基于ABAQUS和正交设计方法的预制装配式沥青路面结构力学分析

发表时间：2018-09-10T10:26:14.890Z 来源：《基层建设》2018年第21期 作者： 冯志炫

[导读] 摘要：本文建立沙漠公路预制装配式沥青路面结构模型，利用大型有限元软件ABAQUS进行三维数值模拟计算，得到预制装配块的最佳平面尺寸；进一步利用正交试验方法，研究了沥青面层厚度、GFRP基板厚度、基层厚度、沥青面层模量和GFRP基板模量等路面设计因素对沙漠公路预制装配式沥青路面结构力学特性的影响，结合因素极差和主效应分析得出不同病害控制指标的最优路面结构方案。 身份证号码：44078419920107xxxx

摘要：本文建立沙漠公路预制装配式沥青路面结构模型，利用大型有限元软件ABAQUS进行三维数值模拟计算，得到预制装配块的最佳平面尺寸；进一步利用正交试验方法，研究了沥青面层厚度、GFRP基板厚度、基层厚度、沥青面层模量和GFRP基板模量等路面设计因素对沙漠公路预制装配式沥青路面结构力学特性的影响，结合因素极差和主效应分析得出不同病害控制指标的最优路面结构方案。 关键词：预制装配式沥青路面结构；ABAQUS；平面尺寸；路面结构力学特性；最优路面结构方案 1.引言

沙漠地区的能源开发和经济发展需要更为完善的路网结构作为基础。沙漠地区水资源缺乏，沙漠公路建设不适宜水泥混凝土路面结构形式，近年来沥青路面在沙漠地区表现出很大潜力。沙漠地区具有多风沙，气候干燥，位置偏远和气温条件苛刻等特点，严重影响公路施工设备正常运行，沥青路面的现场摊铺建设存在诸多困难。本文在国内外对装配路面研究成果的基础上，针对沙漠公路的修建，提出预制装配式沥青路面结构的沙漠公路施工新思路，并着重研究预制装配式沥青路面结构的力学行为和影响路面结构力学响应的因素。沙漠公路装配式沥青路面结构具有如下优点：现场安装可延长施工时间，解决了由于沙漠地区温差大热拌沥青混合料施工时间短的问题；可用于替换现有沥青面层，实现快速养护，循环利用；工厂化、标准化制作便于控制产品质量。 2.有限元参数设置

2.1沙漠公路预制装配式沥青路面结构。典型沙漠公路路面结构包括路风积沙路基，粒料或稳定粒料基层和上覆沥青面层或水泥混凝土面层。本文重点研究典型沙漠公路的沥青路面结构形式，并提出预制装配式沥青路面结构的新思路：路基和基层现场施工，而沥青面层集中预制。预制装配式沥青面层的预制过程大致如下所述：在刚性基板上分层摊铺沥青面层，然后切割成一定平面尺寸的块状结构单元，运至现场，在基层上安装，灌缝，即完成沥青面层施工。刚性基板采用玻璃纤维增强塑料GFRP[1]。沙漠公路预制装配式沥青路面结构从上到下为沥青面层预制装配块，GFRP基板，稳定粒料基层，风积沙路基。沙漠公路预制装配式沥青路面结构各结构层对应的弹性模量，泊松比和厚度等参数按经验取初始值，如下表1所示。 表1 材料参数和结构层厚度

2.2模型参数设置

沙漠地区经济快速发展，交通量逐年增加，货车占比大。本文选取“东风”普通重型货车的前轮单轮作为荷载，前轮轴载为60KN，并采用矩形荷载形式，作用面积为0.17m×0.25m。本文限制垂直边界方向的位移，土基底面固结，沥青面板和玻璃钢、玻璃钢和基层的接触关系设为法向采用硬接触，切向方向选用库伦摩擦模型，摩擦系数取0.5[2]。采用六面体实体单元C3D8R。 3.预制装配块平面尺寸分析

预制路面由预制块装配而成，预制块的大小会影响预制路面的铺装施工。预制块平面尺寸越小，施工重复次数越多，过多的接缝处理还会降低路面平整度。预制块平面尺寸越大，其质量越大，进而增加在铺装过程中的施工难度。本文以宽度为8m的沙漠公路为对象进行研究，为了方便装配，减少预制模具等因素[3]，对比研究了5×1m，5×2m，5×4m三种平面尺寸。通过有限元模拟分析沙漠公路装配式沥青路面结构的受力特性，得到5×1m，5×2m，5×4m三种装配块平面尺寸的装配式沥青路面的力学响应输出。其计算结果如表2所示。 表2 不同装配块平面尺寸的路面结构力学响应结构汇总

分析表2结果，以沥青面层底部最大拉应力和表面弯沉值作为装配块平面尺寸的控制因素时，装配块的最佳平面尺寸为5×1m。 4.沙漠公路装配式沥青路面结构力学分析

在沥青面层预制装配块的平面尺寸参数确定之后，对沙漠公路装配式沥青路面结构的力学分析，有助于进一步了解沙漠公路沥青路面各结构层的受力特点，并指导沙漠公路装配式沥青路面的结构设计与施工。

4.1正交试验设计。本文选取了沥青面层厚度、玻璃钢基板厚度、基层厚度、沥青面层模量和玻璃钢模量这五个对路面结构具有较大影响的因素。每个因素包含四个水平，进行L16(45) 正交试验设计。根据对沙漠地区路面典型结构的已有研究[4]，确定沥青面厚度取值范围为10-16cm，基层厚度取值范围为35-65cm；考虑到经济原因和玻璃钢优良的力学性质，玻璃钢的厚度一般在2-5 mm左右；沥青面层模量按经验范围1200-1600MPa取值，GFRP基板模量按40-70GPa范围取值。

4.2正交试验结果分析。对沥青面层厚度等各个因素对预制装配式沥青路面结构力学特性影响程度的大小进行了探讨。分析结果汇总如

下表6所示。

表6 沥青面层表面弯沉值指标极差分析结果

由表6可知，对表面弯沉值而言，基层厚度影响最大。对于面层底部最大拉应力，面层模量影响最大。对于面层底部最大剪应力，面层厚度影响最大。而对于土基顶面压应力，基层厚度影响最大。 5.预制装配式沥青路面结构优化方案确定

实地调查发现，沙漠地区沥青路面病害以横向和纵向裂缝为主要病害，横向裂缝站39%，纵向裂缝占21%[5]。因此，根据以往的经验，并通过正交试验结果的极差分析和因素主效应分析，针对裂缝、滑移等病害的对预制装配式沥青路面结构设计方案进行优化，方案如下：以沥青面层表面弯沉值作为沥青路面性能控制指标时：1333MPa的16cm沥青面层+70GPa的4mmGFRP基板+65cm基层厚度+风积沙路基。

6.结论

通过上述分析，本文有如下结论：(1)以沥青面层底部最大拉应力和表面弯沉值作为装配块平面尺寸的控制因素时，装配块的最佳平面尺寸为5×1m。(2)对沥青面层表面弯沉值而言，基层厚度影响最大。对于沥青面层底部最大拉应力，沥青面层模量影响最大。对于沥青面层底部最大剪应力，沥青面层厚度影响最大。而对于土基顶面压应力，基层厚度影响最大。(3)针对我国现行沥青路面设计指标的预制装配式沥青路面结构的优化设计方案如下：1333MPa的16cm沥青面层+70GPa的4mmGFRP基板+65cm基层厚度+风积沙路基。 参考文献

[1] 戴逸清,陈阳利,顾兴宇,等. 玄武岩纤维筋连续配筋混凝土路面力学分析[J]. 公路交通科技, 2016, 33(6): 15-19. [2] 封基良. 新疆油田公路层间滑移分析[D]. [西安]: 长安大学, 2000.

[3] 方小云,葛折贵. 一种沙漠公路装配式沥青路面及其施工工艺[J]. 建筑工程技术与设计, 2015, (9): 3082-3082. [4] 李健华. 沙漠地区路面典型结构研究[D]. [西安]: 长安大学, 2005.

[5] 杨帆. 新疆复合式路面使用性能分析与评价[D]. [新疆]: 新疆农业大学, 2013.