基于Abaqus 计算下某旧水泥路面加铺黑化沥青结构性能分析研究

郑盛华

（宁德市路兴设计有限公司，宁德 352202）

1 引言

当前我国较多道路由于使用年限较长， 行车荷载不明确，导致部分旧水泥路面出现局部裂缝及道路积水，极大威胁行车安全性， 为此针对旧水泥路面开展加铺黑化沥青结构层具有重要作用[1-3]。 已有较多学者或工程师通过有限元分析方法探讨了荷载与温度变形对路面结构寿命影响[4,5]，也有学者基于现场加载试验，获得加铺黑化沥青结构性能影响参数[6-8],另有一些学者利用理论分析手段，建立黑化结构力学模型，分析影响模型稳定性的重要因素，探讨应对黑化沥青结构裂缝产生的措施[9-11]。 由于地区差异性导致道路面临外界因素出现较多区别， 因而针对具体工程实例， 开展病害调查， 做出针对性应对措施，强化黑化沥青结构稳定性，为快速解决旧水泥路面加铺休整提供重要保障。

2 工程概况

东部某城市进行城区改造之时， 其中一条主要交通干道为水泥路面，次级主干道，路段长为2.2km，其中机动车道占15m，绿化带长度共分为两个隔间，每个隔间为1.5m，辅道宽度为6m，另在道路两侧还分布行人道4.5m，道路跨有湖滨公园，穿越有8 个道路岔口，其中有3 个红绿灯路口，沿途分布有学校、居民小区、体育场所等。路面仍设置有排水沟渠，暗渠输排，间隔3.5m，设置有竖杆照明灯光，均为光照太阳能蓄电，两侧对称式布置。 该路段实景如图1 所示。

图1 研究路段实景图

根据实地调研发现，该路段路面结构破损较严重，出现较多凹陷处、部分排水设施使用年限较长，积水过多，路面平整度极差，行车舒适性较差，经统计在下午17 点至19 点，每个红绿灯路口通行时间在15min 以上。 路段内还出现局部横、竖向裂缝，另部分水泥路面裂缝施工之时填充效果较差，面板接缝处开口裂缝宽度近10cm。 图2 为该路段内统计出各病害类型占比。 从图中可看出，该路段中裂缝占比接近一半， 反射裂缝包括有温度变化引起水泥路面涨缩，产生横、纵向裂缝，此亦表明路面结构力学性能不佳，稳定性欠缺；另外道路结构水损坏类型占比也达到21%，结构水来源如图3 所示，结构水活动于裂缝中，降低水泥混凝土结构粘结力，进一步导致路面出现损坏。

图2 研究路段内病害类型占比

图3 结构水来源示意图

3 旧水泥路面黑化结构设计

由于该路段内裂缝与结构水危害为最主要路面病害， 故而考虑设计一种防止路面结构产生过多裂缝与结构水累积的黑化结构，如图4 所示。笔者认为该路段内产生较多反射裂缝主要由路面结构承载能力与温度变化引起的， 其中路面结构承载能力较弱分析是路面骨架结构长期受到上覆行车循环累计荷载造成的， 故而对该旧水泥路面进行黑化沥青加铺时， 设计刚性阻断条于构造缝处，减少构造缝受到上覆剪切载荷影响，并提高两侧水泥路面抗拉特性，减少承载裂缝的产生。对于温度变化引起荷载，考虑在构造缝下部设计有倒梯形切口，分散温度变化引起的热胀冷缩，给予混凝土面板一定空间进行变形，进而减少由热胀冷缩混凝土颗粒挤压而成的温度裂缝。根据材料力学力平衡理论， 减少应力集中将有助于提升材料整体性能，延长材料使用寿命，故将刚性阻断带焊接在上部面层结构中，下部架设锚固铆钉，保证刚性阻断带不发生滑移。

图4 黑化结构设计示意图

4 结构性能数值模拟分析

4.1 模型建立与约束参数

为分析方便，对路面黑化结构进行简化，获得如图5所示有限元模型， 该模型中从上至下包括有35mm 厚QC-10 沥青混凝土面层、50mm 厚的QC-20 沥青混凝土面层，中间乃粘结层，包括有3mm 刚性阻断带、10mm 厚度的土工格栅材料、2mm 厚应力吸收层薄膜材料， 最下层为路基。 单元网格模型采用SOLID65 单元体，以线弹性模型作为材料应力变形基础准则， 且各层间不发生滑移，均具有各向同性；路基为受力材料，厚度不限定；刚性材料忽视其小变形，各类材料自重不计作外荷载。

图5 数值模型

该旧路面黑化结构模型边界约束设定结构底部为固定约束，即两侧不产生相应方向位移，行车约束限定在轴承中心， 具有水平方向约束荷载， 结构表面为自由变形面，无任何约束荷载，行车荷载速度取20m/s,步长为1/500，施加各边界荷载研究该黑化结构模型力学与变形特性。

4.2 结构力学性能

4.2.1 刚性阻断带设计参数对结构力学性能影响

刚性阻断带承担黑化结构抗剪切性能， 而阻断带的宽度或刚度均是影响刚性阻断带性能的最主要两参数。阻断带宽度或刚度增加， 一定程度增强了黑化结构整体承载性能，裂缝延伸及扩展速度受限，对预防路面结构裂缝产生具有较大帮助， 但不可忽视过大的刚性阻断带宽度或刚度会给工程成本带来一定压力， 故而有必要研究性价比最佳刚性阻断带设计参数。

（1）刚性阻断带宽度

为评价最佳刚性阻断带宽度， 考虑利用黑化结构内部Mises 应力达到峰值作为评价标准， 故基于有限元软件计算出同一刚度参数下 （206GPa）， 不同宽度参数的Mises 应力云图， 宽度参数分别设计有150mm、200mm、400mm、600mm、800mm，限于篇幅，本文只列出其中宽度150mm、400mm、600mm、800mm 计算云图，如图6 所示。

从图6 可看出，增加有刚性阻断带后，应力集中于构造缝上端区域，且随宽度增加，应力集中区域逐渐扩散，在路面各结构层中并未可见到应力集中现象， 结构层裂缝产生相应受到约束，保证了黑化结构整体耐久性。 图7为不同宽度下刚性阻断带峰值应力曲线图， 从图中可看出，峰值应力整体随宽度增加逐渐上涨，但从增长幅度亦可知， 存在一定的增长斜率拐点， 宽度400mm 相比200mm 下峰值应力增长了2.7%， 而宽度600mm 相比400mm 仅增长了0.78%，故刚性阻断带在400mm 处为峰值应力增长临界拐点，该宽度设计参数之后，增长放缓。

图6 不同宽度参数下Mises 应力云图

（2）刚性阻断带刚度

同理， 刚性阻断带刚度参数分别设计有150GPa、206GPa、250GPa、300GPa、400GPa， 宽度参数统一设计为400mm，计算得到不同刚度参数模型下的应力云图，如图8 所示。 从图中可看出，应力集中效应出现在构造缝上端刚性阻断带上，随刚性阻断带刚度增加，上端应力集中效应扩散程度并不高， 表明刚度增加一定程度后对黑化结构内部应力集中消减作用并不太显著。长幅度基本变水平， 表明刚度参数对刚性阻断带性能影响较低，当刚度超过206GPa 后，Mises 峰值应力增长基本不变，对黑化结构稳定性影响较弱。

图9 不同刚度下刚性阻断带峰值应力曲线图4.2.2 倒梯形切口设计参数对结构力学性能影响

倒梯形切口设计参数共有五组备选方案， 分别是上端开口30mm、35mm、40mm、45mm、50mm，下端开口统一设计为20mm，获得各方案的Mises 应力云图，如图10 所示。从图中可看出，倒梯形切口的存在，，改善了黑化结构中构造缝处应力集中现象的产生， 避免结构水的长期不流通，加速裂缝的产生，且随着上端开口尺寸增大，构造缝处应力集中得到扩散，且有逐渐增大扩散面积趋势。

图10 倒梯形切口不同开口参数下Mises 应力云图

图11 倒梯形切口不同开口参数下峰值应力曲线

4.3 结构变形性能

针对黑化结构变形性能， 本文将主要分析最佳刚性阻断带宽度与刚度设计参数下变形特性， 如图12 所示，即为刚性阻断带宽度为400mm、 刚度为206GPa 时最大主应变云图。 从图中可看出，结构内部最大主应变时，行车荷载作用点位于构造缝之处， 构造缝下端部集中有扇形式变形区域，逐渐向周围扩散，距构造缝愈远，结构变形程度愈小。

图12 宽度400mm、刚度206GPa 时最大主应变云图

为对比不同设计参数下最大主应变特征， 计算出各方案模型最大主应变值，如图13 所示。从图中可看出，最大主应变拐点位于400mm 处，200mm 有异常递增趋势，而宽度过度增大， 最大主应变呈下降态势， 其中刚度为206GPa 时， 最大主应变值基本位于最小值， 故而宽度400mm 与刚度206GPa 是较为合理的刚性阻断带设计参数。

由于倒梯形切口设计参数对结构应力影响较小，本文着重分析切口上端开口为35mm 时变形特性，如图14所示。从图中可看出，最大变形主要出现在构造缝左侧区域，两侧变形呈扇形铺开，但基本对称式相等；从计算结果可看出，上端开口主要影响最大变形区域，改变变形云图分布形态，但应变幅值基本不变；从图15 不同开口宽度峰值应变曲线可知， 最大与最小主应变幅值之间相差1.22 倍， 故而选择倒梯形切口上端开口宽度为35mm 是符合变形要求的。

图13 不同设计参数模型下最大主应变

图14 倒梯形切口上端开口为35mm 时变形云图

图15 不同开口宽度峰值应变曲线

5 结论

针对某旧水泥路面加铺黑化沥青混凝土开展结构分析， 结合旧水泥路面病害调查， 设计出一种新型黑化结构， 并利用Abaqus 数值软件开展力学与变形特性分析，得到了以下几点结论与认识：

（1）设计刚性阻断带于构造缝上端，下端设计倒梯形切口，减少上覆剪切载荷与温度变化引起的横纵向裂缝，增强黑化结构整体稳定性。

（2） 刚性阻断带设计宽度为400mm、 刚度206GPa，400mm 宽度为结构峰值应力增长拐点，且该参数下变形呈扇形对称式分布，距构造缝愈远，结构变形程度愈低；刚度增大对刚性阻断带性能影响较小，206GPa 下最大主应变值基本位于最小值，属较为适宜参数。

（3）倒梯形切口上端尺寸与峰值应力成正比，但增大幅度较小，当上端开口为35mm 时，变形云图扇形铺开，对称式相等， 最大与最小主应变幅值之间相差1.22 倍，属适宜开口参数。