車輪對路面作用的荷載簡化模型

0非均布垂直荷載和水平荷載作用下的瀝青路面應力分析車輪負荷是導致道路破壞的力、壓力和位移的外部力。這是引起路面破壞的原因之一。大量的實測結果表明輪胎與路面間的接觸壓力是非均勻分布的,而且接觸面的形狀也不是圓形,而是接近橢圓形或矩形。汽車在路面上有停駐、行駛、剎車、轉向等狀態,隨著汽車在路面上運動狀態的變化,車輪荷載的作用方向和作用力的大小也將有所改變。當汽車停駐在路面上時,一般只考慮輪重對路面的作用力,且在設計中,只考慮汽車后軸的輪重。當汽車行駛時,后輪對路面除有垂直力以外,還有車輪轉動時對路面產生的水平切向力,水平切向力是由于輪胎與路面間的摩阻造成的。當汽車行駛在橫向超高較大(如小半徑圓曲線)路段將產生較大的水平力。在山區高速公路的上坡路段上,特別是行駛重載和超載車輛的情況下,往往車速緩慢,此時車輪作用在路面上的水平力也是較大的。車輪在制動過程中也會產生水平力。因此,在停車場、車站、交叉路口、爬坡車道、收費站以及其他交通擁擠、車輛行駛緩慢的地方,路面受到車輛水平荷載作用較大,路面較容易產生車轍、坑槽等破壞。本文利用有限元軟件MSC.NASTRAN對非均布垂直荷載和水平荷載作用下的瀝青路面進行應力計算分析。首先根據輪胎與路面間接觸壓力的大小和輪胎胎面花紋類型提出荷載簡化模型,然后建立瀝青路面的有限元計算模型,最后分析路面結構在荷載作用下的受力狀況。1模型的構建1.1專利的織物類型目前公路上行駛貨車輪胎的胎面花紋主要有縱向花紋和橫向花紋兩種。本文首先根據胎面花紋類型的不同,將接觸面簡化成圖1和圖2所示的兩種情況。1.2垂直荷載作用方向1.由前面的敘述可知,輪胎與路面間的接觸壓力與傳統的路面結構設計中采用的圓形均布荷載有很大區別,而且受到輪胎內壓、輪胎結構類型等因素的影響。本文根據輪胎胎面花紋類型的不同,參考相關的實測資料,提出一定輪載和胎壓下的接觸面積內的垂直壓力分布,以此作為作用于路表的荷載,用于分析路面結構的響應(如圖3)。考慮水平荷載對路面結構的影響時,水平荷載系數,即水平荷載與垂直荷載的比值分別取0.1、0.3和0.5。荷載作用方向為單向,沿y軸正向(如圖4),水平力在接觸面積內按照與垂直壓力類似的方式分布,如表1。可以看到,本文所提出的荷載簡化模型與實際情況也有所區別,但它比圓形均布垂直荷載更符合實際,更能反映路面表層的真實輪載作用下的響應規律。1.3有限元模型在瀝青路面結構分析時,一般假定路面各層為平面無限大的彈性層,路基為彈性半空間體。采用有限元計算時,無法將模型的尺寸取為無窮大,只能在建立模型時盡量將模型尺寸取得大一些,但尺寸過大,則會大大增加計算工作量。因此宜合理確定其計算模型的尺寸,使其在保證計算精度的同時,又不增加過多的計算工作量。結合以往的計算經驗,取路基和路面平面方向的尺寸相等均取為6m,路基深度也取為6m(如圖5)。用于計算的典型路面結構層各層材料參數及厚度如圖6所示。在計算過程中,模型的邊界條件為:路基的一定深度的底面為固定面,路基和路面各層與路線縱向相平行的面沒有x方向的位移,相垂直的兩個面沒有y方向的位移,路面各結構層間為完全連續接觸。采用有限元法計算時,單元網格劃分的不同對計算結果也有一定的影響,但網格劃分過密會使計算工作量大大增加;同時,網格劃分過密會使單元尺寸變小,由于計算機舍入誤差的存在,反而又可能降低計算精度。此外一般認為,單元網格的布局應與場變量的梯度相符。因此,網格的劃分并不是越細越好,只要劃分合理,將能取得事半功倍的效果。本文的每個模型網格劃分以及單元總數見表2。2結論分析2.1最大剪應力的峰值通過有限元后處理得到的云紋圖,觀察最大剪應力的分布,并找到其峰值的位置。表3列出了不同荷載作用下路面結構內的最大剪應力的峰值及其位置。從表中可以看到,對于同一路面結構,最大剪應力峰值的位置隨荷載的大小和分布形式而變化。當水平荷載較小時,最大剪應力峰值的位置出現在面層表面以下某一深度(如z=3.75cm)處;當水平荷載較大時,最大剪應力的峰值則出現在面層表面,即z=0。2.2軸載大小相同時，三種水平荷載系數的最大剪應力同面積的比較水平荷載系數μ分別為0.1、0.3、0.5時,路面結構內的最大剪應力隨深度的變化曲線如圖7和圖8。從圖中可以看到當軸載大小相同時,三種水平荷載系數下產生的最大剪應力僅在面層10cm深度的范圍內相差較大,水平荷載系數越大,最大剪應力也越大,而且最大剪應力峰值越接近路表面。隨著深度的增加,三者產生的最大剪應力接近相等。就本文計算結果表明,水平荷載系數為0.5時,最大剪應力峰值在路表。2.3含螺紋輪胎、橫向織物的含縱向花紋和橫向花紋兩種分布形式的荷載作用下,路面結構內的最大剪應力隨深度的變化曲線如圖9和圖10(圖中A表示縱向花紋輪胎,B表示橫向花紋輪胎)。從圖中可以看到在路表面以下35cm的范圍內,橫向花紋分布的荷載產生的最大剪應力大于縱向花紋荷載產生的剪應力,當深度大于35cm時,兩者產生的最大剪應力相差很小。2.4拉應力及主應變的影響車輛在路面上行駛時,路面各點的應力狀態是相當復雜的,處于拉壓應力和應變交替變化的狀態。圖11表明單軸的動力荷載在面層中產生的輻向應變,由Monismith首先測得。該圖表明在單軸荷載作用時,面層表明上的一點當車輪接近時首先受拉,當車輪壓在該點的瞬間則受壓,隨后當車輪離開時再次受拉。這一點從本文的計算中也可以得到驗證,考慮路表沿y方向的不同計算點,得到各點最主應力和主應變的變化曲線如圖12、圖13。從圖中可以看到,當不考慮水平荷載時,最大主應力和最大主應力均為對稱分布,在|y|=0.2m附近出現拉應力和拉應變,拉應力的最大值為29.37kPa。考慮水平荷載時,最大主應力和最大主應變不再是對稱分布,不同大小的水平荷載影響也不一樣,水平荷載系數為0.1時,對最大主應力或最大主應變的影響很小,拉應力的最大值為37.82kPa,比只考慮垂直荷載時增加29%。水平荷載系數為0.5時,y=-0.14m處(水平荷載作用方向的后端)的拉應力和拉應變急劇增加,拉應力的最大值為328.89kPa,其大小是只考慮垂直荷載時的11倍。因此,受車輛水平荷載較大的路段,面層在拉應力和剪應力的綜合作用下,將在表面產生一些裂紋,隨著荷載重復作用次數的增加,加上其它自然環境因素的影響,就會逐漸進一步發展成為松散或坑槽等。3荷載作用的分布和剪應力分析(1)根據輪胎胎面花紋類型的不同,提出兩種荷載作用面的簡化圖,即縱向花紋分布的荷載作用面和橫向花紋分布的荷載作用面。就本文計算而言,由于橫向花紋分布的荷載作用面積較小,荷載分布較集中,計算得到的最大剪應力較大。(2)水平荷載的大小對路表面10cm范圍內的影響較大。水平荷載系數越大,相應的最大