半刚性沥青路面车辙三维有限元分析

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1、半刚性沥青路面车辙三维有限元分析毕林昌，张英超（中国葛洲坝集团国际工程有限公司，北京，100025）摘要：基于半刚性基层沥青路面车辙严重现状，利用ANSYS有限元软件建立三维有限元模型，通过研究不同轴载以及不同结构参数下沥青层剪应力的变化规律，为防止半刚性沥青路面车辙破坏提供理论依据。关键词：道路工程；半刚性沥青路面；有限元分析；车辙Three-dimensionalFiniteElementAnalysisofSemi-rigidAsphaltPavementRuttingAbstract:Inthis

2、paper,basedontheserioussituationofruttinginsemi-rigidbaseasphaltpavementandsemirigidpavementasphaltlayerarestudied.Axialloadandstructureparametersontheshearstressofasphaltlayerarestudied,whichisinordertoprovidethetheorybasisforsemi-rigidasphaltpavement,an

3、dgivesomesuggestions.Thispaperbuildsthree-dimensionalmodelofsemi-rigidasphaltpavementbyusingANSYSfiniteelementsoftware,whichisgivenwiththebi-directionalloads.Thecalculationresultsshowthat:forasphaltlayershearstressindicators,18cmofasphaltsurfaceisaeconomi

4、cpoint,andthethicknessofasphaltlayerissuggestedtake18cm;andwhenasphaltlayerthicknessandbasementmodulusandbasementthicknessincreases,theasphaltlayershearstressincreasestoo;andwhenasphaltlayermodulusincreases,theasphaltlayershearstressdecreases.Keywords:Roa

5、dEngineering;Semi-rigidBaseAsphaltPavement;TheFiniteElementAnalysis;PavementRut0前言随着我国经济实力的迅速崛起，公路等基础建设亦迅速发展。目前，我国高速公路绝大多数为沥青路面，其中，90%以上采用半刚性基层沥青路面结构。近几年发现，随着交通量以及轴载的增加，半刚性沥青路面多出现车辙等病害，且难以根治。然而，就目前而言，我国公路沥青路面设计规范中对于车辙还未有相关的设计指标和建议。因此本文对半刚性沥青路面车辙问题进行分析，利用A

6、NSYS有限元分析软件建立三维有限元模型，研究不同参量的变化对沥青路面车辙的影响，从而为半刚性沥青路面结构设计提供一些建议。1典型半刚性沥青路面结构及其参数我国高速公路上半刚性沥青路面结构较多，但均具有相同的特性。半刚性基层沥青路面结构是根据“强基薄面”理论进行设计的，即以半刚性基层作为承重层，沥青层主要作为功能层。我国高速公路上常用半刚性沥青路面结构的沥青面层均为三层，厚度在16cm~22cm之间；半刚性基层大多采用水泥稳定碎石材料，厚度在20cm~40cm之间；底基层一般采用水泥稳定砂砾材料，厚度在1

7、5cm~30cm之间；垫层一般采用砂砾材料，厚度在10cm~15cm之间。因此，本文根据以上信息，选用的典型半刚性沥青路面结构及其参数如下表所示。表1典型半刚性基层沥青路面结构及参数结构层厚度（cm）模量(MPa)泊松比沥青混凝土上面层518000.35沥青混凝土中面层718000.35沥青混凝土下面层818000.35水泥稳定碎石3036000.25水泥稳定砂砾2034000.25砂砾151800.35路基—500.42沥青路面三维有限元模型的建立ANSYS是基于有限元原理开发形成的大型有限元软件，常被

8、用于各种结构的力学分析或者其他方面分析，且是公认的结构仿真度高的大型软件之一。因此本文采用ANSYS有限元分析软件对半刚性沥青路面结构进行三维有限元分析。在对半刚性沥青路面结构建立三维有限元模型时，采用SOLID45单元，此单元能模拟结构在承受荷载时的各种力学响应；本文建立的三维有限元模型的尺寸为6m×6m×6m；其中，X轴为路面横向，Y轴为行车方向，Z轴为竖直方向。由于在行车中汽车轮胎对沥青路面有行车方向的摩擦力，因此本文采