时间：2013-11-29 分类：交通运输
摘要：在道路设计中，都是将车辆荷载作为静载的形式来设计道路中各层参数，常常忽略动载对道路的影响。本论文采用大型有限元软件ANSYS，应用弹性层状体系理论分别模拟车辆在静止和移动状态下对道路应变、位移的影响。数值模拟结果表明：沿着道路平面方向荷载对路基的影响范围为6～8m,沿着路基深度方向荷载对路基的影响范围为5～8m。
关键词：静载,移动荷载,ANSYS, 数值模拟
0 引言
目前国内外对城市道路设计的方法一般都是将汽车荷载简化为静力荷载进行分析，但是现实中车辆总是以一定的速度在路面上行驶，这样不但导致设计过于保守而且与路面实际受力情况不相符，造成一定的经济损失，所以分析移动荷载下各结构层的力学变化具有很大的实际意义与经济价值。对于沥青混凝土路面，都是由多层材料分层填筑而成，故弹性层状体系理论是研究沥青混凝土路面较为理想的理论。由于各分量的表达式都含有贝塞尔和指数函数的广义积分，手动求解比较困难，故需要借助大型有限元软件进行数值计算。移动荷载比静载多了一个时间因素，所以本文应用ANSYS有限元软件，通过设置荷载步与时间来实现移动荷载的模拟，对在移动荷载下沥青混凝土路面结构层响应进行分析研究。
工程概况
本工程为伊宁市重庆路延伸段道路工程，道路总长759.79米，道路断面50米，面积为37990平方米。道路等级为城市主干路Ⅱ级，路面结构设计标准轴载BZZ-100KN，道路设计年限15年，地震基本烈度为7度，综合各种因素，经核算，确定路面结构自上而下依次为：4cm厚中粒式沥青混凝土(AC-16)、7cm厚粗粒式沥青混凝土(AC-25)、20cm厚4%水泥稳定砂砾、35cm厚天然级配砂砾，总厚度66cm。人行道路面结构自上而下依次为：6cm厚C30预制混凝土波纹转、3cm厚M7.5水泥砂浆垫底、15cm水泥稳定砂砾、50cm天然级配砂砾，总厚度为74cm。道路红线宽度为50米，分别为4.0米的人行道+9.0米的绿化带+24.0米的车行道+9.0米的绿化带+4.0米的人行道，车行道的横坡采用直线接圆曲线型，路拱横坡1.5%，坡向绿化带;设计计算行车速度50km/h。
1 ANSYS软件模拟车辆荷载
当客车、货车在道路上行驶时，路面受到垂直荷载和水平荷载的共同作用。车轮荷载可简化为圆形均布荷载，但为了简化问题方便应用数值模拟软件ANSYS，假设车轮荷载为垂直均布的矩形荷载(暂不考虑水平荷载对路面的影响)，分布面积为30cm×24cm。ANSYS建立的模型水平方向取15m×12m，垂直深度方向取8.66m。轮胎内部压力为0.7MPa，即取车轮荷载与路面的压力为0.7MPa，机动车道路面结构层如图1所示：
为了在ANSYS数值模拟软件中实现荷载的移动，对车轮行驶过的轨迹进行处理，沿行驶方向即为车轮行驶的长度即12m，两轴之间的距离为车辆均布荷载的宽度是一条相互平行的移动带，将两条移动带分成许多的相同尺寸的矩形，即纵向长度为30cm，宽度为24cm的矩形，每个矩形面积的大小为车辆轮胎的接地面积，如图2所示。在初始状态下车辆荷载占据了一个小矩形的面积，为图2中黑影部分。车辆在移动过程中，通过设置ANSYS中荷载步的个数来实现荷载的移动，每个荷载步都经过一个小矩形面积即可模拟荷载的移动，移动速度的大小可通过设置每个荷载子步的时间长短来实现。车辆在正常行驶过程中一般都是匀速行驶，所以在经过每个小矩形时所用的时间t都是一样的。
3.1 有限元模型的建立
3.1.1 模型的基本假定
沥青路面在力学性质属于非线性的弹-粘-塑性体，由于快速行驶的车辆对路面的作用只有百分之几秒，所以作用在路面结构中的应力很小，因此，对于强度较、高厚度比较大的高等级路面，将其视作线性弹性体，并应用弹性层状体系理论进行分析。应用弹性力学的方法求解弹性层状体系的位移、应力、变形等分量时，引入如下假设：1.结构层内材料均质且各向同性，是完全连续的弹性材料，应力-应变符合胡克定律;2.路基的垂直向下深度和水平方向无限，路面各层材料厚度有限，水平方向均为无限;3.路面结构层表面作用圆形均布荷载时，路面和土基水平方向无限远处应力、应变、位移均为零。4.层与层之间的接触面假定为完全连续，或部分连续，或完全滑动。5.路面结构在承受行车荷载之前，初应力为零，不计路面自重对应力的影响。
3.1.2 数值模拟模型的建立
机动车道路面结构沿道路中心线为对称结构，为了节约模拟所用的时间，可取道路半幅建立三维有限元模型进行数值模拟计算。即取机动车道宽度7.5m，路基深度8m;机动车道路面结构总厚度为66cm，其中各层由上到下分别为4cm中粒式沥青混凝土上面层，7cm粗粒式沥青混凝土下面层，20cm4%水泥稳定砂砾，35cm天然级配砂砾底基层。各层材料参数见表1。模型纵向取12m，模型取横向为X轴，纵向为Y轴，竖直方向为Z轴， X,Y轴左右前后约束，Z轴底面约束，模型采用soild45号单元进行网格划分，面层网格长度、宽度、深度分别划分为0.3m、0.24m、0.11m，基层网格长度、宽度、深度分别划分为0.3、0.3、0.2，路基网格长度、宽度、深度分别划分为0.4、0.4、0.35。重庆路标准轴载为BZZ-100KN，设计行车速度为50KM/h，荷载模拟采用标准轴载100KN，双圆荷载的当量圆直径d=0.302m，双轮组着地面积为0.0716m2，为方便建立模型采用面积相近的矩形代替双圆荷载的面积，矩形面积即为双轮组着地面0.0716除以双圆荷载的当量圆直径0.302，小矩形面积宽度约取0.24m。#p#分页标题#e#
3.2 静载作用下对道路的影响
在模型中只考虑垂直方向荷载对路面的作用，水平方向荷载对路面的作用暂不考虑，本论文中40个小矩形对应40个荷载步，分别进行静载数值模拟，从而得到荷载在不同位置时对道路的静载效应。由图3可知，竖向位移和竖向应变随着路基深度的加深而呈减小趋势，从路面到深度5m左右应变、位移变化幅度较大，在5～8m之间变化趋与稳定。由图4可知，竖向位移和竖向应变随着距荷载中心距离的增大也呈减小趋势，从荷载中心到道路纵向6m远处变化幅度较大，在6～8m之间时趋与稳定。
在路面结构层参数不变的情况下，分别计算荷载速度在10km/h、20km/h、30km/h、40KM/h、50KM/h下对结构层的应力、应变等的影响。由图5可知，(1)在移动恒定荷载作用下，当荷载速度为10KM/h时，结构层各层底面的拉应力最大。但随着车速的提高，各层层底面的拉应力呈减小趋势，在速度10～30km/h之间时，各层层底拉应力减小速度最快。速度在30～50km/h之间时，各层层底拉应力变化幅度较小。出现上述原因主要是因为：①当荷载移动速度为10km/h时，荷载移动速度很慢，相当于静载作用，所以层底拉应力比较大;②当荷载移动速度增大后，层底底面最大应力出现在车辆荷载面中心点之前，所以层底拉应力变化幅度较小。(2)沿着深度Z方向各层层底拉应力呈减小趋势。为方便比较在不同车速下层底拉应力的变化趋势，一般采用层底拉应力相对变化率进行对比。4 结论
经过计算与分析，可得到以下结论：
(1)ANSYS数值模拟软件能够模拟道路的位移、应力、应变等随路基深度变化情况及距荷载中心的变化情况，能够为以后道路的设计提供理论依据。
(2)静载作用下，沿着道路平面方向影响范围为6～8m,沿着路基深度方向荷载对路基的影响范围为5～8m，
(3)静载作用下道路各结构层产生的层底拉应力要比一定速度下的荷载大，所以车辆在静止或低速行驶时更容易破坏道路。故要在运营阶段不但限制最大载重量而且还应该限制最低行驶车速，以保证路面不易过早的破坏。
(4)在移动恒定荷载下，当速度在10～30km/h时个结构层层底拉应力变化幅度较大，但随着荷载移动速度的增大，各结构层层底拉应力变化幅度不大。
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