不同轮胎花纹非均布荷载下沥青路面三维有限元分析_王鹏
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Table 1 表 1 计算所用的路面结构及参数 Pavement structure and parameter for calculation
半刚性路面结构 混合料 沥青混凝土 水泥稳定碎石 石灰土 厚度/m 0.15 0.30 0.40 弹性模量/MPa 1200 1500 800 40 泊松比 0.25 0.25 0.3 0.35 注：图中的尺寸以cm计，p1、p2、p3值为表2中的数值。
(a) Fig.2
(b)
图 2 轮胎接地面积及压力分布简化图 Schematic drawing of tire contact area and press distribution
当轮胎胎面为纵向花纹条时，荷载作用面简化 如图 2(a)，后轴轴载为 100kN 时，模拟实际荷载在 轮胎与路面接触面上中间大而在轮胎边缘处相对 小的不均匀分布的情况，对应应力取值为 870kPa、 680kPa、460kPa。当作用 120kN 和 140kN 荷载时， 压力分布见表 2。重载车辆作用下，荷载作用在轴 载上的压力增大，这样轮胎接地面积变大，轮印分 布出现相应变化。对不同荷载作用进行简化，假设 轮印面积不变而变化花纹条内压力值。当轮胎胎面 为横向花纹条时，荷载作用的面积简化如图 2(b)中 的横向荷载分布图示， 轴载 l00kN、 120kN 和 140kN 三种情况下对应压力分布值见表 2。选用此荷载简 化模型与圆形均布垂直荷载相比，更符合实际，能
序号 结构层 1 2 3 4 面层 基层 底基层 土基工程源自力学239
更真实地反映路面表层的轮载作用。
表 2 轮胎接地面积内压力分布 Table 2 Stress distribution in tire contact area
花纹类型 编号 后轴载/kN 花纹条内 压力分布/kPa p1 p2 p3 纵向花纹条 A-100 100 870 680 460 A-120 120 950 820 600 A-140 140 1010 950 760 横向花纹条 B-100 100 870 680 526 B-120 120 950 820 716 B-140 140 1010 950 940
摘
要：近年来对出现在路表面轮迹带边缘且向下扩展的纵向裂缝的研究，已成为国际沥青路面工程界对道路损
坏研究的新热点。采用传统的均匀分布的垂直表面荷载模式不能解释路面的这种损坏。为了探求从上到下表面裂 缝形成的原因，该文考虑不同的轮胎花纹形式，选用非均布车轮荷载模式建立了半刚性路面结构的三维有限元模 型，采用大型有限元软件 ABAQUS 进行了数值分析。计算结果表明：路面结构最大剪应力发生在路面表层，其 值较大超过了面层材料的抗剪强度，可能是导致表面裂缝的直接原因，且裂缝出现在轮迹带边缘，表现为纵向裂 缝的形式。无论是纵向花纹轮胎还是横向花纹轮胎，重载车辆对路面都极具破坏性。在重载作用下，纵向花纹轮 胎比横向花纹轮胎对路面的破坏更大。轮胎花纹形式的不同，对路面的影响是不同的，横向花纹轮胎更易形成斜 向裂缝。 关键词：道路工程；表面裂缝；有限元法；沥青路面；轮胎花纹；重载 中图分类号：U416.2 文献标志码：A
―8]
，选用其
实测得出的一定轮载和胎压下的接触面积内的压 力分布作为作用于路表的荷载，如图 2 所示。
。轮胎表面花纹的不断
变化，虽然在胎面上刻制花纹主要是为了确保轮胎 与地面间的摩擦系数，发挥制动、驱动和侧偏等力 学特性，但也同时由于它的存在使得轮胎的接地面 积和接地压力更复杂化[4]。故传统的路面结构分析 模型已无法解释路面在较重轴载和较大胎压作用 下出现的许多损坏。本文主要分析不同轮胎花纹非 均布荷载作用下沥青路面结构的响应，以此探求路 面表面裂缝形成的原因。
Abstract:
In recent years the research on surface-initiated longitudinal cracking along wheelpath (or Top-Down
Cracking) has become a hot topic in the field of pavement damage focused by international asphalt pavement engineering. Because the traditional load mode involves only the vertical surface load with uniform tire pressure, the load is applied at only one position and no effort is made to distinguish between tire patterns. The tradition method cannot explain the mechanism of the Top-Down Cracking (TDC). In order to discuss the mechanism of TDC, a 3D finite element model of semi-rigid pavement structure is established and the finite element software ABAQUS is used. The analysis shows that maximum shear stress appears in the surface of pavement, and is located the edge of wheel path in the form of the longitudinal cracks. Maximum shear stress is beyond the shear strength of asphalt binder. So it is thought to be the major reason leading to Top-Down Cracks. Heavy vehicles with no matter the vertical pattern tire or the transverse pattern tire will do great damage to the pavement surface. Heavy vehicles with the vertical pattern tire will cause greater damage to the pavement surface than those with the transverse pattern tire. Different forms of tire patterns, which lead to different forms of the cracks, have different influence on the pavement. The tire with the transverse pattern will be easier to generate the oblique cracks. Key words: highway engineering; top-down cracking; finite element method; asphalt pavement; tire pattern; heavy load
第 29 卷第 5 期 2012 年 5 月
Vol.29 No.5 May 2012
工
程
力
学 237
ENGINEERING MECHANICS
文章编号：1000-4750(2012)05-0237-05
不同轮胎花纹非均布荷载下沥青路面 三维有限元分析
王 鹏
(郑州大学水利与环境学院，河南，郑州 450002)
———————————————
收稿日期：2010-08-03；修改日期：2011-01-09 通讯作者：王鹏(1973―)，女，河南洛阳人，副教授，博士，主要从事路基路面结构与材料的分析与检测研究(E-mail: wangp@)
238
工
程
力
学
近些年来，随着柔性路面结构的增多以及汽车 工业的发展，越来越多的路面开裂表现出从上到下 的开裂，表面裂缝在行车荷载的反复作用下，导致 裂缝的进一步开展，从而引起路面过早破坏[1]。而 目前国内的高速公路出现的一些早期破坏与车辆 的荷载特性有很大的关系。传统的路面结构分析模 型大都是将车辆荷载简化成双圆均布垂直荷载和 单向水平荷载，而忽略了轮胎与路面接触面积上压 力的非均布性。且随着轮胎工业的发展，荷载作用 于路面的传递物——轮胎的特性也发生了很多改 变，轮胎特性的改变也直接影响到荷载作用于路面 的分布形状和量值大小[2
文计算的最大拉应力比混合料的抗拉强度小一个 数量级，而最大剪应力值接近抗剪强度。考虑到混 合料的疲劳作用，因此可以认为最大剪应力可能是 导致表面裂缝的直接原因，且裂缝出现在轮迹带边 缘，这一点正好与实际相吻合。
2.5
y
y z x
2.5
3 不同轮胎花纹非均布荷载作用下 路面结构响应的分析
3.1 纵纹轮胎路面结构响应分析 当轮胎胎面为纵向花纹条时， 纵纹轮胎路面结 构模型如图 3 所示。取用图 2(a)荷载作用图式，分 别将后轴轴载为 100kN、 120kN 和 140kN 时的带状 荷载数据引入模型中进行计算，得到路面结构的应 力场，计算结果见表 3，应力 S11 分布见图 4。 分析表 3 的数据可以看到， 最大拉应力出现的 坐标为(0.0, 1.65, 2.5)，反应到模型中的位置是车轮 中间底基层底部， 最大拉应力值为 3.901×104Pa， 该 应力可能会引起反射裂纹的产生，这与之前一些研 究人员研究的结论相同。再看剪应力出现的坐标为 (0.0, 2.5, 2.3)， 反应到模型中的位置是位于路面表面 轮迹外边缘，该值为 3.093×105Pa，根据文献，一般 沥青混合料在常温、低温下的抗拉强度数量级为 1MPa ，抗剪强度约为 0.3MPa~0.5MPa
半刚性路面结构 混合料 沥青混凝土 水泥稳定碎石 石灰土 厚度/m 0.15 0.30 0.40 弹性模量/MPa 1200 1500 800 40 泊松比 0.25 0.25 0.3 0.35 注：图中的尺寸以cm计，p1、p2、p3值为表2中的数值。
(a) Fig.2
(b)
图 2 轮胎接地面积及压力分布简化图 Schematic drawing of tire contact area and press distribution
当轮胎胎面为纵向花纹条时，荷载作用面简化 如图 2(a)，后轴轴载为 100kN 时，模拟实际荷载在 轮胎与路面接触面上中间大而在轮胎边缘处相对 小的不均匀分布的情况，对应应力取值为 870kPa、 680kPa、460kPa。当作用 120kN 和 140kN 荷载时， 压力分布见表 2。重载车辆作用下，荷载作用在轴 载上的压力增大，这样轮胎接地面积变大，轮印分 布出现相应变化。对不同荷载作用进行简化，假设 轮印面积不变而变化花纹条内压力值。当轮胎胎面 为横向花纹条时，荷载作用的面积简化如图 2(b)中 的横向荷载分布图示， 轴载 l00kN、 120kN 和 140kN 三种情况下对应压力分布值见表 2。选用此荷载简 化模型与圆形均布垂直荷载相比，更符合实际，能
序号 结构层 1 2 3 4 面层 基层 底基层 土基工程源自力学239
更真实地反映路面表层的轮载作用。
表 2 轮胎接地面积内压力分布 Table 2 Stress distribution in tire contact area
花纹类型 编号 后轴载/kN 花纹条内 压力分布/kPa p1 p2 p3 纵向花纹条 A-100 100 870 680 460 A-120 120 950 820 600 A-140 140 1010 950 760 横向花纹条 B-100 100 870 680 526 B-120 120 950 820 716 B-140 140 1010 950 940
摘
要：近年来对出现在路表面轮迹带边缘且向下扩展的纵向裂缝的研究，已成为国际沥青路面工程界对道路损
坏研究的新热点。采用传统的均匀分布的垂直表面荷载模式不能解释路面的这种损坏。为了探求从上到下表面裂 缝形成的原因，该文考虑不同的轮胎花纹形式，选用非均布车轮荷载模式建立了半刚性路面结构的三维有限元模 型，采用大型有限元软件 ABAQUS 进行了数值分析。计算结果表明：路面结构最大剪应力发生在路面表层，其 值较大超过了面层材料的抗剪强度，可能是导致表面裂缝的直接原因，且裂缝出现在轮迹带边缘，表现为纵向裂 缝的形式。无论是纵向花纹轮胎还是横向花纹轮胎，重载车辆对路面都极具破坏性。在重载作用下，纵向花纹轮 胎比横向花纹轮胎对路面的破坏更大。轮胎花纹形式的不同，对路面的影响是不同的，横向花纹轮胎更易形成斜 向裂缝。 关键词：道路工程；表面裂缝；有限元法；沥青路面；轮胎花纹；重载 中图分类号：U416.2 文献标志码：A
―8]
，选用其
实测得出的一定轮载和胎压下的接触面积内的压 力分布作为作用于路表的荷载，如图 2 所示。
。轮胎表面花纹的不断
变化，虽然在胎面上刻制花纹主要是为了确保轮胎 与地面间的摩擦系数，发挥制动、驱动和侧偏等力 学特性，但也同时由于它的存在使得轮胎的接地面 积和接地压力更复杂化[4]。故传统的路面结构分析 模型已无法解释路面在较重轴载和较大胎压作用 下出现的许多损坏。本文主要分析不同轮胎花纹非 均布荷载作用下沥青路面结构的响应，以此探求路 面表面裂缝形成的原因。
Abstract:
In recent years the research on surface-initiated longitudinal cracking along wheelpath (or Top-Down
Cracking) has become a hot topic in the field of pavement damage focused by international asphalt pavement engineering. Because the traditional load mode involves only the vertical surface load with uniform tire pressure, the load is applied at only one position and no effort is made to distinguish between tire patterns. The tradition method cannot explain the mechanism of the Top-Down Cracking (TDC). In order to discuss the mechanism of TDC, a 3D finite element model of semi-rigid pavement structure is established and the finite element software ABAQUS is used. The analysis shows that maximum shear stress appears in the surface of pavement, and is located the edge of wheel path in the form of the longitudinal cracks. Maximum shear stress is beyond the shear strength of asphalt binder. So it is thought to be the major reason leading to Top-Down Cracks. Heavy vehicles with no matter the vertical pattern tire or the transverse pattern tire will do great damage to the pavement surface. Heavy vehicles with the vertical pattern tire will cause greater damage to the pavement surface than those with the transverse pattern tire. Different forms of tire patterns, which lead to different forms of the cracks, have different influence on the pavement. The tire with the transverse pattern will be easier to generate the oblique cracks. Key words: highway engineering; top-down cracking; finite element method; asphalt pavement; tire pattern; heavy load
第 29 卷第 5 期 2012 年 5 月
Vol.29 No.5 May 2012
工
程
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学 237
ENGINEERING MECHANICS
文章编号：1000-4750(2012)05-0237-05
不同轮胎花纹非均布荷载下沥青路面 三维有限元分析
王 鹏
(郑州大学水利与环境学院，河南，郑州 450002)
———————————————
收稿日期：2010-08-03；修改日期：2011-01-09 通讯作者：王鹏(1973―)，女，河南洛阳人，副教授，博士，主要从事路基路面结构与材料的分析与检测研究(E-mail: wangp@)
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近些年来，随着柔性路面结构的增多以及汽车 工业的发展，越来越多的路面开裂表现出从上到下 的开裂，表面裂缝在行车荷载的反复作用下，导致 裂缝的进一步开展，从而引起路面过早破坏[1]。而 目前国内的高速公路出现的一些早期破坏与车辆 的荷载特性有很大的关系。传统的路面结构分析模 型大都是将车辆荷载简化成双圆均布垂直荷载和 单向水平荷载，而忽略了轮胎与路面接触面积上压 力的非均布性。且随着轮胎工业的发展，荷载作用 于路面的传递物——轮胎的特性也发生了很多改 变，轮胎特性的改变也直接影响到荷载作用于路面 的分布形状和量值大小[2
文计算的最大拉应力比混合料的抗拉强度小一个 数量级，而最大剪应力值接近抗剪强度。考虑到混 合料的疲劳作用，因此可以认为最大剪应力可能是 导致表面裂缝的直接原因，且裂缝出现在轮迹带边 缘，这一点正好与实际相吻合。
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y
y z x
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3 不同轮胎花纹非均布荷载作用下 路面结构响应的分析
3.1 纵纹轮胎路面结构响应分析 当轮胎胎面为纵向花纹条时， 纵纹轮胎路面结 构模型如图 3 所示。取用图 2(a)荷载作用图式，分 别将后轴轴载为 100kN、 120kN 和 140kN 时的带状 荷载数据引入模型中进行计算，得到路面结构的应 力场，计算结果见表 3，应力 S11 分布见图 4。 分析表 3 的数据可以看到， 最大拉应力出现的 坐标为(0.0, 1.65, 2.5)，反应到模型中的位置是车轮 中间底基层底部， 最大拉应力值为 3.901×104Pa， 该 应力可能会引起反射裂纹的产生，这与之前一些研 究人员研究的结论相同。再看剪应力出现的坐标为 (0.0, 2.5, 2.3)， 反应到模型中的位置是位于路面表面 轮迹外边缘，该值为 3.093×105Pa，根据文献，一般 沥青混合料在常温、低温下的抗拉强度数量级为 1MPa ，抗剪强度约为 0.3MPa~0.5MPa
