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柔性基層瀝青路面粘彈性三維有限元分析

發布于:2023-07-10 20:46
有限元分析

      我國高速公路多以半剛性基層瀝青路面為主,但由于諸多因素存在使得其出現反射裂縫,許多研究均考慮溫度影響因素,但目前國內的設計規范并沒有將溫度考慮在設計規范之中。同時,國內外的學者為了突破半剛性基層瀝青路面結構單一形式,對柔性瀝青路面破壞進行有限元分析。
      對于瀝青路面結構的破壞,大多數是認為由于長期荷載作用反射裂縫的出現,致使面層出現自下而上的破壞。在假設瀝青路面結構基層完全斷裂的基礎上研究面層裂縫的開裂機理。研究多場耦合作用下半剛性基層瀝青路面開裂機理,柔性基層瀝青路面在國內不斷推廣,而針對柔性基層瀝青路面結構疲勞分析較少。因此,考慮環境變化、晝夜更替以及交通載荷等諸多因素對路面結構疲勞開裂進行研究顯得十分必要。本研究模擬面層自上而下的穩態擴展裂縫,采用多場耦合來實現柔性基層瀝青路面的疲勞開裂過程,研究瀝青路面結構面層裂縫穩態擴展的規律,分析裂縫尖端應力強度因子的變化規律,預測瀝青路面結構的疲勞壽命,為路面結構設計防裂措施提供必要的理論依據。
      瀝青路面疲勞壽命與瀝青混合料組成、外界載荷和環境因素有密切關系,各國研究人員對瀝青混合料的疲勞試驗研究主要有:曲疲勞試驗,直接、間接拉伸疲勞試驗,支承彎曲疲勞試驗,三軸疲勞試驗,室內輪碾疲勞試驗等。同時瀝青路面結構的疲勞壽命也與行車荷載作用波形息息相關,一般認為半正弦波與實際路面接觸載荷相似。瀝青路面疲勞模型通常情況下是建立在瀝青混合料疲勞試驗的基礎上,同時考慮與荷載作用次數之間的關系,進而來預估瀝青路面結構的疲勞壽命。
      運用Paris公式對瀝青路面結構疲勞壽命穩態擴展進行預估,是從瀝青路面結構材料組成與裂縫尖端應力強度因子兩方面因素來控制的,可表示為式中a為裂縫長度;N為疲勞作用次數;A、n為瀝青路面結構的材料參數;ΔK為載荷作用下的應力強度因子幅值。由式(1)得到裂縫穩態擴展的疲勞壽命計算的一般公式式中ain為臨界裂紋的尺寸;acr為初始裂紋的尺寸;Nf為疲勞壽命次數;A和n為材料的斷裂參數,可通過實驗獲取,本文分別取A=3.44e6,n=2.71。
      有限元分析模型中溫度荷載引起路面結構應力的發生,溫度場與材料的收縮系數α(T)有關,同時影響結構的剛度矩陣[K],根據虛功原理,單元應力場平衡方程為式中[Ke]為單元剛度矩陣;{u}為單元的位移矩陣;[Ce]為考慮單元非線性的阻尼矩陣;{u}為單元位移對時間的導數矩陣;{Fthe}為單元的熱荷載。
      式中V為路面體體積;B為單元應變矩陣;{εth}為單元的熱應變矩陣可得到瀝青路面結構熱力耦合的平衡方程式中[C]為結構體的阻尼矩陣;[T]為節點溫度向量;[T·]為溫度對時間的導數;[K]為剛度矩陣;[Kt]為傳導矩陣;{Q}+{Qsurf}為結構體的熱流率及路表通過對流和輻射所吸收的熱流。
      輪胎與路面接觸荷載采用雙輪垂直正弦波進行加載,輪載簡化為矩形接觸面220mm×320mm,車輪中心距320mm。動荷載作用形式分為輪載作用在裂縫正上方(簡稱正荷載)與裂縫開裂呈45°方向為輪載作用邊緣(簡稱偏荷載)兩種(圖1)。柔性基層瀝青路面結構面層出現自上而下的裂縫,橫向貫通并逐漸向面層深度方向穩態擴展。假定柔性基層瀝青路面結構由于長期荷載作用,路面面層出現橫向裂縫,裂縫增長方向自上而下;诰彈性斷裂力學理論,路面結構層為各向同性線彈性材料:各層間不產生滑移,處于完全連續狀態:路面側面XY方向位移自由度約束,Z方向位移自由,路面橫向面XY方向位移自由度約束,Z方向位移自由;土基底部三個方向位移自由度均約束。為描述裂縫尖端應力與應變場的奇異性,有限元網格劃分后采用二十節點六面體楔形單元,即采用距裂縫尖端四分之一邊長處帶中間節點的單元。裂縫區域之外采用八節點六面體減縮單元。


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