为研究热力耦合下CRC + AC复合式路面结构的力学响应,利用ABAQUS有限元软件,在进行力学分析时,通过定义预定义场的方式将温度条件输入到路面应力模型中,从而模拟路面在温度与荷载应力耦合作用下的动响应,深入了解沥青路面的破坏机理,分析沥青路面在温度和荷载应力的耦合作用下其内部应力应变的分布特性及变化规律。研究结果表明:在温度作用下沥青层受到拉应力和剪应力,载荷和温度共同作用下沥青层转为受压应力和剪应力;在车辆荷载作用下,CRC层顶面受到较大的拉应力和剪应力,且随着轴重增加CRC层顶面受到的剪应力增加;随着沥青层厚度增加,AC层底面横向和纵向压应力逐渐减小,有转变为拉应力的趋势,AC层顶面横向剪应力逐渐增大,底面横向剪应力则减小;降温主要对横向和纵向应力影响较大,降温越大横、纵向拉应力越大,对剪应力影响较小,且降温对CRC层横向和纵向应力的影响更大。 In order to study the mechanical response of the CRC + AC composite pavement structure under thermal and mechanical coupling, the ABAQUS finite element software is used to input the tem-perature conditions into the pavement stress model by defining a predefined field during mechanical analysis, thereby simulating the temperature of the pavement. Dynamic response coupled with load and stress, deeply understand the failure mechanism of asphalt pavement, and analyze the distribution characteristics and change law of internal stress and strain of asphalt pavement under the coupling effect of temperature and load stress. The research results show that under the action of temperature, the asphalt layer is subjected to tensile stress and shear stress, and under the combined action of load and temperature, the asphalt layer turns into compressive stress and shear stress; under the action of vehicle load, the top surface of the CRC layer is subject to greater tensile stress and shear stress, and as the axle load increases, the shear stress on the top surface of the CRC layer increases; as the thickness of the asphalt layer increases, the transverse and longitudinal compressive stresses on the bottom surface of the AC layer gradually decrease, and there is a tendency to transform into tensile stress, the transverse shear stress on the top surface of the AC layer gradually increases, and the transverse shear stress on the bottom surface decreases; cooling has a great impact on the transverse and longitudinal stress, the greater the cooling, the greater the transverse and longitudinal tensile stresses, and the smaller the impact on the shear stress. Compare with AC layer, the cooling has a greater impact on the transverse and longitudinal stresses of the CRC layer.
为研究热力耦合下CRC + AC复合式路面结构的力学响应,利用ABAQUS有限元软件,在进行力学分析时,通过定义预定义场的方式将温度条件输入到路面应力模型中,从而模拟路面在温度与荷载应力耦合作用下的动响应,深入了解沥青路面的破坏机理,分析沥青路面在温度和荷载应力的耦合作用下其内部应力应变的分布特性及变化规律。研究结果表明:在温度作用下沥青层受到拉应力和剪应力,载荷和温度共同作用下沥青层转为受压应力和剪应力;在车辆荷载作用下,CRC层顶面受到较大的拉应力和剪应力,且随着轴重增加CRC层顶面受到的剪应力增加;随着沥青层厚度增加,AC层底面横向和纵向压应力逐渐减小,有转变为拉应力的趋势,AC层顶面横向剪应力逐渐增大,底面横向剪应力则减小;降温主要对横向和纵向应力影响较大,降温越大横、纵向拉应力越大,对剪应力影响较小,且降温对CRC层横向和纵向应力的影响更大。
CRC + AC复合式路面,有限元,热力耦合,动力响应,数值模拟
Fengxiang Deng1, Lukai Xu2, Yu Sun3, Sheng Li3
1Hunan Communications Research Institute Co., Ltd., Changsha Hunan
2Henan Provincial Communications Planning & Design Institute Co., Ltd., Zhengzhou Henan
3Key Laboratory of Special Environment Road Engineering of Hunan Province, Changsha University of Science & Technology, Changsha Hunan
Received: May 9th, 2022; accepted: Jul. 5th, 2022; published: Jul. 20th, 2022
In order to study the mechanical response of the CRC + AC composite pavement structure under thermal and mechanical coupling, the ABAQUS finite element software is used to input the temperature conditions into the pavement stress model by defining a predefined field during mechanical analysis, thereby simulating the temperature of the pavement. Dynamic response coupled with load and stress, deeply understand the failure mechanism of asphalt pavement, and analyze the distribution characteristics and change law of internal stress and strain of asphalt pavement under the coupling effect of temperature and load stress. The research results show that under the action of temperature, the asphalt layer is subjected to tensile stress and shear stress, and under the combined action of load and temperature, the asphalt layer turns into compressive stress and shear stress; under the action of vehicle load, the top surface of the CRC layer is subject to greater tensile stress and shear stress, and as the axle load increases, the shear stress on the top surface of the CRC layer increases; as the thickness of the asphalt layer increases, the transverse and longitudinal compressive stresses on the bottom surface of the AC layer gradually decrease, and there is a tendency to transform into tensile stress, the transverse shear stress on the top surface of the AC layer gradually increases, and the transverse shear stress on the bottom surface decreases; cooling has a great impact on the transverse and longitudinal stress, the greater the cooling, the greater the transverse and longitudinal tensile stresses, and the smaller the impact on the shear stress. Compare with AC layer, the cooling has a greater impact on the transverse and longitudinal stresses of the CRC layer.
Keywords:CRC + AC Composite Pavement, Finite Element, Thermo-Mechanical Coupling, Dynamic Response, Numerical Simulation
Copyright © 2022 by author(s) and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
CRC + AC (Continuously Reinforced Concrete + Asphalt Concrete)复合式路面是在连续配筋水泥混凝土路面上铺筑沥青混合料的一种复合式路面结构,能够在重载交通情况下,提供较好的路用性能,并在较长使用期内不发生结构性破坏,只需对沥青混合料面层进行养护,具有长寿命的特点 [
国内外有很多关于路面结构动力响应的研究。Borros等人推导得到了层状黏弹性半空间体在匀速移动点荷载和线荷载作用条件下的动态响应解 [
国内外有较多的路面结构力学响应研究和热力耦合理论与有限元计算,但是关于道路工程领域CRC + AC复合式路面热力耦合下的动力响应研究较少,进行热力耦合下CRC + AC复合式路面的动力响应研究对指导CRC + AC复合式路面施工有一定意义。
由于尺寸效应模型应尽可能的大,但模型尺寸过大计算效率过低,因此路面结构模型宽(沿x轴)取7.5 m (双车道),沿行车方向(沿y轴)取7.5 m、深度方向尺寸取10 m。路面结构为40 cm水稳碎石 + 24 cm连续配筋水泥混凝土层 + 8 cm沥青层,层间连续,路面结构层参数如表1 [
图1. CRC + AC复合式路面有限元模型
结构层 | 厚度(m) | 不同温度下的 弹性模量(MPa) | 泊松比 | 阻尼比 | 温缩系数(10−5/℃) | 密度 (kg/m3) | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
−10℃ | 0℃ | 10℃ | −10℃ | 0℃ | 10℃ | |||||
沥青混凝土层(AC) | 0.08 | 4200 | 1400 | 1230 | 0.35 | 0.9 | 1.1 | 1.5 | 1.7 | 2400 |
连续配筋混凝土层(CRC) | 0.24 | 29,000 | 0.167 | 0.8 | 1.0 | 2300 | ||||
钢筋 | -- | 200,000 | 0.28 | 0.8 | 1.0 | 7800 | ||||
水泥稳定碎石基层 | 0.40 | 1000 | 0.25 | 0.8 | 1.0 | 2300 | ||||
土基 | -- | 50 | 0.4 | 0.4 | 0.5 | 1800 |
表1. 模型计算参数
为排除模型边界约束条件对应力分布的影响,在模型计算过程中采用八节点实体单元进行建模,该单元能够较好的模拟各结构层的力学性能。边界条件为行车方向前后两侧设置YSYMM (UY = URX = URZ = 0),左右两侧设置ZSYMM (UZ = URX = URY = 0),模型底部由于土基底面的应力应变很小,模型底面可取为固定端约束,即设置ENCASTRE (UX = UY = UZ = URX = URY = URZ = 0)。
沥青面层材料力学和热力学材料属性都随着温度的变化而发生变化,使用顺序热力耦合分析方法,先进行传热分析得到路面结构温度场结果,然后在应力分析时以预定场的方式添加温度场数据,得到CRC + AC复合式路面热力耦合下的应力响应。
根据某地实测一天24小时实测温度数据来定义一天的温度幅值曲线以模拟路面同大气环境的热交换过程,实测温度数据如表2所示。日太阳辐射总量Q为9.14 MJ/m2、日平均风速v为2.9 m/s和日照时间c为9.5 h等外部气象参数。根据相关文献理论 [
时刻 | 气温(℃) | 时刻 | 气温(℃) | 时刻 | 气温(℃) | 时刻 | 气温(℃) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
0.5 | −2.06 | 6.5 | −7.58 | 12.5 | 2.93 | 18.5 | 2.83 |
1 | −2.56 | 7 | −6.59 | 13 | 2.87 | 19 | 3.19 |
1.5 | −1.65 | 7.5 | −8.64 | 13.5 | 3.22 | 19.5 | 2.62 |
2 | −2.05 | 8 | −6.87 | 14 | 4.40 | 20 | 2.41 |
2.5 | −2.99 | 8.5 | −5.46 | 14.5 | 4.23 | 20.5 | 1.98 |
3 | −5.39 | 9 | −4.61 | 15 | 4.98 | 21 | 1.63 |
3.5 | −3.84 | 9.5 | −2.52 | 15.5 | 4.99 | 21.5 | 1.40 |
4 | −4.65 | 10 | −1.67 | 16 | 4.94 | 22 | 0.80 |
4.5 | −6.82 | 10.5 | −0.84 | 16.5 | 4.87 | 22.5 | 0.16 |
5 | −6.37 | 11 | 2.28 | 17 | 4.55 | 23 | −0.27 |
5.5 | −5.21 | 11.5 | 2.90 | 17.5 | 3.63 | 23.5 | −1.08 |
6 | −6.84 | 12 | 2.56 | 18 | 2.99 | 24 | −1.70 |
表2. 某地区低温季节1天24 h的实测代表性气温
我国现行的沥青路面设计规范中采用的是双圆垂直均布荷载,但在实际中,轮胎与地面接触的形状并不是圆形,而是接近于矩形,随着重载车辆的比重越来越大,将轮载的接地形状简化为矩形会更加符合实际。双轮的中心间距采用《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)中的规定值31.98 cm,取行车方向轮胎长度为d = 21.3 cm,宽度L = 16.7 cm,因此,轮胎与路面的接触面积简化为0.213 m × 0.167 m的矩形,接地面积为0.0356 m2轮胎与路面的接触模型如图2所示。
图2. 轮胎接地简化模型
图3. 移动荷载带简化模型
荷载移动带宽度与图3所示保持一致,沿行车方向细分成长度为0.071 m的小矩形,加载时三个小矩形为一个加载长度。车辆荷载沿移动带逐渐向前移动,每个分析步荷载整体向前移动1个小矩形面积,通过设置多个荷载步,实现车辆荷载的移动,如初始荷载加载在1、2、3小矩形,第二个分析步加载在2、3、4小矩形,以此类推。每个分析步的时间大小由车辆的行驶速度决定。当汽车匀速行驶时,荷载经过每个小矩形所用时间相同且大小为:
T = 0.071 V
式中:v为车辆行驶速度,m/s。
行车荷载采用标准双轮轴载100 kN,车轮对地面的压力为0.7 MPa,取车速为60 km/h,行车荷载施加位置如图4所示。
图4. 车轮荷载施加位置图
研究CRC + AC复合式路面在温度和荷载耦合作用下力学响应时,主要对正应力(σx和σy)和剪应力 (τzx和τzy) 进行分析,在预定义场中设置所载入的温度场数据,并通过设置开始分析步和增量步以及结束分析步和增量步来截取冬季低温时段(t = 6 h)的温度场,作为路面结构动力响应分析的典型温度场。取沿行车方向模型长度中点位置分析动力响应,正应力计算位点选取位置为轮载正下方,即E/F点处;剪应力计算位点为轮迹边缘B点。
对CRC + AC复合式路面在温度和荷载作用下不同深度的正应力进行分析,图5为横向拉应力σx随时间的变化,图6为纵向拉应力σy随时间的变化。
图5. 路面结构各层横向应力σx随时间变化规律
由图5可以看出,CRC + AC复合式路面在温度和荷载耦合作用下,结构各层内既有压应力也有拉应力,AC面层主要承受压应力,CRC层主要承受拉应力,随深度的增加压应力逐渐减小并转变为拉应力,在行车荷载通过该E/F点左右时应力达到峰值,其中最大压应力出现在AC层底部,约为0.19 MPa,最大拉应力出现在CRC层底部,约为0.54 MPa。AC层横向拉压应力的交变容易使路面出现疲劳损伤,容易使AC层开裂。在车辆荷载行驶至计算位点的过程中,CRC层顶的拉应力逐渐减小,层底拉应力逐渐增大。由于CRC层硬度和刚度较大,层内应力变化幅度较小,水泥稳定碎石层及土基横向应力保持稳定。
如图6所示CRC + AC复合式路面各结构层的纵向应力与横向应力相同,既有拉应力也有压应力,AC面层主要承受纵向压应力,CRC层主要承受纵向拉应力,随深度的增加压应力逐渐减小并转变为拉应力,在行车荷载通过E/F点左右时应力达到峰值,其中AC层底压应力最大,约为0.21 MPa,最大拉应力仍出现在CRC层底部,约为0.61 MPa。
图6. 路面结构各层纵向应力σy随时间变化规律
对CRC + AC复合式路面在温度和荷载作用下不同深度的剪应力进行分析,图7为剪应力τzx随时间的变化,图8为剪应力τzy随时间的变化。
图7. 剪应力τzx随时间变化规律
由图7可知,CRC + AC复合式路面各结构层在温度和行车荷载耦合作用下,AC层受到剪应力τzx作用,在AC层内剪应力随深度而增加,最大剪应力出现在AC层底,为121.2 kPa。CRC内,剪应力顶部较大,为119.1 kPa,随深度而骤降,在层底时几乎为0 kPa。AC层整体受到的τzx较大,当沥青层底层有横向开裂时,容易造成裂缝的进一步扩展。
图8. 剪应力τzy随时间变化规律
如图8所示,CRC + AC复合式路面各结构层的剪应力τzy,在温度和行车荷载耦合作用下各层都经历了方向相反的两次剪应力τzy的作用。整个结构层内,在行车荷载通过计算位点B之前,剪应力τzy为正值,通过时,剪应力τzy为0,通过后剪应力τzy为负值。在AC层内,同一时刻,τzy随深度增加不断增大,层底最大,为69.7 kPa,层顶最小。在CRC层内,τzy在层中最大,为103.1 kPa,层顶次之,层底最小。剪应力呈现正负交替变化,易产生剪切疲劳破坏,在沥青层表层产生纵向开裂时,更容易促进裂缝扩展。
为研究轴重对路面结构的影响,保持其他参数不变,对路面模型施加不同的接地压力分析其响应分析。取接地压力分别为0.7 MPa、0.83 MPa、0.95 MPa和1.03 MPa进行计算。
图9. 荷载对应力的影响
由图9可以看出,路面结构层正应力随着荷载压强变化呈明显的线性关系,AC层在车辆经过的过程中横向和纵向均受压;CRC层横向和纵向承受拉应力,且随着轴重增加,CRC顶面受到的横向和纵向拉应力逐渐降低,底面拉应力逐渐升高,荷载压强每增加0.1 MPa,CRC层顶部最大σx平均降低8.6%,底部最大σx平均增加6.4%。
图10. 剪应力随荷载变化规律
荷载压强变化时路面的剪应力变化规律如图10所示。荷载压强每增加0.1 MPa,AC层顶部最大τzx平均增加13.4%,底部最大τzx平均增加12.6%;AC层顶部最大τzy从10.9 kPa增加到15.8 kPa,底部最大τzy从69.7 kPa增加到100.5 kPa,荷载压强每增加0.1 MPa,AC层顶部和底部最大τzy均增加13.4%。
CRC层顶部最大τzx随荷载增加而增加,荷载压强每增加0.1 MPa,τzx平均增加14.1%;底部τzx基本稳定;CRC层顶部最大τzy从92.5 kPa增加到133.4 kPa,底部最大τzy从35.9 kPa增加到51.8 kPa,荷载压强每增加0.1 MPa,CRC层顶部和底部最大τzy均增加13.4%。
从上述分析结果可以看出,沥青层主要受压应力,随着轴载增加AC层底受到的横向剪应力逐渐增加,而CRC层顶面受到较大的拉应力和剪应力,且随着轴重增加CRC层顶面受到的剪应力增加,拉剪反复作用下很容易导致CRC层收缩产生的微裂缝进一步发展,进而造成AC层反射裂缝。因此应该严格控制车辆超载。
CRC + AC复合式路面,CRC板主要起着承重作用,AC层起着功能层的作用,AC层的厚度影响着路面经济性、舒适性。为研究AC层厚度对路面结构的影响,保持其他参数不变,保持CRC + AC复合式路面各结构层材料参数不变,分别取沥青层厚度为6 cm、8 cm、10 cm和12 cm,建立起不同AC层厚下的CRC + AC复合式路面结构模型,分析AC层厚对CRC + AC复合式路面在温度和行车荷载耦合作用下的动力响应影响规律。
由图11可以看出,CRC + AC复合式路面结构层的横向和纵向应力随着AC层厚度变化呈线性关系,AC层在车轮经过时主要承受压应力。在AC厚度从6 cm增加到12 cm的过程中,AC层主要承受压应力;AC层底面压应力随AC厚度的增加逐渐减小,σx减小了59.8%,σy减小了60.5%。在AC厚度从6 cm增加到12 cm的过程中,CRC层表面横向拉应力σx增加了24.2%,纵向拉应力σy增加了42.5%;CRC层底面应力随AC厚度的增加逐渐减小,但幅度不大,σx减小了4.7%,σy减小了6.2%。
图11. 应力随AC层厚度变化规律
由图12计算可得,AC层厚度每增加2 cm,横向剪应力τzx增加22.2%,纵向剪应力τzy增加31.2%,AC厚度对AC层顶面剪应力影响较大;横向剪应力τzx降低8.2%,纵向剪应力τzy增加4.2%,AC厚度对AC层底面剪应力影响较小。AC层厚度每增加2 cm,横向剪应力τzx降低10.6%,纵向剪应力τzy增加0.9%,AC厚度对CRC层顶面剪应力有一定影响;CRC层底面τzx、τzy变化幅度在2.3%~3.8%,AC厚度对CRC层底面剪应力影响较小。
由上述结果分析可以看出,随着沥青层厚度增加,AC层底面横向和纵向压应力逐渐减小,有转变为拉应力的趋势,AC层顶面横向剪应力逐渐增大,底面横向剪应力则减小,CRC层拉应力变化不大,层顶剪应力减小。AC层厚度较小时沥青层底易产生横向剪切疲劳开裂,AC厚度过大时容易产生横向Top-Down疲劳开裂。沥青层合理厚度仍需进一步讨论。
图12. 剪应力随AC层厚度变化规律
外界气温是影响CRC + AC复合式路面结构力学响应的重要因素,低温开裂和高温车辙是受温度影响较大的破坏类型。以基准气温升高5℃、基准气温、降温5℃和降温10℃时得到的T1、T2、T3、T4温度场为基础,分析不同温度条件下CRC + AC复合式路面温度和车辆荷载耦合作用下的路面动力响应。
图13. 降温对应力的影响
由图13可以看出,AC层和CRC层的横向应力σx和纵向应力σy初始为压应力,随着温度的降低,压应力不断变小,逐渐变为拉应力,且拉应力逐渐增大,每降低5℃,AC层顶面和底面σx、σy均增加60%以上,CRC层顶面和底面σx、σy均增加一倍以上,降温对AC层和CRC层的力学响应影响较大。
从图14中可以看出,降温对路面结构层的剪应力影响很小,对于横向剪应力τzx,每降低5℃,AC层和CRC层的影响都在1%。对于纵向剪应力τzy,每降低5℃,AC层顶面τzy增加5.5%左右,AC层底面τzy增加3.7%左右,CRC层顶面τzy增加1.9%左右,CRC层底面τzy降低1.3%左右。
图14. 降温对剪应力的影响
从上述分析结果可以看出,降温主要对横向和纵向应力影响较大,降温越大横、纵向拉应力越大,对剪应力影响较小,且降温对CRC层横向和纵向应力的影响更大,CRC层容易产生温度开裂,进而形成反射裂缝。
1) 仅受到温度作用时AC层受到一定的拉应力,在车辆荷载和温度共同作用下沥青层受到压应力和剪应力,拉应力和剪应力反复作用下很容易产生疲劳开裂。
2) 在车辆荷载作用下,CRC层顶面受到较大的拉应力和剪应力,且随着轴重增加CRC层顶面受到的剪应力增加,拉剪反复作用下CRC层收缩产生的微裂缝容易进一步扩展,从而造成AC层反射裂缝。
3) 随着沥青层厚度增加,AC层底面横向和纵向压应力逐渐减小,有转变为拉应力的趋势,AC层顶面横向剪应力逐渐增大,底面横向剪应力则减小,CRC层拉应力变化不大,层顶剪应力减小。AC层厚度较小时沥青层底易产生横向剪切疲劳开裂,AC厚度过大时容易产生横向Top-Down疲劳开裂。
4) 随温度的降低,AC层与CRC层的横向应力与纵向应力不断增加,增幅在60%以上,降温对路面结构层的剪应力影响很小。降温对CRC层横向和纵向应力的影响更大,容易导致CRC层产生温缩裂缝,从而导致路面产生反射裂缝。
国家自然科学基金资助项目(51878076);湖南省自然科学基金(2022JJ30598)。
邓凤祥,许路凯,孙 煜,李 盛. CRC + AC复合式路面热力耦合下动力响应分析Dynamic Response Analysis of CRC + AC Composite Pavement under Thermal Coupling[J]. 交通技术, 2022, 11(04): 367-378. https://doi.org/10.12677/OJTT.2022.114037