復合式路面界面層剪應力的簡(jiǎn)化分析論文
【摘 要】針對剛柔復合式路面界面層所受剪應力，運用功能原理建立界面層剪應力簡(jiǎn)化計算模型。分析車(chē)輛在不同行駛速度和剎車(chē)距離情況下，剛柔性路面界面層所受到的剪應力大小。計算結果顯示：在行駛速度為120Km/h，剎車(chē)距離為50m時(shí)，界面層所受到的最大剪應力不會(huì )超過(guò)0.778MPa。
【關(guān)鍵詞】剛柔性路面；界面層；剪應力；功能原理；防水粘結層お
【Abstract】Rigid Composite Pavement interface layer suffered shear stresses, using functional principles of the establishment of boundary layer shear stress, simplify the calculation model. Analysis of vehicle speed and braking distance of different circumstances, the rigid flexible pavement layer interface, being the size of the shear stress. The results showed: In the running speed of 120Km / h, braking distance of 50m, the interface layer are subject to the maximum shear stress does not exceed 0.778MPa.
【Key words】Rigid flexible pavements; Interface layer; Shearing stress; Functional theory; Waterproof bonding layerお
1. 引言
剛柔性路面主要包括兩種結構形式，一種是就水泥混凝土路面上加鋪瀝青層，俗稱(chēng)“白改黑”路面，另一種是水泥混凝土橋瀝青混合料鋪裝結構，二者在受力上有許多的相似之處。剛柔復合式路面面層材料模量相差大，其損壞形式大體相似，如：推移、開(kāi)裂、剝離。究其原因，都是因為界面層的剪切破壞和粘結破壞，而界面層的破壞十有八九是由于界面層抗剪強度不足所致,因此,剛柔性路面界面層所受剪應力大小及抗剪強度指標非常關(guān)鍵。有很多文獻資料都對剛柔性路面界面層剪應力進(jìn)行過(guò)理論分析和計算，通常都采用數值模擬軟件，建立有限元模型進(jìn)行計算。目前有許多通用的有限元分析軟件可以用于各種路面結構的分析與計算，如ANSYS，ADNIA，SAP系列等。相對于平面的二維有限元分析，三維有限元分析能更好地模擬實(shí)際的路面結構，其分析結果也更接近路面實(shí)際的受力特點(diǎn)。運用三維有限元分析計算剛柔性路面界面層的受力，可以考慮車(chē)輛軸載、車(chē)輛行駛狀態(tài)、瀝青層厚度、瀝青層模量、界面層粘結狀態(tài)等因素對界面層受力的影響。采用有限元分析法雖然能夠對界面層所受剪應力進(jìn)行全面細致的計算分析，如忽略模型本身的誤差，其分析計算結果也相對精確。但是，有限元建模過(guò)程復雜，需要一定的有限元建模知識，很多人在短時(shí)間內無(wú)法完成，給有限元分析結果的實(shí)際應用造成了一定的阻礙。
2. 剛柔性路面界面層剪應力的簡(jiǎn)化模型
相關(guān)研究表明，界面層在剎車(chē)時(shí)受到的剪應力較車(chē)輛正常行駛時(shí)產(chǎn)生的剪應力大很多，由于工程結構物類(lèi)型復雜，交通條件和自然環(huán)境條件也時(shí)常變化，有限元分析往往無(wú)法將所有的因素都考慮進(jìn)去，因此，本文出于偏安全的考慮，采用簡(jiǎn)化的力學(xué)分析方法，考查在最不利狀況下（超載剎車(chē)）鋪裝層所承受的最大剪應力。假定剎車(chē)時(shí)的慣性力完全傳遞到界面層，完全由相應面積下的界面層的抗剪能力承擔剎車(chē)時(shí)產(chǎn)生的水平荷載（在實(shí)際剎車(chē)過(guò)程中，車(chē)輛制動(dòng)距離、輪胎類(lèi)型、路表面構造、鋪裝層厚度等都會(huì )影響水平荷載的大�。�。
本次計算了標準軸載BZZ-100和標準軸載超載30%兩種軸載情況下，在不同行駛速度，剎車(chē)產(chǎn)生的剪應力。標準軸載超載30%后，軸重增加，輪胎接地壓力會(huì )有顯著(zhù)增大，輪胎壓力增加，接地面積也會(huì )隨之發(fā)生改變。參考相關(guān)文獻后，取標準軸載超載30%的輪胎接地壓力為1.092MPa，輪胎接地面積可通過(guò)軸重和輪胎接地壓力計算得到。此處提到的簡(jiǎn)化計算方法實(shí)際上就是運用功能原理，將車(chē)輛剎車(chē)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能與摩擦力所做的功結合起來(lái)，通過(guò)公式：〖SX(1〖2〖SX)mν2=fl（m為車(chē)輛質(zhì)量，可通過(guò)軸重計算得到，l為剎車(chē)距離）計算得到水平摩擦力f，而水平摩擦力f=s，s為界面層受力面積，認為等于輪胎接地面積。運用功能關(guān)系，可以得到界面層剪應力的簡(jiǎn)化計算公式：=〖SX(pν2〖20l〖SX)；其中，為所求界面層剪應力，p為輪胎接地壓力，v為車(chē)輛行駛速度，l為剎車(chē)距離。
3. 剛柔性路面界面層剪應力的簡(jiǎn)化計算結果
運用界面層剪應力的簡(jiǎn)化計算公式對界面層剪應力進(jìn)行計算
*參考相關(guān)文獻，車(chē)輛行駛速度達到120Km/h時(shí)，很難在50m距離內剎車(chē)至完全靜止狀態(tài)。
從界面層剪應力簡(jiǎn)化計算方法及計算結果可以看出，當車(chē)輛軸重大，剎車(chē)距離短，行駛速度快時(shí)，界面層受到的剪應力為最大。從簡(jiǎn)化計算方法中的計算公式可以看出，剪應力與輪胎壓力成正比，與剎車(chē)距離成反比，與行駛速度的平方成正比。此次計算的剪應力界面層所可能受到的最大剪應力，將車(chē)輛輪胎接地面積大小的鋪裝取為隔離體，則其受到的主要作用力
在最不利條件下，即當鋪裝層內的推力為0時(shí)，剎車(chē)產(chǎn)生的水平剪應力完全由界面層承擔，當軸載為BZZ-100，行駛速度為120Km/h，剎車(chē)距離為50m時(shí)，界面層可能承受的最大剪應力為0.778MPa。而實(shí)際上界面層受到的剪應力一定是比0.778MPa要小的，若以此為標準要求界面層抗剪強度肯定是足夠安全的。
說(shuō)明：
第一類(lèi)工程：特大型橋橋梁、各種特殊路段橋梁（如立交橋閘道，坡橋，彎橋等）；長(cháng)大縱坡路段、急彎路段、實(shí)際交通量大的高等級公路、存在較頻繁超載、超限車(chē)輛運輸的路段；氣候條件惡劣、年最高氣溫與最低氣溫相差超過(guò)45℃或年最高氣溫超過(guò)35℃的路段； 第二類(lèi)工程：各種形式的中型橋梁，無(wú)特殊路段的大型橋梁；無(wú)特殊路段的各高等級公路，實(shí)際交通量不超過(guò)初試設計量，不存在頻繁的超載、超限車(chē)輛運輸路段；氣候條件一般，年最高溫度不超過(guò)35℃，年最高氣溫與最低氣候相差不超過(guò)45℃的路段；
第三類(lèi)工程：各種形式的小橋，無(wú)特殊路段的中橋；無(wú)特殊路段的各等級公路（除高速公路，城市主干道和各干線(xiàn)公路之外）；交通量較小，不存在超載、超限車(chē)輛運輸路段；氣候條件較好，年最高溫度不超過(guò)30℃，年最高氣溫與最低氣溫相差不超過(guò)40℃的路段。
4. 剛柔性路面界面層抗剪強度標準
通過(guò)對剛柔性路面界面層剪應力的簡(jiǎn)化分析與計算，得到了正常情況下界面層所受到剪應力最大值為0.778MPa。那么，對于實(shí)際工程而言，如何制定合理的界面層抗剪強度標準是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。標準定得過(guò)高，勢必造成不必要的浪費，而且給設計和施工帶來(lái)許多困難。標準定得過(guò)低，將起不到控制作用，路面容易發(fā)生破壞。筆者認為，剛柔性路面界面層抗剪強度標準應該在界面層力學(xué)分析基礎上，考慮到路面使用品質(zhì)與經(jīng)濟性的平衡，照顧到絕大多數的工程實(shí)際情況�？紤]工程所在地氣候條件，交通條件，工程重要程度等等因素。綜合考慮各種因素后，制定合理的抗剪強度標準。筆者的思路是，首先根據工程所在地氣候環(huán)境、交通條件、工程重要性，對工程進(jìn)行分類(lèi)。分類(lèi)之前，首先確定分類(lèi)指標，如：氣候條件、交通條件、工程重要程度等。工程所在地屬夏酷熱冬嚴寒氣候惡劣區，年最高氣溫與最低氣溫相差較大，且交通條件較為惡劣，指交通量大、超載超限運輸頻繁、由于道路線(xiàn)形設計的原因，使得車(chē)輛在行駛時(shí)頻繁出現剎車(chē)、加速或緊急制動(dòng)等情況，并且工程本身比較重要，如特大型的橋梁，高速公路，或是重要的干線(xiàn)公路，城市主干道等。對于滿(mǎn)足以上三個(gè)條件的，界面抗剪強度標準應該適當提高；而對于一般性工程，如：氣候條件較平穩；交通條件較好，滿(mǎn)足預先的各項設計要求；車(chē)輛行駛正常，道路本身無(wú)長(cháng)大縱坡、急彎等不良行事路段，其界面層抗剪強度標準可適當放寬。
綜合各種因素，結合目前的實(shí)際情況，提出如下界面層抗剪強度標準，
以上抗剪強度指標的確定，主要是基于路段的實(shí)際交通條件和氣候條件，根本則是考慮到路段界面層可能受到的最大剪應力。同時(shí)，并沒(méi)有取界面層可能出現的最大剪應力，因為，這些最大值往往是在所有不利因素都同時(shí)出現之后取得的，這在實(shí)際中是極少可能出現的�？紤]到標準的廣泛適用性，考慮到指標的可控制性和可能造成的經(jīng)濟效應，最后的取值通常是考慮到最有可能出現的一些控制性較強的且又不會(huì )造成巨大浪費的數值。
5. 結論
本文運用功能原理建立剛柔性界面層剪應力的簡(jiǎn)化計算模型，通過(guò)計算得到正常情況下，界面層所受剪應力不超過(guò)0.778MPa�；谟嬎憬Y果，考慮到工程實(shí)際情況，提出了剛柔復合式路面界面層抗剪強度標準。對于一類(lèi)工程，建議抗剪強度不低于0.5MPa，二類(lèi)工程不低于0.4MPa，三類(lèi)工程不低于0.3MPa。
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