山区高速公路爬坡路段车辙变形的有限元分析

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1、第35卷，第1期公路工程Vo1．35，No．12010年2月HighwayEngineeringFeb．，2010山区高速公路爬坡路段车辙变形的有限元分析涂征宇，李跃军，张宏超(1．衡炎高速公路建设开发有限公司，湖南衡阳421500；2．湖南省交通科学研究院，湖南长沙410015；3同济大学，上海200092)[摘要]针对坡面的荷载特性和路面的结构组合，采用3种典型车型和3种典型路面结构对路面响应应力与蠕变变形进行了三维有限元分析，研究结果表明，坡面荷载合力明显高于常规平直路段荷载；荷载接地压力的非均布效应非常显著

2、；坡面上发生车辙变形的可能性比常规平直路段高25％以上，需要单独设计以防止车辙的发生。[关键词]高速公路；车辙；变形；分析[中图分类号】U418．68[文献标识码】B[文章编号】1674—0610(2010)01—0082—06AnalysisoftheMountainousExpresswayRuttingDeformationonlongitudinalgradebyFiniteElementTUZhengyu，LIYuejun，ZHANGHongchao(1．HunanHengyanExpresswayCon

3、structionDevelopmentCo．Ltd．；Hengyang，Hunan421500，China；2．HunanCommunicationsScienceResearch[nstitute，Changsha，Hunan410015，China；3．TonalU-niversity，Shanghai200092，China)[Keywords]highway；rut；de~rmation；analysis寸的特性，分析范围、Y轴方向各为2．5m，方向0前言深度根据路面结构及车型的不同，需依据理论弯沉我国是

4、一个山岭重丘区较多的国家，山区面积值的大小进行调整。占总面积的70％以上，山区高速公路在中国高速公计算采用8结点等参单元，边界条件假设为：路网中也占很大的比例。由于山区高速公路建设底面上没有方向位移，左右两面没有方向位移，中，山岭重丘区河流、山脉众多，为了避免工程量过前后两侧没有Y方向位移，层间完全连续。需说明大，不可避免的采用较小的平曲线半径，较长较陡的的是，边界约束条件的不同对计算结果是有影响的，纵坡(>3％)，当重载车辆在上坡段行驶时，车轮与道路是水平和深度方向为无限、宽度方向为有限的路面的接触面上沿路面方向

5、产生相当大的水平力，三维结构，而有限元的计算方法只能计算有限尺寸同时由于车速减缓，水平力的作用时间较长。一些下结构物的力学反应值。实际上，当将分析范围取路段在通车后短不久就出现很严重的车辙。爬坡路到足够大时，计算的结果应该是接近所假设荷载作段的车辙问题已成为山区高速公路建设过程中急需用下的真实反应值的。解决的技术难题。为此，本文采用有限元法，对实测轮胎接地荷载下不同工况和路面结构组合时路面内的剪应力场进行了深入的分析，探讨其对车辙的影响，以指导工程实践。1坡面力学分析的有限元模型及计算参数根据对坡面受力的分析，可以

6、构建三维有限元的分析模型，如图1所示。依据垂直应力及接地尺图1坡面力学分析有限元模型[收稿日期]2009—1I一20[作者简介]涂征宇(1970一)，男，湖南南县人，高级工程师，主要从事高速公路建设与管理工作。第1期涂征宇，等：山区高速公路爬坡路段车辙变形的有限元分析83对于坡面法线方向受力主要考虑接地压力的非力的分布不同时，整个作用面内的荷载作用总量大均布效应，也就是法向力F是(，y)的函数分布。小不变，即轮胎负荷是不变的，考虑荷载作用面积的首先分析同一路面结构在额定载荷作用下，不同车折减(折减系数取为0．75)

7、、不折减及荷载作用力的型时轮载作用力的不同分布形式及作用面积(折减凸型、凹型、均匀分布3种分布形式。荷载的作用尺与不折减)对沥青路面结构的力学影响。假设作用寸及作用力的大小见表1。表1荷载作用尺寸及作用力参数表注：压应力P值在实际计算时对非均匀分布要乘以相应的系数。水平力Fy根据坡面受力分析的结果，因不同车并不相同，考虑最不利第一和第三工况，路面坡度按辆的质量m，坡面加速度n和路面摩擦系数u，均匀4％计，见表2。分布于轮胎接地面上，其作用力大小对于不同车型路面模型考虑3种典型路面结构，如表3～表5表2荷载作用尺寸及

8、作用力参数表所示。3种路面结构都是我国生产实践中应用广泛表5计算用路面结构c的半刚性基层路面，具有很强的代表性。表3计算用路面结构a温大变形活动范围内表现为粘塑性体，而在通常温度的过渡范围内则为一般粘弹性体。典型的沥青混合料在荷载作用下高温蠕变曲线规律如图2所示，可以将其变形分为3个阶段：①迁移期，蠕变变形在瞬间迅速增大，但应变速率随时间的延长迅速减小；②稳