沥青路面结构体系的三维有限元分析

论文摘要

随着国民经济的持续快速发展及科学技术的进步,高等级沥青路面得到越来越广泛的应用。随之而来的,是汽车超载、超速等问题越来越严重,沥青类路面早期损害显得更加严重。本文利用ANSYS有限元程序,选取一种半刚性基层沥青典型路面结构建立三维有限元模型,求出了沥青路面在静荷载作用下的应力分布与变形,并针对公路纵坡、超载、水平力及弯道超高进行了详细的分析和讨论。本文对沥青路面面层、基层和底基层采用线弹性本构关系,而土基采用了ANSYS软件中经典的德鲁克～普拉格（Drucker-Prager）屈服破坏准则,计算了沥青路面在不同纵坡、不同超载率、不同水平力作用下及弯道超高情况下的弯沉、面层不同深度最大剪应力、各结构层层底拉应力、拉应变及土基最大压应变。实际上,沥青路面结构承受的是移动荷载的作用。因此本文建立了路面结构的三维模型,研究路面在实际的移动荷载作用下的路面效应,分析路面在移动荷载作用下的应力特点,并探讨车辆制动作用对路面结构的影响。在前述分析之后,笔者搜集整理了沥青路面工程实测数据以及病害调查资料,将其与本文分析结果进行对比。而且本文分析结果能较好的解释沥青类路面的一些早期损坏现象。最后,本文针对以上沥青路面破坏的原因,对沥青路面设计提出一些建议,并推荐出几种较合理结构方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 国外研究概况
• 1.2.2 国内研究概况
• 1.3 本文主要研究思路
• 第二章 沥青路面力学理论
• 2.1 概述
• 2.2 弹性理论空间问题的基本方程
• 2.3 弹性层状体系理论
• 2.3.1 基本假设
• 2.3.2 基本原理
• 2.4 汽车—路面系统力学分析
• 2.5 沥青路面结构的有限元分析
• 2.5.1 弹性动力学三维有限元理论
• 2.5.2 有限元法及ANSYS程序简介
• 第三章 沥青路面结构有限元模型
• 3.1 路面结构及参数
• 3.1.1 国内外沥青路面结构状况
• 3.1.2 沥青路面结构及参数选定
• 3.2 材料本构关系
• 3.2.1 面层、基层、底基层本构模型
• 3.2.2 土基本构模型
• 3.3 SOLID45单元简介
• 3.4 平曲线半径及横坡坡度的选定
• 3.5 纵坡坡度选定
• 3.6 车轮对路面作用面积及压力分布简化模型
• 3.6.1 车轮对路面作用面积
• 3.6.2 接地压力分布
• 3.7 荷载确定
• 3.7.1 垂直荷载
• 3.7.2 水平荷载
• 3.8 沥青路面结构三维有限元模型的建立
• 第四章 沥青路面结构数值分析结果
• 4.1 纵坡变化对沥青路面结构的影响
• 4.1.1 纵坡变化时沥青路面剪应力计算
• 4.1.2 纵坡变化时结构层层底拉应力、拉应变计算
• 4.1.3 纵坡变化时最大土基压应变计算
• 4.1.4 小结
• 4.2 超载对沥青路面结构的影响
• 4.2.1 不同超载率下沥青路面路表弯沉计算
• 4.2.2 不同超载率下沥青路面面层剪应力计算
• 4.2.3 不同超载率下各结构层层底拉应力、拉应变计算
• 4.2.4 不同超载率下各结构层层顶压应力、土基压应变计算
• 4.2.5 小结
• 4.3 水平力作用对沥青路面结构的影响
• 4.3.1 水平力系数不同时沥青路面面层剪应力计算
• 4.3.2 水平力系数不同时各结构层层底拉应力、拉应变计算
• 4.3.3 小结
• 4.4 车辆不同行驶状况下有纵坡超载与无纵坡超载对比
• 4.4.1 沥青路面路表弯沉对比
• 4.4.2 沥青路面面层剪应力对比
• 4.4.3 沥青路面各结构层拉应力、拉应变对比
• 4.4.4 土基最大压应变对比
• 4.5 弯道超高对沥青路面结构的影响
• 4.5.1 弯道超高路段不同工况下路表弯沉计算
• 4.5.2 弯道超高路段不同工况下面层剪应力计算
• 4.5.3 弯道超高路段不同工况下各结构层层底拉应力、拉应变计算
• 4.5.4 弯道超高路段不同工况下土基最大压应变计算
• 4.5.5 小结
• 4.6 移动荷载对沥青路面结构的影响
• 4.6.1 行车速度80Km/h沥青路面结构位移时间历程
• 4.6.2 行车速度80Km/h沥青路面结构应力时间历程
• 4.6.3 行车速度80Km/h沥青路面结构剪应力时间历程
• 4.6.4 不同速度对沥青路面结构的影响分析
• 4.6.5 小结
• 4.7 车辆制动对沥青路面结构的影响
• 4.7.1 车辆制动对沥青路面结构位移影响
• 4.7.2 车辆制动对沥青路面结构应力影响
• 4.7.3 车辆制动对沥青路面结构最大剪应力影响
• 4.7.4 小结
• 4.8 路面在不利因素组合作用下的评述
• 第五章 沥青路面有限元分析的现实意义
• 5.1 沥青路面病害及解释
• 5.1.1 沥青路面车辙损坏
• 5.1.2 沥青路面裂缝
• 5.2 沥青路面设计与结构组合优化
• 5.2.1 我国现行沥青路面设计方法及过程
• 5.2.2 沥青路面结构设计和材料设计一体化
• 5.2.3 结构组合优化设计
• 第六章 主要结论及进一步研究的建议
• 6.1 主要结论
• 6.2 不足与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录:攻读硕士学位期间发表的学术论文