考虑层间接触状态的路面结构有限元分析

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我国现行的沥青路面设计规范是以弹性层状体系为基础,设计时假定沥青路面各结构层之间是完全连续的或者完全光滑两种极限状态。但是实际工程实践证明,沥青混凝土面层之间、沥青面层与水泥稳定基层之间以及水泥稳定基层与土基之间的层间粘结比较薄弱,处于完全滑动与完全连续的中间状态,层与层之间通过接触面传递应力和位移。这就导致沥青路面的实际工作状态与层状弹性体系不相符合,从而直接影响到路面使用性能的预估。因此应采用接触模型分析沥青路面在实际状态下的力学响应。论文采用大型有限元软件ANSYS对考虑层间接触状态的沥青路面进行了数值模拟。首先简要分析了道路层间接触的特点,并结合ANSYS接触问题的求解方法和求解步骤,利用ANSYS的编程语言APDL实现了道路模型的建立、网格划分、边界条件和荷载施加以及计算结果的后处理等。接着论文对比了接触模型和连续模型沥青路面结构层的力学响应结果:如果采用连续模型,在沥青上面层、中面层和下面层底部(在荷载作用区正下方的位置)的最大主应力值呈现压应力,而且基层和底基层的最大主应力偏小。这样在采用《公路沥青路面设计规范》进行沥青路面厚度设计时,对沥青面层底面、基层底面的最大拉应力是否大于材料的容许拉应力进行验算就起不到应有的作用,有可能使设计出来的沥青面层、基层厚度偏薄。当采用接触模型,在沥青各面层和基层底面(荷载作用区下方)的最大主应力呈现出较大的拉应力,这和实际的路面结构受力状态比较符合。然后论文模拟了层间不同接触状态下沥青路面结构接触模型的力学响应。分析结果表明:层间接触状态的好坏对沥青路面的各项力学指标均有较大的影响,层间接触不良会显著提高路面弯沉、层底最大主应力及最大剪应力,而良好的层间接触状态会降低这些指标。最后论文模拟了水平荷载作用下沥青路面各结构层的力学响应,结果表明水平荷载对沥青路面上层面的最大剪应力有较大的影响。沥青路面各结构层之间通过接触传递应力。从数值计算结果可以看出,采用接触模型对沥青路面进行结构分析比连续模型能更好的反应沥青路面的实际受力特性,从而也能更好的预测路面结构的使用性能,对路面结构设计和施工有一定的借鉴意义。
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