復(fù)合式路面界面層剪應(yīng)力的簡化分析論文

　　【摘 要】針對(duì)剛?cè)釓?fù)合式路面界面層所受剪應(yīng)力，運(yùn)用功能原理建立界面層剪應(yīng)力簡化計(jì)算模型。分析車輛在不同行駛速度和剎車距離情況下，剛?cè)嵝月访娼缑鎸铀�受到的剪�?yīng)力大小。計(jì)算結(jié)果顯示：在行駛速度為120Km/h，剎車距離為50m時(shí)，界面層所受到的最大剪應(yīng)力不會(huì)超過0.778MPa。

　　【關(guān)鍵詞】剛?cè)嵝月访�；界面層；剪�?yīng)力；功能原理；防水粘結(jié)層お

　　【Abstract】Rigid Composite Pavement interface layer suffered shear stresses, using functional principles of the establishment of boundary layer shear stress, simplify the calculation model. Analysis of vehicle speed and braking distance of different circumstances, the rigid flexible pavement layer interface, being the size of the shear stress. The results showed: In the running speed of 120Km / h, braking distance of 50m, the interface layer are subject to the maximum shear stress does not exceed 0.778MPa.

　　【Key words】Rigid flexible pavements; Interface layer; Shearing stress; Functional theory; Waterproof bonding layerお

　　1. 引言

　　剛?cè)嵝月访嬷饕�包括兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是就水泥混凝土路面上加鋪瀝青層，俗稱“白改黑”路面，另一種是水泥混凝土橋?yàn)r青混合料鋪裝結(jié)構(gòu)，二者在受力上有許多的相似之處。剛?cè)釓?fù)合式路面面層材料模量相差大，其損壞形式大體相似，如：推移、開裂、剝離。究其原因，都是因?yàn)榻缑鎸拥募羟衅茐暮驼辰Y(jié)破壞，而界面層的破壞十有八九是由于界面層抗剪強(qiáng)度不足所致,因此,剛?cè)嵝月访娼缑鎸铀�受剪�?yīng)力大小及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)非常關(guān)鍵。有很多文獻(xiàn)資料都對(duì)剛?cè)嵝月访娼缑鎸蛹魬?yīng)力進(jìn)行過理論分析和計(jì)算，通常都采用數(shù)值模擬軟件，建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算。目前有許多通用的有限元分析軟件可以用于各種路面結(jié)構(gòu)的分析與計(jì)算，如ANSYS，ADNIA，SAP系列等。相對(duì)于平面的二維有限元分析，三維有限元分析能更好地模擬實(shí)際的路面結(jié)構(gòu)，其分析結(jié)果也更接近路面實(shí)際的受力特點(diǎn)。運(yùn)用三維有限元分析計(jì)算剛?cè)嵝月访娼缑鎸拥氖芰�，可以考慮車輛軸載、車輛行駛狀態(tài)、瀝青層厚度、瀝青層模量、界面層粘結(jié)狀態(tài)等因素對(duì)界面層受力的影響。采用有限元分析法雖然能夠?qū)�界面層所受剪�?yīng)力進(jìn)行全面細(xì)致的計(jì)算分析，如忽略模型本身的誤差，其分析計(jì)算結(jié)果也相對(duì)精確。但是，有限元建模過程復(fù)雜，需要一定的有限元建模知識(shí)，很多人在短時(shí)間內(nèi)無法完成，給有限元分析結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用造成了一定的阻礙。

　　2. 剛?cè)嵝月访娼缑鎸蛹魬?yīng)力的簡化模型

　　相關(guān)研究表明，界面層在剎車時(shí)受到的剪應(yīng)力較車輛正常行駛時(shí)產(chǎn)生的剪應(yīng)力大很多，由于工程結(jié)構(gòu)物類型復(fù)雜，交通條件和自然環(huán)境條件也時(shí)常變化，有限元分析往往無法將所有的因素都考慮進(jìn)去，因此，本文出于偏安全的考慮，采用簡化的力學(xué)分析方法，考查在最不利狀況下（超載剎車）鋪裝層所承受的最大剪應(yīng)力。假定剎車時(shí)的慣性力完全傳遞到界面層，完全由相應(yīng)面積下的界面層的抗剪能力承擔(dān)剎車時(shí)產(chǎn)生的水平荷載（在實(shí)際剎車過程中，車輛制動(dòng)距離、輪胎類型、路表面構(gòu)造、鋪裝層厚度等都會(huì)影響水平荷載的大�。�。

　　本次計(jì)算了標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100和標(biāo)準(zhǔn)軸載超載30%兩種軸載情況下，在不同行駛速度，剎車產(chǎn)生的剪應(yīng)力。標(biāo)準(zhǔn)軸載超載30%后，軸重增加，輪胎接地壓力會(huì)有顯著增大，輪胎壓力增加，接地面積也會(huì)隨之發(fā)生改變。參考相關(guān)文獻(xiàn)后，取標(biāo)準(zhǔn)軸載超載30%的輪胎接地壓力為1.092MPa，輪胎接地面積可通過軸重和輪胎接地壓力計(jì)算得到。此處提到的簡化計(jì)算方法實(shí)際上就是運(yùn)用功能原理，將車輛剎車時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能與摩擦力所做的功結(jié)合起來，通過公式：〖SX(1〖2〖SX)mν2=fl（m為車輛質(zhì)量，可通過軸重計(jì)算得到，l為剎車距離）計(jì)算得到水平摩擦力f，而水平摩擦力f=s，s為界面層受力面積，認(rèn)為等于輪胎接地面積。運(yùn)用功能關(guān)系，可以得到界面層剪應(yīng)力的簡化計(jì)算公式：=〖SX(pν2〖20l〖SX)；其中，為所求界面層剪應(yīng)力，p為輪胎接地壓力，v為車輛行駛速度，l為剎車距離。

　　3. 剛?cè)嵝月访娼缑鎸蛹魬?yīng)力的簡化計(jì)算結(jié)果

　　運(yùn)用界面層剪應(yīng)力的簡化計(jì)算公式對(duì)界面層剪應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算

　　*參考相關(guān)文獻(xiàn)，車輛行駛速度達(dá)到120Km/h時(shí)，很難在50m距離內(nèi)剎車至完全靜止?fàn)顟B(tài)。

　　從界面層剪應(yīng)力簡化計(jì)算方法及計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)車輛軸重大，剎車距離短，行駛速度快時(shí)，界面層受到的剪應(yīng)力為最大。從簡化計(jì)算方法中的計(jì)算公式可以看出，剪應(yīng)力與輪胎壓力成正比，與剎車距離成反比，與行駛速度的平方成正比。此次計(jì)算的剪應(yīng)力界面層所可能受到的最大剪應(yīng)力，將車輛輪胎接地面積大小的鋪裝取為隔離體，則其受到的主要作用力

　　在最不利條件下，即當(dāng)鋪裝層內(nèi)的推力為0時(shí)，剎車產(chǎn)生的水平剪應(yīng)力完全由界面層承擔(dān)，當(dāng)軸載為BZZ-100，行駛速度為120Km/h，剎車距離為50m時(shí)，界面層可能承受的最大剪應(yīng)力為0.778MPa。而實(shí)際上界面層受到的剪應(yīng)力一定是比0.778MPa要小的，若以此為標(biāo)準(zhǔn)要求界面層抗剪強(qiáng)度肯定是足夠安全的。

　　說明：

　　第一類工程：特大型橋橋梁、各種特殊路段橋梁（如立交橋閘道，坡橋，彎橋等）；長大縱坡路段、急彎路段、實(shí)際交通量大的高等級(jí)公路、存在較頻繁超載、超限車輛運(yùn)輸?shù)穆范�；氣候條件惡劣、年最高氣溫與最低氣溫相差超過45℃或年最高氣溫超過35℃的路段； 第二類工程：各種形式的中型橋梁，無特殊路段的大型橋梁；無特殊路段的各高等級(jí)公路，實(shí)際交通量不超過初試設(shè)計(jì)量，不存在頻繁的超載、超限車輛運(yùn)輸路段；氣候條件一般，年最高溫度不超過35℃，年最高氣溫與最低氣候相差不超過45℃的路段；

　　第三類工程：各種形式的小橋，無特殊路段的中橋；無特殊路段的各等級(jí)公路（除高速公路，城市主干道和各干線公路之外）；交通量較小，不存在超載、超限車輛運(yùn)輸路段；氣候條件較好，年最高溫度不超過30℃，年最高氣溫與最低氣溫相差不超過40℃的路段。

　　4. 剛?cè)嵝月访娼缑鎸涌辜魪?qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

　　通過對(duì)剛?cè)嵝月访娼缑鎸蛹魬?yīng)力的簡化分析與計(jì)算，得到了正常情況下界面層所受到剪應(yīng)力最大值為0.778MPa。那么，對(duì)于實(shí)際工程而言，如何制定合理的界面層抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)關(guān)鍵問題。標(biāo)準(zhǔn)定得過高，勢必造成不必要的浪費(fèi)，而且給設(shè)計(jì)和施工帶來許多困難。標(biāo)準(zhǔn)定得過低，將起不到控制作用，路面容易發(fā)生破壞。筆者認(rèn)為，剛?cè)嵝月访娼缑鎸涌辜魪?qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該在界面層力學(xué)分析基礎(chǔ)上，考慮到路面使用品質(zhì)與經(jīng)濟(jì)性的平衡，照顧到絕大多數(shù)的工程實(shí)際情況。考慮工程所在地氣候條件，交通條件，工程重要程度等等因素。綜合考慮各種因素后，制定合理的抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。筆者的思路是，首先根據(jù)工程所在地氣候環(huán)境、交通條件、工程重要性，對(duì)工程進(jìn)行分類。分類之前，首先確定分類指標(biāo)，如：氣候條件、交通條件、工程重要程度等。工程所在地屬夏酷熱冬嚴(yán)寒氣候惡劣區(qū)，年最高氣溫與最低氣溫相差較大，且交通條件較為惡劣，指交通量大、超載超限運(yùn)輸頻繁、由于道路線形設(shè)計(jì)的原因，使得車輛在行駛時(shí)頻繁出現(xiàn)剎車、加速或緊急制動(dòng)等情況，并且工程本身比較重要，如特大型的橋梁，高速公路，或是重要的干線公路，城市主干道等。對(duì)于滿足以上三個(gè)條件的，界面抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該適當(dāng)提高；而對(duì)于一般性工程，如：氣候條件較平穩(wěn)；交通條件較好，滿足預(yù)先的各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求；車輛行駛正常，道路本身無長大縱坡、急彎等不良行事路段，其界面層抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)可適當(dāng)放寬。

　　綜合各種因素，結(jié)合目前的實(shí)際情況，提出如下界面層抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，

　　以上抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定，主要是基于路段的實(shí)際交通條件和氣候條件，根本則是考慮到路段界面層可能受到的最大剪應(yīng)力。同時(shí)，并沒有取界面層可能出現(xiàn)的最大剪應(yīng)力，因?yàn)�，這些最大值往往是在所有不利因素都同時(shí)出現(xiàn)之后取得的，這在實(shí)際中是極少可能出現(xiàn)的�？紤]到標(biāo)準(zhǔn)的廣泛適用性，考慮到指標(biāo)的可控制性和可能造成的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，最后的取值通常是考慮到最有可能出現(xiàn)的一些控制性較強(qiáng)的且又不會(huì)造成巨大浪費(fèi)的數(shù)值。

　　5. 結(jié)論

　　本文運(yùn)用功能原理建立剛?cè)嵝越缑鎸蛹魬?yīng)力的簡化計(jì)算模型，通過計(jì)算得到正常情況下，界面層所受剪應(yīng)力不超過0.778MPa。基于計(jì)算結(jié)果，考慮到工程實(shí)際情況，提出了剛?cè)釓?fù)合式路面界面層抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于一類工程，建議抗剪強(qiáng)度不低于0.5MPa，二類工程不低于0.4MPa，三類工程不低于0.3MPa。

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