制动条件下沥青路面受力分析

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1、制动条件下沥青路面受力分析第1章绪论1.1问题提出及研究意义交通运输行业的快速发展，为人们的日常生活提供了很大便利，相比之下路基路面设计规范的更新就显得有些缓慢。目前我国路基路面设计规范中，把车辆荷载通常看作是静止的，在车速低、车辆载重小的情况下，这种做法是合适的。但近年来，我国已经逐渐进入重交通阶段，车速与车辆载重的增加，导致车辆在道路行驶过程中引起的惯性力和冲击力也越来越大。传统的路面结构设计方法并没有考虑荷载的移动性和轮胎接触处压力的复杂性，这样就不能良好的模拟路面的实际作用力[1]。车辆实际行驶中，车轮与路面相互作用，道路承受的荷载为动力荷载，路面发生随时

2、间变化的力学响应。在沥青路面中一些特殊路段动力表现会更加明显，如高速公路的上坡与下坡处，城市交通的公交车站牌处、交叉口处，这些车辆易发生制动的区域。车辆制动造成车速短时间内的变化，这种变速移动荷载会对路面产生不利的影响。目前的静力模型不能从理论上解释道路的一些破坏现象，比如道路交叉口比其他路面更早出现变形、车辙、波浪等早期破坏现象。车辆在路面行驶时产生的水平荷载是一个不能忽视的因素，如车轮与道路间形成的滚动摩擦力，车辆制动时生成的滑动摩擦力，这些实际上是因为动力效应而产生的力，给道路的设计、施工、养护和改建带来很大的麻烦。每年对道路的维修不仅花费了大量人力、物力和

3、财力，也会造成不良的社会影响。因此，对道路的一些敏感地带进行车辆制动下结构的受力分析，具有一定的理论和实际意义。.1.2国内外研究现状沥青路面受力研究是一种通过理论力学、材料力学、结构力学、弹塑性力学、断裂力学和粘弹性力学等知识，来计算路面的应变、应力以及位移的方法，也是道路工程师进行路基路面设计与分析的基础。上世纪50年代，Sneddon通过积分变换方法推算出弹性半空间物体在匀速移动的荷载作用下动态响应的通用方程。此后不久，Cole和Huth用运动荷载产生的波来分析爆炸波对半空间表面的影响。1965年Eason研究出了多种不同的移动荷载作用下均质弹性半空间的三维

4、稳态响应[2]，移动的点荷载也在研究的范围内。但研究结果，仅仅限于低音速的情况。1969年，Gakenherimer和Mikloer提出的修正后的平面应变模型，根据傅立叶变换技术，对非均匀轮胎和多种组合荷载接触压力作用下沥青路面进行动力响应研究，其中沥青混凝土面层采用粘弹性模型，土基和基础采用线弹性模型，轮胎接触压力图简化成矩形分布[5]。1997年，DietermanMetrikine得出了粘弹性层在运动简谐荷载作用下的解析解，分析了荷载的临界速度[6]。1998年，RajV.siddharthan等提出有限层法对柔性路面动力分析，并编制3D-MOVE计算程序，

5、轮胎与路面的接触位置采用非圆形，接触面上的应力分为法向应力和剪应力，同时考虑路面材料的粘弹性[7]。..第2章沥青路面力学基本理论2.1计算理论综述路面结构是非常复杂的，它是在一个深度没有界限的地基上放置一个面积非常大的层状结构。行驶在道路上的车辆荷载是不均匀的、不连续的，组成路面的材料也是复杂多变的，所以要使路面的结构分析符合路面的实际受力情况是困难的。目前沥青路面的计算理论以及所涉及到的学科主要有：弹性层状体系理论、有限元理论、粘弹塑性力学、流变学、非弹性力学、岩土塑性力学和断裂力学[21]。沥青路面的力学研究是在发展中前进的，起初受到大家认可的是古典应力学理

6、论，随着科学的发展，弹性层状体系理论渐渐占据主导地位，目前普遍使用的是动力学分析和非线性分析以及有限元分析。随着研究理论的进步，路面的变形与边界条件得到了更加精确的考虑，由微分到有限元，分析变的更加细致和全面。静力平衡理论是古典应力学分析的基础，在分析中假定路面上的汽车荷载是均布的圆形荷载或者是一个集中荷载，荷载通过路面以某种分布方式传递到道路路基中，当路基顶面所承受的汽车荷载压力符合它的容许承载力要求时，就达到了静态平衡状态。弹性层状体系理论比之前的理论更加能反映沥青路面在实际使用中的状态。我国使用的公路沥青路面设计规范就是采用这种理论[22]。路面结构是由土基

7、与不同材料的结构层组成的，在车辆荷载的作用下，会出现具有非线性特性的应力变形关系，而且随着荷载应力对道路作用时间的不同，变形会不断的变化，同时当荷载应力取消时会出现一部分不能恢复的变形。经过分析可知沥青路面是非线性的弹塑性体，沥青路面上行驶的车辆荷载是移动的，它在路面某一点停留的时间只有百分之几秒，所以形成的粘塑性变形很少。在高等级的沥青路面中，沥青的厚度比较大，强度也比较高，在设计中把它作为线弹性体是合理的[23]。.2.2弹性层状体系基本理论一些弹性层组合后形成弹性层状体系，最下面那层是具有弹性的半空间体，其他层或多或少都会有一些厚度。弹性理论是包括弹性层状体

8、系理论的，