重载交通作用下沥青路面动剪应力分析

２０１０年第４期　（总第１９４期）　黑龙江交通科技　

ＨＥ　ＬＬＯＮＧＪＩＡＮＧ　ＪｌＡＯＴＯＮＧ　ＫＥＪ　Ｎｏ．４，２０１０　

（Ｓｕｍ　Ｎｏ．１９４）　

对水泥混凝土路面上沥青路面罩面竖向剪切应力的分析　刘　申　（河北省衡水公路工程总公司）　

摘要：针对旧水泥混凝土路面沥青路面罩面结构特点，分析了沥青混凝土罩面层产生反射开裂及罩面层与　旧水泥混凝土界面产生剪切破坏的情况，并对其开裂进行了简单的力学模型分析。　关键词：旧水泥混凝土路面；沥青路面；罩面；反射开裂；剪切应力；力学模型　中图分类号：Ｕ４１６．２１７　文献标识码：ｃ　文章编号：１００８—３３８３（２０１０）０４—００１０—０１　

在水泥混凝土路面上进行沥青面层罩面，是改善其使用　性能和提高其承载能力的一项常用措施，然而由于旧路面层　有接缝和裂缝，沥青路面容易产生反射裂缝问题。反射裂缝　是由于旧水泥混凝土面层在接缝、裂缝附近的位移引起接　缝、裂缝上方的沥青混凝土罩面层内出现应力集中所造成　的。我国目前制定旧水泥混凝土路面上沥青路面罩面设计　规范还不是很完善，而国外罩面层厚度设计主要应用经验法　来确定，如美国沥青协会（ＡＩ）的弯沉法认为旧水泥混凝土　面层接缝（或裂缝）处的弯沉量和弯沉差是引起沥青罩面层　开裂的主要原因，因为轮载的施加速度远高于温度变化产生　的面层板伸缩位移的速度。因而此方法以控制接缝或裂缝　处的板边平均弯沉值和弯沉差为设计要求。沥青协会根据　旧混凝土面板的长度和当地的年平均温度差（为最热和最　冷月的日最高温度与日最低温度差的３０年平均值）提出了　沥青罩面层厚度建议表；美国陆军工程师部队（ＣＯＥ）的补足　厚度缺额法是为机场罩面层制订的设计方法，该方法按现有　地基的承载能力，计算确定满足未来交通要求所需要的面层　厚度，而旧面层厚度与此厚度的差值便为所需补充的罩面层　厚度，旧面层的厚度按面层的结构损坏情况给予不同程度的　拆减。美国ＡＡＳＨＴＯ的路面设计指南也采用补足厚度缺额　的概念确定沥青罩面层的厚度，但不考虑罩面后的旧水泥混　凝土面板的进一步开裂。上述三种设计方法均属经验设计　法，是针对某国家或地区的特殊情况提出来的，没有推广意　义，理论分析不充分。　目前罩面层出现的裂缝认为其主要破坏形式为面层的　反射开裂、层间界面的剪切破坏、过重车车辙变形三种。　这里就面层的反射开裂进行分析。　反射裂纹的扩展模式根据断裂力学原理可分为张开型　（Ｉ型）、剪切型（Ⅱ型）和撕开型模式。对于旧水泥混凝土路　面上沥青路面罩面这种结构，温度型应力对应Ｉ型，行车型　荷载对应Ⅱ型，撕开型不常见，通过分析认为，温度应力引起　反射裂纹产生并参与了裂纹发展，而荷载应力加速了裂缝进　一步扩展。　在旧水泥混凝±路面上进行沥青路面加铺，在荷载作用　下产生的反射裂缝主要是剪切型开裂　为防止这种类型的反　射裂缝，可采用降低接缝处板边弯沉差以及增加罩面层的剪　切强度的措施。在温差作用下，由于旧水泥混凝土板的收缩，　导致罩面层在接（裂）缝处产生应力突变，当其疲劳应力超过　其抗拉强度时，便在接缝对应处产生温度型反射开裂。对于　采用灌浆等处理好的旧水泥混凝土路面，在荷载作用下，与旧　水泥混凝土路面结构相当半刚性基层沥青路面采用现行沥青　路面设计程序ＡＰＤＳ计算的沥青面层底部一般不会产生拉应　力。由于旧水泥混凝土路面存在接、裂缝，会导致沥青罩面层　层底产生应力集中现象，罩面结构设置夹层可以减少沥青面　层产生的应力集中效应，且设计方法中考虑应力集中问题难　度较大，所以在沥青面层层底弯拉应力计算时未进行特别考　虑，参照现行规范进行近似计算。沥青罩面层反射裂缝的问　题主要通过温度型收缩应力和竖向剪应力考虑。但温度收缩　模型不好建立，这里只对竖向剪应力进行分析。　考虑到不可能为减少车辙变形量而减少罩面层厚度，针　对路面结构特点，通常从选择罩面层材料和进行材料组成设　计，提高其抗温缩开裂和车辙的能力、设计过程需考虑的破　坏为因荷载和温度作用而产生反射开裂和层间界面的剪切　破坏。　１设计原则　在对旧路面板处理后，进行罩面层厚度设计的目标就是　控制和减少沥青面层反射裂缝的产生。而从其产生的原因　来分析，对于张开型反射裂缝主要是由于温度收缩引起；对　于剪切型反射裂缝主要从罩面层厚度设计中来考虑。同时，　应保证在沥青罩面层与旧水泥混凝土界面不发生剪切破坏。　从罩面层类型和材料组成设计上，确保其车辙变形控制在要　求的范围内。罩面设计方法力求简单、实用，罩面层设计参　数与现行沥青路面设计规范一致。　２设计竖向剪应力的近似计算　在荷载作用下，旧水泥混凝土路面上沥青罩面层产生的　剪切型反射裂缝，可用竖向剪切的受力状态来加以分析，车　轮作用在裂（接）缝的一侧，因而在接缝的两侧便会产生不　同的弯沉值，从而使沥青面层产生竖向剪应力。在这种剪应　力的重复作用下，如果沥青面层的抗剪切强度不够，会造成　沥青面层的反射开裂，借助接缝两侧的弯沉差、轮胎的接地　半径、接缝的宽度，提出如下竖向剪应力的计算公式。计算　简图如图１所示。　

隧道复合式路面沥青层最大剪应力影响因素分析作者：朱华明来源：《中国新技术新产品》2013年第04期摘要：隧道内复合式路面沥青层的破坏主要源于外部车辆荷载及环境作用下层内较大的剪应力，本文利用有限元工具建立复合式路面结构模型，对车辆竖向荷载、水平荷载、环境温度等对沥青层内最大剪应力的影响状况进行了分析，提出了应注意的有关问题。

关键词：隧道；复合式路面；沥青层；剪应力中图分类号：U25 文献标识码：A隧道复合式路面是由水泥混凝土加沥青混凝土构成的路面结构，由于沥青层与水泥混凝土层间刚度的巨大差异，使复合式路面沥青层在车辆荷载作用下的受力特点不同于半刚性基层沥青路面或柔性基层沥青路面，复合式路面结构沥青层内的剪应力是其病害出现的主要原因，而引发复合式路面沥青层剪应力的因素主要为车辆的竖向荷载和水平荷载。

另外由于环境温度的变化也会影响沥青层的刚度，使其模量提高或降低，从而改变其层内的剪应力分布。

文中利用有限元软件建立复合式路面结构模型对车辆竖向荷载、水平荷载、环境温度等对沥青层内最大剪应力的影响状况进行了分析。

1 有限元模型及相关参数有限元计算中所采用的模型断面如图1所示。

有限元计算所采用的各层参数可见表1。

结语综上所述，为了减少隧道内复合式路面沥青层在寿命期内发生剪切破坏的可能性，在合理的选择沥青层厚度、保证层间良好粘结的条件下，要注意以下几点：①选择模量较高的沥青混合料；②对通过隧道车辆的轴重加以控制，严格限制超载、超限车辆；③提高隧道通行速度，减少车辆在隧道内的加速和减速频率，从而降低隧道路面所受的水平荷载值。

参考文献[1]JTG D70-2004，交通部公路行业标准.公路隧道设计规范[S].[2]林绣贤.轮超载对沥青路面的危害[J].上海公路，2004（3）：1～4.。

基于重荷载作用下的沥青路面的设计及应用分析摘要：有关数据表明当道路通车后累计的当量标准轴次远超过一般水平时，路面性能衰减将超常规发展。

车辆的超载或者重载，使得已建路面变得过早损坏，在使用之初就会出现车辙、坑槽或者开裂沉陷等破坏，从而极大缩短路面的寿命。

基于此背景，笔者结合工程实践对重载作用下的沥青路面设计进行探讨。

关键词：重荷载作用；沥青路面设计；路面破坏中图分类号：u416.217文献标识码： a 文章编号：1.背景有关调查数据表明，沥青路面出现早期破坏的原因是各方面的，对车辆超载超限估计不足是其中一个非常重要的因素，也就是说我国目前所使用的沥青路面设计方法不再适合如今的重载交通沥青路面的设计。

我国目前的沥青路面的设计方法是根据常规荷载来设计的，而且由于路面材料本身明显的非线形特点，重载路面设计采用现行的规范的话，这在工程结构的安全上考虑是不规范的。

规范中明确表明现其所适用的是>13t的情况的沥青路面设计，而当轴重>13t却没有提及。

为了减少因车辆超载或重载对路面造成的过早破坏，提高沥青公路的通行能力，分析重荷载沥青路面设计是很有意义的。

2.重载沥青路面破坏原因分析交通轴载对路面厚度的设计是一个极其重要的参数。

现行的设计标准轴载为100kn，但是实际路面上的交通车辆通常会超限行使，这就使得实际测得的轴载大大的超过了标准的轴载，有的甚至超过了100%。

对于这种情况，为了避免沥青路面出现早期的疲劳破坏，就需要增加结构层的厚度。

从而有关研究设计人员就利用不同的轴载作用下底基层地面的弯拉应力与标准轴载作用下的应力相等的理念来确定在重载或者超载作用下所需要增加的结构层厚度，通过反复计算得出每一级超载水平所需增加的底基层厚度。

从上表中可以发现，车辆轴重每增加20kn，上表中每一项指标都会增大约19%，不过轴重从100kn增加至200kn时，底基层的弯拉应力或者弯拉应变都加大了近1倍，再观察当轴重增加至200kn 时底基层所增加的厚度达到37cm。

沥青混凝土桥面铺装结构的剪切分析一、背景桥面铺装结构一般由基层、中间层和面层组成。

其中，中间层是由沥青混合料密实而成，是桥面铺装层的关键组成部分。

在交通荷载作用下，桥面铺装层会受到剪切力的作用，因此进行剪切分析对于保证桥梁的安全和寿命具有重要意义。

二、分析方法1.理论分析：利用弹性理论和力学原理，结合桥面铺装层的材料性能和荷载情况，建立相应的数学模型，分析桥面铺装层的变形和应力分布情况。

2.数值模拟：通过有限元方法或其他数值分析软件，对桥面铺装层的结构和受力情况进行模拟分析，得出相应的变形和应力分布结果。

三、应用实例以桥梁的沥青混凝土桥面铺装结构为例，对其进行剪切分析。

1.获取桥梁的几何参数和荷载情况：包括桥面铺装层的厚度、长度、宽度等几何参数，以及交通荷载的类型、强度等。

2.建立数学模型：通过选择适当的弹性模量、泊松比等材料参数，建立相应的弹性理论模型，考虑桥面铺装层的厚度和荷载作用下的变形和应力分布。

3.进行数值模拟：利用商业有限元软件进行数值分析，选取适当的单元类型和网格分布，模拟荷载作用下的桥面铺装层变形和应力分布情况。

4.分析结果：根据数值模拟结果，得出桥面铺装层在交通荷载作用下的剪切变形和剪切应力分布情况，判断桥梁结构的安全性。

5.结果讨论和优化：根据剪切分析的结果，对桥梁结构进行讨论和优化设计，采取相应的加强措施，确保桥梁的安全和寿命。

综上所述，沥青混凝土桥面铺装结构的剪切分析是一项重要的工程问题。

通过理论分析和数值模拟方法，可以得出桥面铺装层的变形和应力分布结果，并对桥梁结构的安全性进行评估，为桥梁的设计和施工提供参考和指导。

但需要注意的是，在进行剪切分析时，应结合具体的实际情况和设计规范进行综合考虑，确保分析结果的准确性和可靠性。