车轮对路面作用的荷载简化模型

车轮对路面作用的荷载简化模型

0非均布垂直荷载和水平荷载作用下的沥青路面应力分析车轮负荷是导致道路破坏的力、压力和位移的外部力。这是引起路面破坏的原因之一。大量的实测结果表明轮胎与路面间的接触压力是非均匀分布的,而且接触面的形状也不是圆形,而是接近椭圆形或矩形。汽车在路面上有停驻、行驶、刹车、转向等状态,随着汽车在路面上运动状态的变化,车轮荷载的作用方向和作用力的大小也将有所改变。当汽车停驻在路面上时,一般只考虑轮重对路面的作用力,且在设计中,只考虑汽车后轴的轮重。当汽车行驶时,后轮对路面除有垂直力以外,还有车轮转动时对路面产生的水平切向力,水平切向力是由于轮胎与路面间的摩阻造成的。当汽车行驶在横向超高较大(如小半径圆曲线)路段将产生较大的水平力。在山区高速公路的上坡路段上,特别是行驶重载和超载车辆的情况下,往往车速缓慢,此时车轮作用在路面上的水平力也是较大的。车轮在制动过程中也会产生水平力。因此,在停车场、车站、交叉路口、爬坡车道、收费站以及其他交通拥挤、车辆行驶缓慢的地方,路面受到车辆水平荷载作用较大,路面较容易产生车辙、坑槽等破坏。本文利用有限元软件MSC.NASTRAN对非均布垂直荷载和水平荷载作用下的沥青路面进行应力计算分析。首先根据轮胎与路面间接触压力的大小和轮胎胎面花纹类型提出荷载简化模型,然后建立沥青路面的有限元计算模型,最后分析路面结构在荷载作用下的受力状况。1模型的构建1.1专利的织物类型目前公路上行驶货车轮胎的胎面花纹主要有纵向花纹和横向花纹两种。本文首先根据胎面花纹类型的不同,将接触面简化成图1和图2所示的两种情况。1.2垂直荷载作用方向1.由前面的叙述可知,轮胎与路面间的接触压力与传统的路面结构设计中采用的圆形均布荷载有很大区别,而且受到轮胎内压、轮胎结构类型等因素的影响。本文根据轮胎胎面花纹类型的不同,参考相关的实测资料,提出一定轮载和胎压下的接触面积内的垂直压力分布,以此作为作用于路表的荷载,用于分析路面结构的响应(如图3)。考虑水平荷载对路面结构的影响时,水平荷载系数,即水平荷载与垂直荷载的比值分别取0.1、0.3和0.5。荷载作用方向为单向,沿y轴正向(如图4),水平力在接触面积内按照与垂直压力类似的方式分布,如表1。可以看到,本文所提出的荷载简化模型与实际情况也有所区别,但它比圆形均布垂直荷载更符合实际,更能反映路面表层的真实轮载作用下的响应规律。1.3有限元模型在沥青路面结构分析时,一般假定路面各层为平面无限大的弹性层,路基为弹性半空间体。采用有限元计算时,无法将模型的尺寸取为无穷大,只能在建立模型时尽量将模型尺寸取得大一些,但尺寸过大,则会大大增加计算工作量。因此宜合理确定其计算模型的尺寸,使其在保证计算精度的同时,又不增加过多的计算工作量。结合以往的计算经验,取路基和路面平面方向的尺寸相等均取为6m,路基深度也取为6m(如图5)。用于计算的典型路面结构层各层材料参数及厚度如图6所示。在计算过程中,模型的边界条件为:路基的一定深度的底面为固定面,路基和路面各层与路线纵向相平行的面没有x方向的位移,相垂直的两个面没有y方向的位移,路面各结构层间为完全连续接触。采用有限元法计算时,单元网格划分的不同对计算结果也有一定的影响,但网格划分过密会使计算工作量大大增加;同时,网格划分过密会使单元尺寸变小,由于计算机舍入误差的存在,反而又可能降低计算精度。此外一般认为,单元网格的布局应与场变量的梯度相符。因此,网格的划分并不是越细越好,只要划分合理,将能取得事半功倍的效果。本文的每个模型网格划分以及单元总数见表2。2结论分析2.1最大剪应力的峰值通过有限元后处理得到的云纹图,观察最大剪应力的分布,并找到其峰值的位置。表3列出了不同荷载作用下路面结构内的最大剪应力的峰值及其位置。从表中可以看到,对于同一路面结构,最大剪应力峰值的位置随荷载的大小和分布形式而变化。当水平荷载较小时,最大剪应力峰值的位置出现在面层表面以下某一深度(如z=3.75cm)处;当水平荷载较大时,最大剪应力的峰值则出现在面层表面,即z=0。2.2轴载大小相同时，三种水平荷载系数的最大剪应力同面积的比较水平荷载系数μ分别为0.1、0.3、0.5时,路面结构内的最大剪应力随深度的变化曲线如图7和图8。从图中可以看到当轴载大小相同时,三种水平荷载系数下产生的最大剪应力仅在面层10cm深度的范围内相差较大,水平荷载系数越大,最大剪应力也越大,而且最大剪应力峰值越接近路表面。随着深度的增加,三者产生的最大剪应力接近相等。就本文计算结果表明,水平荷载系数为0.5时,最大剪应力峰值在路表。2.3含螺纹轮胎、横向织物的含纵向花纹和横向花纹两种分布形式的荷载作用下,路面结构内的最大剪应力随深度的变化曲线如图9和图10(图中A表示纵向花纹轮胎,B表示横向花纹轮胎)。从图中可以看到在路表面以下35cm的范围内,横向花纹分布的荷载产生的最大剪应力大于纵向花纹荷载产生的剪应力,当深度大于35cm时,两者产生的最大剪应力相差很小。2.4拉应力及主应变的影响车辆在路面上行驶时,路面各点的应力状态是相当复杂的,处于拉压应力和应变交替变化的状态。图11表明单轴的动力荷载在面层中产生的辐向应变,由Monismith首先测得。该图表明在单轴荷载作用时,面层表明上的一点当车轮接近时首先受拉,当车轮压在该点的瞬间则受压,随后当车轮离开时再次受拉。这一点从本文的计算中也可以得到验证,考虑路表沿y方向的不同计算点,得到各点最主应力和主应变的变化曲线如图12、图13。从图中可以看到,当不考虑水平荷载时,最大主应力和最大主应力均为对称分布,在|y|=0.2m附近出现拉应力和拉应变,拉应力的最大值为29.37kPa。考虑水平荷载时,最大主应力和最大主应变不再是对称分布,不同大小的水平荷载影响也不一样,水平荷载系数为0.1时,对最大主应力或最大主应变的影响很小,拉应力的最大值为37.82kPa,比只考虑垂直荷载时增加29%。水平荷载系数为0.5时,y=-0.14m处(水平荷载作用方向的后端)的拉应力和拉应变急剧增加,拉应力的最大值为328.89kPa,其大小是只考虑垂直荷载时的11倍。因此,受车辆水平荷载较大的路段,面层在拉应力和剪应力的综合作用下,将在表面产生一些裂纹,随着荷载重复作用次数的增加,加上其它自然环境因素的影响,就会逐渐进一步发展成为松散或坑槽等。3荷载作用的分布和剪应力分析(1)根据轮胎胎面花纹类型的不同,提出两种荷载作用面的简化图,即纵向花纹分布的荷载作用面和横向花纹分布的荷载作用面。就本文计算而言,由于横向花纹分布的荷载作用面积较小,荷载分布较集中,计算得到的最大剪应力较大。(2)水平荷载的大小对路表面10cm范围内的影响较大。水平荷载系数越大,相应的最大