荷載非均布特性對瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響分析

實際的車輪在道路上的形狀和垂直高度非常復(fù)雜，不能簡單地描述多層彈性理論中的圓形均勻布。大量的文獻(xiàn)資料及其試驗結(jié)果顯示,輪胎作用于路面的形狀更接近于矩形,且隨載荷的增加,矩形形狀越明顯。同時,作用面內(nèi)的垂直作用力的大小也隨之發(fā)生很大的變化,呈明顯的非均勻分布。輪胎作用于路面的這種不規(guī)則性對路面的力學(xué)影響也會有很大的差異。由于多層彈性體系除了圓形接觸面之外,不能計算其他形狀的接觸面,同時它實際上用的是較為簡單的數(shù)學(xué)表達(dá)式對荷載進(jìn)行描述,對真實的車輪非均布荷載,當(dāng)數(shù)學(xué)表達(dá)式復(fù)雜時,解析求解就會變得非常困難,甚至實際上是不可能的。因此通過它計算路面力學(xué)響應(yīng),尤其是輪胎接觸面附近的力學(xué)響應(yīng),與實際的情況會有較大的出入。有限元的數(shù)值計算方法為非均布輪載效應(yīng)的處理提供了一個非常有力的工具,它能方便地模擬任意形狀接觸面以及任意的荷載分布特性。本文將利用三維有限元的計算工具,分析不同的瀝青路面結(jié)構(gòu)在不同車型及其不同荷載量、不同作用力分布形式下的力學(xué)響應(yīng)。1調(diào)度計算折減系數(shù)本文將荷載作用面積近似為矩形。因輪胎胎面的花紋存在,使得實際的有效接地面積比印痕內(nèi)的總接地面積小,存在一個折減量,一般認(rèn)為,對公路輪胎,縱溝型花紋折減系數(shù)為75%～80%,橫溝型花紋折減系數(shù)為70%～75%。本分析在進(jìn)行力學(xué)計算時,考慮了作用面積的折減,并將其反映到接地長度或?qū)挾壬稀］p型貨車胎面花紋一般為縱向花紋,中、重型車胎面花紋一般為橫向花紋。故本文對輕型貨車,考慮接地寬度折減,對中、重型貨車,考慮接地長度折減。本文折減量均取75%,進(jìn)行折減時輪胎的整個作用面尺寸是不變的,而且為了便于有限元計算時單元的劃分,將折減形式簡化為如圖1所示(陰影部分表示荷載作用位置),其中圖1(a)為輕型貨車荷載作用面積的折減,圖1(b)為中、重型貨車荷載作用面積的折減。2車輛載荷對路面的作用力國內(nèi)外有文獻(xiàn)資料對一些型號的輪胎進(jìn)行了自由滾動狀態(tài)下印痕內(nèi)的垂直應(yīng)力分布的測試實驗,一般認(rèn)為:輪胎作用于路面的壓應(yīng)力分布在不同負(fù)荷、不同胎壓時是各不相同的,當(dāng)輪胎處于標(biāo)準(zhǔn)胎壓時,載荷作用于路面的壓應(yīng)力分布形式,超載時近似為凹型分布,額定荷載時近似為均勻分布,而當(dāng)欠載時近似為凸型分布(如圖2所示)。本文主要目的是為了驗算不同車型、不同路面結(jié)構(gòu)情形下,當(dāng)車輛負(fù)荷及分布特性變化時,車輪荷載作用于路面最大剪應(yīng)力的變化規(guī)律。故本文對車輛載荷對路面的作用力分布形式按如下假定:超載時按凹型分布,且最高值為最低值的2倍(為了便于比較,計算出額定載荷同樣分布情形下的應(yīng)力值);欠載時按凹型分布,最高值仍是最低值的2倍(為了便于比較,也計算出額定載荷同樣分布情形下的應(yīng)力值),如圖2所示,(a)、(b)、(c)分別為作用壓應(yīng)力在輪胎寬度方向分均布、凹型、凸型三種形式,對凸、凹型分布,其P值、0.75P值、0.5P值的分布寬度分別占荷載接地面寬度的1/3,且對稱于輪胎的寬度中心,在行車方向作用力的大小是均勻不變的。為了有一個非均布輪載與均布輪載對路面最大剪應(yīng)力影響區(qū)別的對比,計算了黃河重載貨車的各種載荷情形下相應(yīng)輪載壓力均布的最大剪應(yīng)力。超載的增加量值分別按在標(biāo)準(zhǔn)軸載基礎(chǔ)上增加20%,40%,60%,80%進(jìn)行計算,欠載的減少量值分別按在標(biāo)準(zhǔn)軸載基礎(chǔ)上減少20%,40%,空載進(jìn)行計算。應(yīng)當(dāng)說明的是,當(dāng)車輛負(fù)荷增加或減少而胎壓保持不變時,輪胎作用于路面的接觸面積應(yīng)該是有所變化,但其變化量并不會太明顯,而且也缺少相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù),故本文在考慮各種負(fù)荷的增減時不計相應(yīng)的接觸面積變化。3計算車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇3.1大型項目計算結(jié)果為了使所得的結(jié)果更具對比性,本文擬選取北京BJ130輕型貨車、解放CA10B中型貨車及黃河JN150重型貨車進(jìn)行計算。各車型的相關(guān)指標(biāo)及計算參數(shù)見表1和表2。3.2計算與路面結(jié)構(gòu)的計算本文選取了三種不同的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算,各材料性能指標(biāo)及厚度如圖3～圖5所示。3.3直應(yīng)力及接地空間根據(jù)上面的分析數(shù)據(jù),可以進(jìn)行三維有限元的分析。分析軟件采用通用的有限元計算程序。計算模型如圖6所示。依據(jù)垂直應(yīng)力及接地尺寸的特性,分析范圍X、Y軸方向各為2.5m,Z方向深度根據(jù)路面結(jié)構(gòu)及車型的不同,需依據(jù)理論彎沉值的大小進(jìn)行調(diào)整。計算采用8結(jié)點等參元。邊界條件假設(shè)為:底面上沒有Z方向位移,左右兩面沒有X方向位移,前后兩側(cè)沒有Y方向位移,層間完全連續(xù)。計算取分析路面結(jié)構(gòu)的最大彎沉值、最大剪應(yīng)力峰值及其位置進(jìn)行對比分析。4最大剪應(yīng)力的分布和顯著性將各種車型及相應(yīng)的計算參數(shù)輸入大型通用的程序進(jìn)行計算。各計算值列于表3。為了便于比較分析,除了選取了黃河車型的各種力學(xué)響應(yīng)值繪成二維圖形外(圖7),另外也將結(jié)構(gòu)a和結(jié)構(gòu)c兩種結(jié)構(gòu)在黃河車作用下,深度Z=-16.67mm處、位于一個車輪下的最大剪應(yīng)力分布三維圖列于圖8和圖9。從表3和圖7～圖9可以得出如下一些基本結(jié)論:(1)由表3的計算結(jié)果和圖7力學(xué)響應(yīng)與荷載變化關(guān)系圖可知,最大彎沉值及最大剪應(yīng)力峰值,對相同的路面結(jié)構(gòu)和相同的車型,均隨荷載的變化呈現(xiàn)相應(yīng)比例的變化,即荷載增減量值的比例為多少,峰值的增減比例也是相同的。(2)依照最大彎沉對路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度排序,結(jié)果是結(jié)構(gòu)a最強(qiáng),結(jié)構(gòu)c次之,而結(jié)構(gòu)b最弱,但對于相同車型、相同負(fù)荷、相同的作用力分布形式,無論是均勻分布、凹型分布還是凸型分布,按路面承受的最大剪應(yīng)力峰值從大到小的排序依次卻為結(jié)構(gòu)a,結(jié)構(gòu)b,結(jié)構(gòu)c,說明按最大彎沉值不能反應(yīng)出路面結(jié)構(gòu)承受最大剪應(yīng)力的強(qiáng)弱,如結(jié)構(gòu)a,按最大彎沉值反應(yīng)出其結(jié)構(gòu)是最強(qiáng)的,但它承受的最大剪應(yīng)力峰值卻是最大的,且作用的位置均在路面結(jié)構(gòu)的上面層。當(dāng)路面結(jié)構(gòu)上面層的材料特性相同的時,結(jié)構(gòu)a更容易被損壞。(3)最大剪應(yīng)力峰值的作用位置均作用于路面的上面層,且位置比較穩(wěn)定,表中結(jié)構(gòu)a與結(jié)構(gòu)b、c的表面層單元劃分不一致,故Z方向的位置深度略有不同。(4)路面的荷載作用力分布形式的不同,對路面最大剪應(yīng)力值的影響有比較大的差別。如黃河車,同一結(jié)構(gòu)相同輪載力,凹型分布的最大剪應(yīng)力峰值要比均勻分布的提高23%左右,凸型分布的最大剪應(yīng)力峰值要比均勻分布的提高25%左右,其他兩種車型也是如此。(5)從計算結(jié)果表中可以看出,對同樣的荷載分布形式,輕型貨車在超載時,所產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力峰值(如超載80%、單輪負(fù)荷12.24kN時,作用于結(jié)構(gòu)a的值為0.402MPa),要比解放車、黃河車在額定載荷及小幅度的超載時產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力峰值還要大(如對同樣的結(jié)構(gòu)a,解放車額定載荷(單輪負(fù)荷15.0kN)及超載20%(單輪負(fù)荷18.0kN)、超載40%(單輪負(fù)荷21.0kN)時的值分別為0.288MPa,0.344MPa,0.402MPa;黃河車額定載荷(單輪負(fù)荷25.4kN)時值為0.370MPa);即使是在其額定載荷(單輪負(fù)荷6.8kN)均勻分布時,所產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力峰值(如結(jié)構(gòu)a的0.190MPa),也要比解放、黃河車在某些低載情形下的最大剪應(yīng)力峰值大,這說明輕型貨車對路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響是不容忽視的。(6)從圖8和圖9可以看出,對不同的路面結(jié)構(gòu),最大剪應(yīng)力的分布規(guī)律是基本相同的,但對同一結(jié)構(gòu)不同的分布,其量值和分布規(guī)律有很大的不同。均勻分布時其分布規(guī)律也相對基本平衡,凸型、凹型分布時其分布規(guī)律也大致呈現(xiàn)出凸型和凹型規(guī)律。5測試的必要性(1)車輛輪胎負(fù)荷反映到路面從接地形狀上呈現(xiàn)較明顯的矩形,作用力的分布也可能呈現(xiàn)非均勻分布,且隨荷載的大小變化呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。本文所模擬的分布形式雖也只是一種近似,但它比圓形均布應(yīng)該更合理;不同類型的車輛輪胎的大小、尺寸是各不相同。本文基本上考慮了各車型的實際輪胎尺寸,車輛輪胎也因花紋的存在而對路面的作用面積有一個折減量,因此進(jìn)行計算時也有必要進(jìn)行考慮。這些因素的考慮可以使計算結(jié)果更進(jìn)一步符合實際情況。(2)中國公路超載現(xiàn)象十分嚴(yán)重,超載的存在使得輪載作用力分布呈現(xiàn)出明顯的凹型,相對均勻分布的輪載作用力而言,對路面的最大剪應(yīng)力在量值上有很大的提高。實際上本文只假設(shè)非均布載荷最大值與最小值的2倍差,當(dāng)荷載變化越大時,這種非均布性應(yīng)該是越明顯,作用于路面的最大剪應(yīng)力值會比均勻分布將會時有更大的提高。因此進(jìn)一步弄清輪胎在各種車輛、各種荷載作用下的接地應(yīng)壓力的分布