重载下水泥混凝土路面结构分析

□文/李春晓 郭 强

近年来，随着车辆大型化的发展以及超载超限的居高不下，路面结构的应力水平不断提高，导致路面过早出现疲劳开裂等病害。为了指导承受繁重交通的水泥混凝土路面结构设计，保证路面使用质量和使用寿命，必须首先明确各级重载下路面结构的应力状态。

本文基于大型通用有限元软件，建立了典型水泥混凝土路面结构的三维有限元分析模型，分析了不同轴载、不同轴型作用下的水泥混凝土板应力分布状况，可为路面结构设计提供参考。

路面结构有限元分析模型

荷载参数

我国采用单轴双轮100 kN作为路面厚度设计的标准轴载，本文考虑实际道路上通行的车辆荷载情况，选取单轴双轮（S）、双轴双轮（D）和三轴双轮（T）3种荷载形式，荷载分布见图1。

图1 荷载分布

轮胎接地形状采用矩形，其宽度取22 cm或24 cm，轮胎接地压力与轴重和内压的关系如式（1）所示[1～2]

式中：p为轮胎接地压力，MPa；P为轴重，kN；pi为轮胎内压，MPa。

本文以单轴双轮100 kN为基础，分别分析超载率为 0、30%、60%、100%和 140%，对应的轴载分别为 100、130、160、200和240 kN共5种轴载作用下的路面结构应力。同时，对比分析每根轴轴载都为100 kN的单轴双轮（S）、双轴双轮（D）和三轴双轮（T）3种轴型作用下的路面结构应力。不同超载级位对应的荷载轮压和轮印大小见表1。

表1 荷载参数

路面结构与材料参数

水泥混凝土路面结构与材料参数见表2。

表2 路面结构与材料参数

有限元模型

路面分析荷位为荷载作用在板边缘中部的不利位置。模型考虑结构层之间的接触条件，其中面层与基层之间采用库伦摩擦模型，摩擦系数取1.5，其他各结构层之间为完全连续。模型边界条件采用路基底面固定，基层、底基层和路基限制侧面法向位移，混凝土板为四边自由板。路面结构有限元模型见图2。

图2 路面结构有限元模型

路面结构应力分析

轴重对板底应力的影响

板底最大水平应力随轴重的变化见表3。

表3 板底最大水平应力随轴重的变化

由表3可见，板底最大水平应力随轴重的增大而几乎成线性增大，重载将显著增大板底应力，减小水泥混凝土板的疲劳寿命。

轴型对板底应力的影响

图 3单轴双轮（S）、双轴双轮（D）和三轴双轮（T）3种轴型作用下板底水平应力沿板长和板宽的分布。

图3 单轴、双轴和三轴作用下的板底应力分布

由图3可以看出，当作用荷载为单轴轴载时，板边最大应力为1.00 MPa，而为双轴轴载时，板边最大应力减小到0.91 MPa，三轴轴载时，板边最大应力减小到0.76 MPa。因为某一分析位置不仅受到直接作用在其上面的轴载的作用，还要受到相邻未直接作用在其上面的轴载的作用，而相邻轴载在该位置产生径向负弯矩，在板底产生压应力，抵消部分由直接作用在其上面轴载所产生的拉应力。所以双轴或三轴轴载产生的最大板边缘应力反而要小于单轴双轮组产生的应力。同时，单轴、双轴和三轴的轴载分别出现1、2和3次应力峰值，应对轴载作用次数相应乘以1、2和3的倍数。

结论

（1）板底最大水平应力随轴重的增大而几乎成线性增大，重载将显著增大水泥混凝土板底应力。

（2）由于相邻轴产生的负弯矩区存在，单轴轴载在板纵向边缘产生的应力大于双轴和三轴的应力且后2种情况的最大应力重复作用次数分别为轴载作用次数的2倍和3倍。

[1]谈至明,姚祖康,田 波.水泥混凝土路面的荷载应力分析[J].公路,2002，（8）：15-18.

[2]田 波,姚祖康,赵队家，等.承受特重车辆作用的水泥混凝土路面应力分析[J].中国公路学报，2000，13（2）：16-19.