摘要：结构层材料弹性模量的变化将改变各结构层的受力状况，因此，基于双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性连续体系理论，本章利用ABAQUS软件分析对比了常用路面结构条件下的Thiopave改性沥青混合料和普通沥青混合料对路面结构受力状况，对添加了Thiopave改性剂对沥青路面结构层受力进行影响分析。
关键词：Thiopave；ABAQUS；路面结构层；受力分析
0 引言
Thiopave是壳牌公司研究出的最新一代的硫磺改性剂，根据以往的研究表明，Thiopave沥青路面有良好的路用性能，但添加Thiopave改性剂后，沥青混合料刚性增大，柔韧性降低了。
在普通沥青混合料中添加Thiopave改性剂，沥青层的弹性模量发生变化，而结构层材料弹性模量的变化将改变各结构层的受力状况，因此，基于双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性连续体系理论，本文利用ABAQUS软件对常用路面结构条件下的Thiopave改性沥青混合料和普通沥青混合料的结构层进行受力分析，并对受力进行对比分析。
1 Thiopave沥青混合料路面结构计算模型
本文采用三维路面有限元模型，路面模型长、宽和深的尺寸分别为6m、6m、3m，见图1，局部荷载作用区域进行了网格加密处理。分别计算了标准轴载、超载25%、超载50%、超载75%和超载100%六种荷载条件下路表竖向位移、半刚性基层底部拉应力和路面剪应力三种路面结构设计指标，其中计算路表竖向位移时沥青层的弹性模量取参考温度为20℃，计算层底拉应力和路面剪应力时取参考温度为15℃。
图1 路面结构计算有限元模型
2 路表竖向位移
路表竖向位移是在一定荷载作用下路面表面的竖向变形，本文针对不同轴载作用计算的两种沥青面层表面竖向位移沿水平方向的分布情况见图2，其中路表最大竖向位移的计算结果见表1。
图2 不同工况条件下路表竖向位移沿水平位置的分布情况
表1 不同工况条件下路表最大竖向位移计算结果
超载比（%） 0 25 50 75 100 普通沥青路表最大竖向位 移值（0.01mm） 30.79 38.49 46.19 53.89 61.59 Thiopave沥青路表最大竖 向位移值（0.01mm） 29.05 36.31 43.58 50.84 58.10
从计算结果可知，不同轴载条件下，路表的最大竖向位移均产生在轮载的正下方，标准轴载作用下普通沥青和Thiopave沥青路面的路表最大竖向位移分别是30.79和29.05（0.01mm），随着超载比例的增加路表竖向位移线性增加，超载比例为100%时是标准轴载时的2倍。使用Thiopave沥青混合料的路面路表竖向位移略小于使用普通沥青混合料的路面，当超载为100%时其相差最大，相差3.49（0.01mm），不足竖向位移值的6%。说明超载容易造成路面发生承载能力破坏，使用Thiopave沥青可以提高路面整体承载能力，但改善效果不明显。
3 半刚性基层层底拉应力
本文针对不同轴载作用计算的两种沥青路面半刚性基层层底拉应力沿水平方向的分布情况见图3，其中半刚性基层层底最大拉应力计算结果见表2。
图3 不同工况条件下半刚性基层层底拉应力沿水平位置的分布情况
表2 不同工况条件下半刚性基层层底最大拉应力计算结果
超载比（%） 0 25 50 75 100 普通沥青半刚性基层层底最大拉应力（MPa） 0.0816 0.1020 0.1224 0.1428 0.1632 硫磺沥青半刚性基层层底最大拉应力（MPa） 0.0811 0.1014 0.1216 0.1419 0.1622
从计算结果可知，不同轴载条件下，半刚性基层层底拉应力在双轮中心位置处最大，并向两侧不断衰减。标准轴载作用下普通沥青和Thiopave沥青路面的半刚性基层层底最大拉应力分别为0.0816MPa和0.0811MPa，几乎没有差别。随着超载比例增加，层底最大拉应力均线性增加，当超载比例达到100%时，增加了1倍，普通沥青和Thiopave沥青路面的最大层底拉应力均相差很小，约为0.001MPa。这说明超载是引起半刚性基层层底发生疲劳开裂的主要因素，可见使用Thiopave沥青对改善路面结构整体抗弯拉强度的能力作用不大。
4 剪应力
本文针对不同轴载作用计算的两种沥青路面剪应力沿深度方向的分布情况，见图4，其中沥青层内最大剪应力计算结果见表3。
图4 不同工况条件下路面剪应力沿深度方向的分布情况
表3 不同工况条件下路面内部最大剪应力计算结果
超载比（%） 0 25 50 75 100 普通沥青路面最大剪应力（MPa） 0.1399 0.1749 0.2099 0.2449 0.2799 硫磺沥青路面最大剪应力（MPa） 0.1400 0.1750 0.2100 0.2451 0.2801
从计算结果可知，不同轴载条件下，路面最大剪应力均在深度为8cm位置处，即中面层内。标准轴载作用下，普通沥青和Thiopave沥青路面最大剪应力分别为0.1399MPa和0.14MPa，两者几乎没有差别。剪应力随着轴载的增加而线性增加，超载100%是的中面层最大剪应力是标准轴载作用下的约2倍，并且普通沥青和Thiopave沥青路面在各轴载作用下相差均为0.001~0.002MPa。由计算参数可知，Thiopave沥青的弹性模量较普通沥青大100~300MPa，故其抗剪强度也较普通沥青大，所以在同等剪应力作用下，Thiopave沥青路面的抗剪切破坏能力更强。说明超载是引起中面层剪应力增大的主要因素，Thiopave沥青和普通沥青路面的剪应力响应基本一致，但由于Thiopave沥青的弹性模量高，抗剪强度大，所以Thiopave沥青路面的抗剪切破坏能力更强。
5 结语
本文利用ABAQUS软件对常用路面结构条件下的Thiopave改性沥青混合料和普通沥青混合料的结构层进行受力及受力对比分析，得出如下结论：
（1）超载容易造成路面发生承载能力破坏，在普通沥青混合料中添加Thiopave改性剂，可以提高路面整体承载能力，但改善效果不明显；
（2）超载是引起半刚性基层层底发生疲劳开裂的主要因素，添加Thiopave改性剂对改善路面结构整体抗弯拉强度的能力作用不大。
（3）超载是引起中面层剪应力增大的主要因素，Thiopave沥青路面和普通沥青路面的剪应力响应基本一致，添加Thiopave改性剂，可以增强沥青路面的抗剪切破坏能力。
参考文献：
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作者简介：
庞婵（1985-），女，广西南宁人，工程师，学士，主要研究方向为道路工程材料应用研究
胡省（1988-），男，湖南长沙人，助理工程师，硕士，主要研究方向为道路结构
论文作者:庞婵1，2，3,胡省2，3
论文发表刊物:《基层建设》2016年20期
论文发表时间:2016/12/8
标签：应力论文; 沥青论文; 路面论文; 位移论文; 结构论文; 刚性论文; 条件下论文; 《基层建设》2016年20期论文;