基于有限元模型的水泥路面结构分析

基于有限元模型的水泥路面结构分析

张堂波

东莞市交通规划勘察设计院有限公司   广东省 东莞市   523000

摘要：基于水泥混凝土路面结构建立力学计算模型，对水泥混凝土路面在重载甚至超载情况下的力学响应及路面使用寿命进行计算及分析。结果表明：重载交通情况下随着应力的增大会导致路面结构寿命大幅度降低，层间接触的加强能提高路面结构的寿命。

关键词：水泥混凝土路面；力学响应；路面寿命

一、引言

车辆超限是指在公路上行驶的车辆所装载货物的装载尺寸(长、宽、高)、车货总重或车辆轴载质量的任一项超过了路政管理规定限值的行为[1]。车辆超载是指运输车辆所载的货物质量超过车辆额定装载质量，可见，超载是超限的一种情况。

随着珠三角地区经济的迅速发展，物流业已经成为一个主流行业，目前区域性主干公路上的大、中型载货汽车超载运行已是非常普遍的现象。随着汽车技术的发展和公路货运量的增长，今后在公路上行驶的重型汽车不仅数量增长较快，而且总重也将越来越大，公路的使用寿命受到了明显的挑战。

超载运输的主要危害：

(1)缩短道路的使用年限

现行道路是依据国家有关规定设计的。它以后轴轴载10吨为标准，车辆超载后大大加剧了荷载压力。致使路面结构在很短内产生过早衰变，产生裂缝、网裂、下沉等整体破坏，从而使路面的使用寿命大大缩短。

(2)严重损害桥梁

我国70年代以前的桥梁设计标准较低，重车大量超载将使这些桥梁严重开裂。桥面混凝土大面积破坏，甚至出现少量钢筋断裂现象。即使是设计标准较高的水泥混凝土桥梁也不能避免桥梁挠度增大，水泥混凝土过早开裂，逐步引起钢筋锈蚀缩短桥梁寿命。

    (3)影响行车安全

    汽车轴重增加会增加发生事故的机会。由于重车超载、重心过高、重心不稳，加上动荷载的急剧增加，在通过弯道交叉口时会对交通安全构成更大的威胁。美国对汽车列车事故率进行过统计，从中发现：三挂列车的事故率明显高于其它形式的汽车列车。如果普通拖挂车的交通事故率指数为1，则汽车列车的交通事故率指数为4.14。

    (4)影响道路的通行能力

由于汽车超载，加之我国许多道路以混合交通为主，所以重车常以低速行驶，严重影响了道路的通行能力。据山西省调查资料表明，个别重车超载严重的道路行驶速度仅为10-20km/h，加之超载车辆运行时体积庞大，经常造成道路拥挤，使单位时间内的车货流量明显减少。

    (5)影响道路路政的正常管理，造成国家税收的损失

由于运输部门及个人，只需以中、大型货车的税费开支就可以获得特大型货运车辆的额外收益，但对道路建设和国家税收等造成巨大损失。粗略估计运行车辆若超载40%，平均装载率为150%，国家每年损失的财政收益就达到己收部分的20%。

    (6)对环境的影响

    汽车一般随重量的增加而加大驱动功率，因而噪声也随之增大。据日本测定，一辆大型载货汽车的噪声是10辆小客车的噪声之和。汽车重量的增加会直接造成对环境的振动影响，这种振动影响除取决于重量外还与汽车轴数轮胎内压和悬挂结构有密切关系。如果超载车辆采用减振性能好的空气悬挂或提高路面的平整度，可以减轻因重量增加造成的对环境的影响。但是无论采用何种措施均不能完全排除因重量增加而造成的环境振动的影响。

根据本地区交警执法部门实际查扣的超载货车，载重量最大可达百吨，后轴重达20吨以上。尽管这种超载车辆在交通量中占比重不大，但它们对路面的破坏作用，往往起决定性作用[2-4]。许多研究学者对超载车辆对水泥混凝土路面的破坏机理进行了一定的研究[5-6]，张秋梦的研究还表明车辆行驶速度越快，各项破坏的指标呈减小的趋势[7]。研究超载车辆对于路面的影响能为路面设计提供非常重要的参考意见。

二、有限元分析

采用的典型路面结构位于公路自然区划Ⅳ，公路等级为一级，路基为粘质土，交通等级为特重交通等级，参数变异水平等级为中级。各结构层厚度与材料参数如表1。

表1 各结构层厚度与材料参数

为了从力学响应上认识超载的危害性，本文以有限元通用程序为工具对普通水泥混凝土路面在考虑层间接触情况下的力学响应进行分析。

1．有限元分析模型的建立

进行超载情况下的水泥混凝土路面有限元分析，关键是确定轮胎与路面的接地压强及接地面积。本节仍然采用文献[8]中的经验关系式，不同超载率下荷载工况如下表2所示：

表2 超载分析的荷载工况

注:(1)车辆荷载的中心轴距保持不变，为180cm；中心轮距保持不变，为34cm；

(2)超载率计算时，以标准轴载1OOKN为额定轴载。

本文只分析层间光滑接触和直接加铺的情况。为减少建模工作量，采用参数化建模，坐标原点位于地基底面前左侧横缝与纵缝交点。网格划分方法：采用自定义网格划分，与路面板平行的方向网格划分较密并保持一致；与路面板垂直的方向土基以上网格划分较密，土基部分网格划分较疏。其中面层为6426个SOLID45单元，基层和垫层各为4000个SOLID45单元，土基为20000个SOLID45单元，面层底面为2142个TARGE170单元，基层顶面为2000个CONTA173单元。

2．水泥混凝土路面超载力学响应分析

表3列出了超载计算结果，并据此绘出各项力学响应指标与超载率的关系图。

图1～4反映了普通水泥混凝土路面结构的关键指标响应值在不同层间接触条件下随超载率的变化情况。据图可知关键指标响应值随超载率大致呈线性变化。从表中所列出的数据可知，车辆超载后，超载使得水泥混凝土路面结构的路表弯沉、面层底面和基层底面的最大主应力、面层底面和基层顶面的最大剪应力、土基顶面的最小主应变均随之增大。这几个指标与路面结构发生的各种损坏有直接的联系，它们的最值的增大可以反映出车辆超载对路面的破坏是十分严重的，同时，图1～4也反映出不同层间接触状态超载率对路面力学响应的影响：超载在光滑接触时对面层的力学响应影响更大，在直接加铺时对基层和土基的力学响应影响更大。这与不同层间接触状态水泥混凝土路面结构的纵向刚度有直接关系。

表3 超载计算结果

注：“比例”一列中的数字为超载率为60%时的力学响应值与标准轴载(超载率为0)时的力学响应值之比。

图1 路表最大弯沉与超载率之间的关系

(a) 面层底面

(b) 基层顶面

图2最大主应力与超载率之间的关系

(a) 面层底面

(b) 基层顶面

图3 最大剪应力与超载率之间的关系

图4 土基顶面最小主应变与超载率之间的关系

三、超载对路面寿命的影响

我国的水泥混凝土路面设计方法采用疲劳断裂作为损坏标准，混凝土路面出现疲劳损坏时所能经受的重复作用次数称作疲劳寿命。

许多国家的理论方法中所使用的疲劳方程是根据室内小梁试验并以开裂作为疲劳损坏标准而得到，本节采用文献[9]中室内梁试件疲劳方程及美国波特兰水泥协会推荐的系数，如下式：

式中：为荷载应力幅值；

为混凝土抗弯拉强度，取5MPa；

，为回归系数，＝0.972，＝0.0828；

为疲劳寿命。

表4 以混凝土路面面层底面最大主应力预估的路面结构使用寿命

注：“比例”一列中的数值为超载率为60%时的值与标准轴载(超载率为0)时的值之比；

“比值”一行中的数值为层间直接加铺与层间光滑接触时使用寿命值之比。

据表4中数据，随着超载率增大，混凝土路面寿命大幅降低，超载率达到60%时，层间光滑接触时混凝土路面板使用寿命仅相当于标准轴载作用下的0.92%，直接加铺时混凝土路面板使用寿命仅相当于标准轴载作用下的3.08%。由于直接加铺时层间接触传递了一部分荷载到基层，以混凝土路面面层底面最大主应力预估的路面结构寿命显著增大。

四、结语

从有限元模型分析来看，随着车辆荷载的加大，路面结构的破坏变得非常明显，同时层间联系的加强可以提高路面结构层使用寿命。车辆荷载的增加不仅增加了当量轴载的作用次数，而且因为提高了轴载，轮胎与路面的接地压强增大，路面结构的力学响应值也随之增大。珠三角地区随着经济的发展，重型车辆非常普遍，超载车辆也屡见不鲜，尤其在国省道等主要干道混凝土路面结构设计时，就需要充分考虑超限车辆的影响，否则路面结构的使用寿命会大幅度缩短，对于长期处于特重交通等级的国省道可以考虑提高混凝土的厚度和强度，同时加强层间联系设计，提高整体刚度。在公路管理中，也应加强对超载车辆的管理和限制。

参考文献

[1]姚祖康. 路面工程[M]. 上海：同济大学出版社,2001

[2]李帅帅,陈啟婵.新建水泥混凝土路面早期破裂成因分析[J].西部交通科技,2021(05):19-23

[3]胡凯,刘金鑫,周珂.超载对新建水泥混凝土路面早期破坏的影响分析[J].工程技术研究,2020,5(21):135-137

[4]冯倩倩.超载运输对路面结构的损伤研究[J].交通世界,2018(10):80-81

[5]杨锡武,王东,张祖堂.汽车超载对水泥砼路面破坏影响的力学机理分析[J].重庆交通学院学报,2004(06):46-49

[6]蒋应军,戴学臻,陈忠达,戴经梁.重载水泥混凝土路面损坏机理及对策研究[J].公路交通科技,2005(07):31-35

[7]张梦秋. 移动荷载作用下水泥混凝土路面力学响应及接缝传荷能力分析[D].河北工业大学,2015

[8]王秉纲,郑木莲. 水泥混凝土路面设计与施工[M]. 北京：人民交通出版社,2004：203-205

[9]姚祖康. 公路设计手册·路面[M](第二版). 北京:人民交通出版社,1998：54-57

作者简介：

张堂波（1988-02），男，江西宜春人，学士，2012年6月毕业于燕山大学，路桥工程师，主要从事公路及市政行业路桥设计工作。