基于ANSYS的沥青路面动力响应分析.docx

-1-

基于ANSYS的沥青路面动力响应分析1

张艳红1，王晓帆2

1.长安大学公路学院，陕西西安(710064)

2.中交一公局公路勘察设计院有限公司，北京(100024)

摘要:半刚性基层沥青路面为当前沥青路面的主要结构形式之一。现行路面设计方法采用竖向静载作用下弹性多层体系的多层弹性理论模型，这与道路实际所承受的动力荷载区别较大。为了尽可能地反映路面的真实受力，以京津塘高速公路改扩建工程为依托，结合汽车荷载的动力学特性，采用大型有限元分析软件ANSYS10.0建立静载及动载路面模型，假定层间接触为完全连续，对半刚性结构的动力学响应与静力学响应进行了全面的分析及比较。结果表明：在动荷载条件下，半刚性结构的竖向位移及剪应力较静载相比呈现不同程度的下降。关键词:京津塘；改扩建；半刚性基层；动荷载；动力学响应；有限元

0.引言

现行路面设计方法采用竖向静载作用下弹性多层体系的多层弹性理论模型[2]，这在荷载不太大、运行速度较低的情况下，基本上是合理的。然而，在当今的社会经济水平与交通条件下，随着车速的不断提高，静力荷载与车辆行驶过程中路面受到的实际作用力之间的差异越来越大。众所周知，对于实际道路上行驶的车辆，汽车总是以一定的速度行驶在路面结构上，且将不可避免地行驶于各种非平坦的路面,即使在相当平坦的路面上,当高速行驶时也不可避免地产生车轮垂直振动并引起轮胎与路面间垂直载荷的急剧变化。此外，路面受到的车辆荷载随时间、路表特性、车辆结构及悬架系统而动态变化，是一个典型的动力荷载，这表现为荷载作用的瞬时性和车辆振动对路面的冲击力[4,8]。这一随时间变化的动荷载，将加剧路面的损伤，减少路面的使用年限。鉴于此，本研究基于京津塘高速公路改扩建项目，选取了半刚性基层沥青路面的代表方案，结合汽车荷载的动力特性，利用大型有限元分析软件ANSYS10.0分别建立路面结构静载及动载模型，对比了路面结构在动载、静载条件下的力学响应，以期为改扩建路面设计及方案比选提供较为准确、可靠的参考及依据。

1.行车荷载的动力学特性

1.1行车荷载的接地模式

实际轮胎作用于路面的形状及垂直压力相当复杂，并非多层弹性体系理论中的圆形均布荷载所能简单描述的。大量的文献资料及试验结果表明[7]，轮胎作用于路面的形状更接近于矩形，且随载荷的增加，矩形形状越明显。

鉴于此，本分析中，计算荷载采用沥青路面现行设计规范中的标准双轮轴载100KN，胎压0.7MPa。为方便有限元建模，在静载分析中，按面积等效原则将双轮荷载转换为正方形，即将车轮与路面接触面理想化为18.9cm×18.9cm的正方形，接触面积为356.33cm2，双轮中心距为28.9cm，荷载作用于路面中心，荷载的相关指标及计算参数见表1[1]。

1本课题得到京津塘高速公路改扩建工程的资助。

-2-

表1标准荷载的相关指标

计算标准荷载

标准轴载P(KN)

100

轮胎接地压力(MPa)

0.7

两轮中心距(cm)

28.9

车轮与路面接触面等效转换正方形(cm2)

18.9×18.9

依此行车荷载接地模式将静载分析结果与动载响应相比较，分析动载对于路面对于各力学响应的影响程度。

1.2行车荷载的动力学特性

汽车动力荷载一般包含两层意思：一是力的作用位置改变；二是力的大小改变。为便于分析与计算，本研究将行车荷载描述为简谐振动，用如下的力学表达式来表示汽车荷载[2,3]：

Pd(t)=p0+psin(ωt)(式1)

式中：p0——车轮静载，取车辆单边轮载，即po＝50kN；p——振动荷载幅值，p=m2aω2，其中：

m2——车辆模型簧下质量；取簧下质量m2=250N.s2/m；

a——几何不平顺矢高，反映了路况；a=2mm（国际高速公路平整度指数）；

ω——振动圆频率，ω=2πυ/l，υ是汽车运行速度，l是车身长6m。

2.有限元模型及计算参数

2.1有限元模型的建立

通常路面结构可视为半无限弹性多层体系，但在有限元的计算中，土基只能取为有限尺寸。参考文献[6]可知，对于静态问题，当厚度取值大于6m，动态问题厚度取值大于11m时，两者的挠度接近。同时根据JagannathMallela和K.P.George在Three-DimensionalDynamicReaponseModelforRigid