有很大的影响" 如对结构 .!当超载3/46)* 时!同样的负荷!面积的折减比不折减的最大剪应力峰值提高了 3,45I<分别为 /46

14、,3&-.和 /45378&-.=J柔性基层路面!面积的折减与否对路面结构内的最大剪应力影响不如半刚性基层的明显"当考虑面积的折减时!每种路面结构内的最大剪应力峰值的作用深度位置都由下逐渐往上发展"<8=随着超载量的提高!各结构内的最大剪应力峰 值提高也非常明显!如结构?!当单轮负荷增加一图 5 计算用路面结构有限元的计算模型根据上面的分析数据!就可以进行三维有限元的分析!分用通用有限元计算程序"计算模型如图 3所示"依据垂直应力及接地的特性!分负荷()*+,(&-.+/(&-.接地宽度 0(11接地长度 2(11圆

15、形半径(11圆形接地(&-.345/4365/47,788,3749:,/645/4:9/8/4,36/47,7/47,788,6/437,347/47,7864,/466:/47,788,7463,74,/473,3/46/,4/,7/47,7886/4:5,5547/4777第 /期8等?考虑非均布轮载效应时超载对沥青路面结构的力学影响!0表 ! 计算结果面层最大弯拉应力"()及其作用位置"%基层最大弯拉应力"()及其作用位置"%作用面积负荷"#$弯沉"%弯沉增减比"&最大剪应力峰值"()及其位

16、置"%峰值增减比"&结构*+*,*+*,/01231224331/!5!567421589:178 /313<33177!7638383<313/296/4:10838 733<313/0363838 2/3<313!5463838 2/3<!31/310!=741:531/!943675!13838 4313<=31/2317/!2638383<313!536/4:10838 733<313/:063838 2/3<31322763838 2/3<不折减!41731959=0314:31/9/036/99

17、1/85/138 7!1!<=7310:317!/5638383<3139736/4:10838 733<313!9:63838 2/3<31302!63838 2/3<结构031431:34=73/15331/47706/991/85/138 7!1!<=74122317!73638383<31342:6/4:108531/8 753<31324263838 2/3<3139:763838 2/3</01231!37526/2/1:80:1/8 7!1!<33173/96387:1583<313!326/4:10838

18、733<313/0363838 2/3<313!5963838 2/3<)!31/31!5:06/991/85/138 7!1!<=7/1333173:46387:1583<3132276/4:10838 733<313/:063838 2/3<3132!463838 2/3<折减!41731!45006/991:85/138 7!1!<=/4122317727638383<3139276/4:108531/8 753<313!9463838 2/3<3130!563838 2/3<0314312/05!6/991:

19、85/138 7!1!<=2713:317/70638383<3134206/4:108531/8 753<31324!63838 2/3<31395563838 2/3</0123199/331/27767421589:178 /013<3313775638383<3132576/4:10838 7/3<3132!567/912838 !/3<31357363838 !/3<!31/315!:=7414731/0096/551:8771!8 /013<=3190313303638383<3130:!6/4:10838 7

20、/3<31307!67/912838 !/3<3134/963838 !/3<不折减!41731:!9=0312431/!:56/991/85/138 7!1!<=21233137!3638383<31433:6/4:10838 7/3<3139!467/912838 !/3<31733463838 !/3<结构031471/0/=7371!331/29906/991/895158 7915<=73139313093638383<3177076/4:10838 7/3<3134!4673!17838 !/3<317/0:6

21、3838 !/3</01231/95!06/2/1:80:1/8 7915<331337:6387:1583<3132:26/4:10838 7/3<3132!067/912838 !/3<31353!63838 !/3<-!31/31/:3/26/991/895158 7915<=41093133506387:1583<3139/76/4:10838 7/3<31307767/912838 !/3<31347963838 !/3<折减!41731!22/6/991/895158 7915<=/013:313/426383

22、83<3134226/4:10838 7/3<3139!263838 !/3<313:4:63838 !/3<031431!5/326/991/895158 7915<=!:17931397!638383<31770!6/4:108531/8 7/3<3134/263838 !/3<317/763838 !/3</01231992331/97:06797128:1:8 73915<3313420675!13838 7/3<3170!:675!13838 7/3<!31/3154:=7414!31!73:26797128:1

23、:8 73915<=41043134:675!13838 7/3<3179!9675!13838 7/3<不折减!41731:4=031!331!73:26797128771/8 73915< =74153313:9!67:91!838 7/3<3179:4675!13838 7/3<结构.031471!=73314331!37!679712875108 73915< =/913!31737267:91!838 7/3<317052675!13838 7/3</01231/05376/991/80:1/8 7!1!<331347967

24、5!13838 7/3<3172/675!13838 7/3<!31/31/:!7/6/991/80:1/8 7!1!<=72130313404675!13838 7/3<31724/675!13838 7/3<折减!41731!23:76/991/80:1/8 7!1!<=!/192313:3367:91!838 7/3<31724/675!13838 7/3<031431!43956/991:80:1/8 7!1!<=24177313:3:67:91!838 7/3<317/52675!13838 7/3<注?轮隙弯沉是按多

25、层弹性体系理论计算出的理论弯沉AB面层与基层的最大弯拉应力只分析考虑了荷载作用面的范围6指平面位置<AC 最大剪应力峰值最大弯拉应力值作用的平面位置8是与 D 轴与 E轴呈对称分布的8即在一个平面内有四个点8表中只列出其中一个位置点F倍时8峰 值提高了2417G6见 图9及表 /中的数据<F相比较而言8柔性基层路面结构的最大剪应力值随负荷增加的幅度要高于半刚性基层的增加幅度 6本计算分析范围内<F从图 5还可以发现8当超载量提高时8也就是荷载的非均布性更加明显时8面层平面内的最大剪应力分布的非均匀性也更加显著F62<轮载作用范围内面层的最大弯拉应力8随着负荷的增加变化不

26、太明显8而且当考虑荷载作用面积折减时8拉应力却相应减小F对半刚性基层8最大的 *+ 值基本都作用于路表8*, 基本作用于面层底部且为负值8表示为受压状态A对柔性基层8最大的 *+值和 *, 值基本作用于面层底部且量值比较显著8尤其是 *, 的量值比较显著F60<基层的弯拉应力6半刚性基层<8也基本随着负荷的增加呈现相应比例的提高F图 9 最大剪图6荷载作用面积的折减与不折减<及弯沉图长安大学学报$自然科学版,288)年);力分布.对更准确的计算路面结构的分必要的1参考文献3应是十6汽车超载对道路公路工程.2888.29$:,3); :86的影响4756中南4(56重载水泥混凝

27、土路面研究4756中国公路学报. (=>.(>$:,3! (866沥青路面超重车轴载换算初步研究4756公路交通科技.288(.(>$(,3=2 =>6催胜明.余 群6汽车轮胎行驶性能与测试4?56北京34254)54:5机械工业.(=966汽车轮胎学4?56北京3北京理工大学495.(=;6陆 金燕6轮胎接地面三向力的动态测量4756橡胶工业.(=2.)=$(8,32( 2;6图 ! 结构 "和结构 #的最大剪应力$%()*)+,4;5结语-轮胎接地面垂直分布的研究4756橡$(,公路超载的使得轮载作用力呈现出明4!56胶工业.(=2.)=$(,32= ):6酒井秀男.管建民6关于橡胶以及轮胎接触显的非均匀性分布$凹型分布,.相对同样荷载的均匀分布作用力而言.对路面结构的最大剪应力等力学影响也会有所不同/同时.当超载量越大时.作用于路面的最大剪应力值0弯沉值0层底弯拉应力值提高幅度也相当显著1因此超载对路面的不利影响.特别是考虑到荷载的非均布特性时是十分突出1$2,已有的计算结果表明.轻型货车对路面结构剪应力的影响.特别是当其超载时的影响是不容忽视的.然而由于缺乏相应的轮胎接地面积及接地压力数据.使得难以对其进行进一步的分析/另一方面.本文所计算