CN113094954B - 一种确定沥青路面压路机振动轮轨迹重叠宽度的方法 - Google Patents

一种确定沥青路面压路机振动轮轨迹重叠宽度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种确定沥青路面压路机振动轮轨迹重叠宽度的方法，包括以下步骤：(1)、利用有限元软件建立路面结构有限元模型；(2)、对构建好的有限元模型进行有限元分析，计算得到在振动压路机作用下的路面压实轨迹中点处面层结构接触应力和加速度；(3)、定量确定路面碾压过程中振动轮压实应力的数值分布规律；(4)、对振动压实过程中路面应力分布规律进行分析，得出相邻碾压轨迹的最优重叠宽度，以弥补沥青混合料横向压实不均匀的现象；在压实过程中，相邻压实轨迹重叠长度应控制在一定范围，以保证碾压均匀，提高压实结束后的路面平整度。

Description

一种确定沥青路面压路机振动轮轨迹重叠宽度的方法
技术领域
本发明涉及压路机技术领域，特别地，涉及一种用于确定沥青路面压路机振动轮轨迹重叠宽度的方法。
背景技术
实际路面压实施工过程中，路面与压路机振动轮均为三维结构，该系统仅能表现出振动轮的动力响应特征，而无法体现出路面沥青混合料在压实过程中的应力等变化规律，且压路机在压实过程中除了振动轮因偏心距产生的激振力作用外，还有振动轮自身重力作用于路面沥青混合料。此外，碾压过程中压路机并非静止于路面上进行振动压实，而是作为移动振动荷载完成碾压作业。目前大多数关于路面压实的施工工艺的研究均基于现在施工经验进行，而没有根据振动压路机荷载作用下沥青路面的动力响应来制定相应的施工工艺。因此，需要采用更进一步的方法来研究路面振动压实过程中路面的动力响应问题。目前研究路面在动荷载作用下的动力响应问题通常有理论解析法和数值模拟法。理论解析法通常关注于沥青路面在移动荷载作用下的动力响应问题，把沥青路面看作弹性材料。而对于振动压路机荷载，由于其荷载形式较为复杂，且振动压实过程里面沥青混合料为高温粘弹塑性，因而理论解析法很难准确计算出路面结构在振动碾压荷载作用下的动力响应问题。道路工程中常用到的数值模拟方法主要有离散元法和有限元法。离散元法将混合料离散成不同形状大小的颗粒，通过颗粒之间相互作用属性来研究材料的力学特性，但是由于路面振动压实模型较大，对应的离散元模型通常包含大量颗粒，导致计算效率较低。有限元作为经典的数值模拟方法，有着更大的计算效率以及更多的材料本构模型，从而成为研究沥青路面振动压实过程中路面结构动力响应的主要方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种确定沥青路面压路机振动轮轨迹重叠宽度的方法，以解决沥青混合料横向压实不均匀的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种确定沥青路面压路机振动轮轨迹重叠宽度的方法，包括以下步骤：
S1、利用ABAQUS有限元软件建立路面结构有限元模型，并在路面结构各个边界面施加相应的约束条件；建模完成后，采用结构技术对路面结构进行网格划分，单元类型采用八节点六面体线性缩减积分单元；
S2、对构建好的有限元模型进行有限元分析，计算得到在振动压路机作用下的路面压实轨迹中点处面层结构接触应力和加速度，并将计算得到的路面结构理论数据与现场实测数据进行对比，以验证有限元模型的准确性；
S3、基于有限元计算结果，将压路机振动荷载作用区域横向与纵向各个节点的应力值输出，并绘制应力大小分布图，从而定量确定路面碾压过程中振动轮压实应力的数值分布规律；
S4、对振动压实过程中路面应力分布规律进行分析，得出压路机往复碾压过程中每次碾压时的轮迹与上一次碾压时的轮迹的最优重叠宽度。
进一步的，述步骤S2中，振动轮作用于路面结构的荷载形式为简谐振动，采用正弦函数，简谐振动力为：
F＝F0sinωt 1)；
式1)中，F0为压路机产生的激振力，ω为正弦函数的圆频率，ω＝2πf；
在有限元计算时将振动轮轴重与简谐振动的激振力一并施加于路面结构层，即：
P＝G+F0sinωt 2)；
式2)中，G为振动轮重；
压路机振动过程中对桥面的激振力形式可以进一步表示为：
Figure GDA0003633174120000021
压路机荷载采用压力荷载形式，其接触应力大小的分布计算公式如下：
Figure GDA0003633174120000022
式4)中，D为振动轮直径；L为振动轮宽度；
将式2)、式3)代入式4)，可得：
Figure GDA0003633174120000023
进一步的，在分析压路机荷载振动作用下桥梁结构受力情况时，压路机振动轮与路面接触面可看成矩形，荷载面积为0.2m×2.1m。
进一步的，依据现场实际路面振动碾压过程中所选择的压路机振动频率，在进行有限元计算时，取67Hz作为主要计算工况进行加载，相应激振力为106kN，现场压路机工作速度为4km/h。
进一步的，利用Fortran语言将式5)所表示的荷载形式编写为DLOAD用户子程序实现振动碾压过程。
进一步的，所述步骤S2还包括：对振动压实过程中某一时刻的应力分布进行分析，以获得压路机压实作用力在路面结构的影响深度范围。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明通过对振动压实过程中路面应力分布规律进行分析，得出压路机往复碾压过程中每次碾压时的轮迹与上一次碾压时的轮迹的重叠一定宽度，以弥补沥青混合料横向压实不均匀的现象；通过对比应力与等效塑性应变横向分布规律可以看出，为了保障路面碾压过程中面层受力均匀性，在压实过程中，相邻压实轨迹重叠长度应控制在0.8m左右，以保证碾压均匀，提高压实结束后的路面平整度。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明中路面结构有限元模型图；
图2是本发明中有限元模型中振动碾压荷载示意图的结构示意图；
图3中(a)和(b)分别是压路机振动荷载作用下的路面压实轨迹中点处面层结构接触应力和加速度；
图4是本发明中有限元计算加速度与现场实测加速度对比图；
图5是本发明中振动压实过程中振动轮与路面接触应力图；
图6是本发明中压路机作用下路面结构应力分布图：(a)横向分布曲线；(b)纵向分布曲图；
图7是本发明中压实应力沿路面结构深度方向分布图：(a)应力深度方向分布云图；(b)应力深度方向分布曲线图；
图8是本发明中不同频率下路面结构动力响应：(a)中点应力时程曲线；(b)压应力深度分布曲线；(c)压实力有效作用深度；(d)最大压应力及等效塑性应变；
图9是本发明中不同碾压速度下路面结构应力时程曲线图；
图10是本发明中不同碾压速度下的压实力有效作用时间及等效塑性应变图；
图11是本发明中压路机轮迹重叠长度示意图：其中(a)用应力反映的重叠效果图；(b)用等效塑性应变反映的重叠效果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
请参见图1，本实施例提供一种确定沥青路面压路机振动轮轨迹重叠宽度的方法，包括以下步骤：
1、利用ABAQUS有限元软件建立路面结构有限元模型，路面长度10m，宽度6m，深度3m，并在结构各个边界面时加相应的约束条件。建模完成后，对路面结构采用结构技术(structure)进行网格划分，单元类型采用C3D8R(八结点六面体线性缩减积分单元)，共计50400个单元，路面结构有限元模型如图1所示。其中，基层及土基材料采用线弹性本构模型，各材料参数如表1；面层沥青混合料采用弹塑性本构模型，其抗剪强度遵循摩尔-库伦规律，下面层沥青混凝土参数如表2所示：
表1路面基层及土基材料参数
Figure GDA0003633174120000041
表2面层沥青混合料材料参数
Figure GDA0003633174120000042
2、对构建好的有限元模型进行有限元分析，振动轮作用于路面结构的荷载形式为简谐振动，采用正弦函数，简谐振动力为：
F＝F0sinωt 1)；
式1)中，F0为压路机产生的激振力，F0＝Meω2，Me是偏心块的偏心力矩，ω为正弦函数的圆频率，ω＝2πf；
将振动轮轴重与简谐振动的激振力一并施加于路面结构层，即：
P＝G+F0sinωt 2)；
式1)中，G为振动轮重，F0为压路机产生的激振力，ω为正弦函数的圆频率，ω＝2πf；
压路机振动过程中对桥面的激振力形式可以进一步表示为：
Figure GDA0003633174120000051
压路机荷载采用压力荷载形式，其接触应力大小的分布计算公式如下：
Figure GDA0003633174120000052
式4)中，D为振动轮直径；L为振动轮宽度；
将式2)、式3)代入式4)，可得：
Figure GDA0003633174120000053
在分析压路机荷载振动作用下桥梁结构受力情况时，压路机振动轮与路面接触面可看成矩形，荷载面积为0.2m×2.1m。
依据现场实际路面振动碾压过程中所选择的压路机振动频率，在进行有限元计算时，取67Hz作为主要计算工况进行加载，相应激振力为106kN，现场压路机工作速度为4km/h。由于模型为非线性计算，为提高计算效率，荷载移动距离设置为8m(即荷载移动带长度为8m)，利用Fortran语言将式4)所表示的荷载形式编写为DLOAD用户子程序实现振动碾压过程。图2为压路机荷载作用于路面有限元模型示意图。
如图3所示，通过有限元计算，得到在压路机振动荷载作用下的路面压实轨迹中点处面层结构接触应力和加速度。将有限元计算得到的路面结构理论动力响应与现场实测数据对比如图4所示，可以看出，理论数据与计算数据吻合较好，其中路面实测加速度大于有限元计算加速度，这是由于现场压实过程中，有多台压路机协同工作，且同时还有摊铺机等施工器械，测点附近一直有较强烈的振动荷载经过，导致对现场实测路面加速度产生一定影响。
3、对振动压实过程中某一时刻的应力分布进行分析，以获得压路机压实作用力在路面结构的影响深度范围。沥青路面振动压实过程中，振动轮与路面直接的作用力大小将直接影响到路面沥青混合料的压实效果。图5为沥青路面振动压实过程中在压路机碾压至2.8s时路面结构所受到应力云图。通过放大接触面的应力分布可以看出，在压路机作用下，路面所受到的应力并非均匀分布。在垂直于路面碾压方向上，振动轮左右两侧与路面接触应力较小，中部较大；在路面碾压方向上，接触应力同样呈现出“中间大，两边小”的分布规律。
将压路机振动荷载作用区域横向与纵向各个节点的应力值输出，并绘制应力大小分布图如图6(a)所示，从而定量确定路面碾压过程中振动轮压实应力的数值分布规律。由图6(a)可以看出，压路机施加于路面的作用力大小呈现出较好的对称性，在横向上，振动轮边缘两侧作用力为0.03MP，从两侧向中间逐渐增加，在距离振动轮中心0.4m时应力达到最大值0.69MPa(表明2.8s时振动轮作用力大小并未达到简谐力峰值)并最终稳定在该应力值左右；在碾压方向上，在压路机与路面接触区域内的应力值均稳定在0.69MPa附近，这是因为计算时设置压路机与路面纵向接触宽度为0.2m，相比于横向接触宽度(2.24m)很小，因而可以认为压路机作用力在纵向接触范围内是均匀分布的。此外，通过图6(b)可以看出，振动压路机荷载除了对其直接作用于路面区域内有压实作用，而且其影响范围可以扩展至振动轮中心处前后0.3m，即：在路面碾压方向上，压路机振动压实应力的影响范围长度为0.6m。
同样的，可以根据有限元计算结果研究路面振动压实过程中压路机压实作用力在路面结构的影响深度范围。图7(a)同样是在计算至2.8s时将路面沿中部分割后的应力分布云图，可以看出，压路机荷载中心处的应力除了作用于面层结构外，还向下延续至其他结构层内。将振动荷载中心下各个距离处的应力数值绘制分布图如图7(b)。可以看出，随着路面深度的增加，路面内部应力先是以较快的速度减小，当深度达到0.45m左右时，压应力大小从0.69MPa减小至0.15MPa，随后应力值随深度变化的速率减小，并在深度达到2.6m左右时应力值减小至0MPa左右，即：在压路机工作频率为67Hz，激振力为106kN时，压实力的压实作用最大深度可达路面结构层2.6m左右。
4、对振动压实过程中路面应力分布规律进行分析，得出压路机往复碾压过程中每次碾压时的轮迹与上一次碾压时的轮迹的最优重叠宽度。
4.1为了研究振动压路机在不同工作频率碾压下路面的动力响应及压实效果，选用的戴纳派克振动压路机参数，计算对比在相同工作速度下路面结构分别在51Hz和67Hz工作频率及相相对应的激振力条件下的面层应力时程曲线如图8(a)，通过对于压路机振动轮压实应力沿路面结构深度方向分布规律可以看出，压实应力延伸度方向的变化斜率可以分为两个阶段，即迅速减小阶段和缓慢减小阶段，因此可以定义第一阶段与第二阶段交点处的深度值作为压实力的有效作用深度，如图8(b)和图8(c)所示，由于压实过程中沥青混合料主要表现为塑性，可以将压实过程中混合料的累积塑性应变(即等效塑性应变，PEEQ)作为混合料压实效果的评价因素。图8(d)列出了不同频率工况下振动轮中心点作用下路面结构路面沥青混合料面层应力及平均等效塑性应变。
通过对比可以看出在相同的工作速度下，低频条件下路面所受到的最大压应力与等效塑性应变均相比于高频工作条件下路面所受压应力与压实后的等效塑性应变分别增加了26％和217％，低频率下的压实力的有效作用深度相比高频率条件下增加了95％。这是由于低频率对应更高的激振力作用，高温下沥青混合料模量低，抗剪强度低，在较大的压应力作用下能够更快速达到屈服并产生较大的塑性变形。另外，通过图8(b)可以看出，两种工况条件下振动轮压实力在深度方向上各个阶段衰减的速率基本相同，说明当材料力学性能相同时，压实力沿深度方向传递速率相同，不同深度处的数值大小取决于压路机所施加的压实力大小。
在路面压实施工过程中，采用较大的激振力可以明显的提高路面沥青混合料的压实效果。通过对路面振动压实过程动力学模型分析可知，由于沥青混合料阻尼以及对应力的耗散作用的存在，使得实际施工过程中路面实际受到的压实力小于压路机的激振力大小，但是在压实后期压路机在高激振力和高振幅条件下的压实力逐渐远大于低激振力下的作用力从而接近实际压路机振动轮的作用力，此时过大的压实力作用将导致混合料集料振碎等问题，导致路面受力特性改变，从而影响路面的使用质量。因此，结合不同频率下的路面沥青混合料等效塑性应变以及理论分析结果对比，在压实初期，由于沥青混合料较为松散且阻尼较大，可以采用“低频高幅高激振力”的参数组合，从而能够实混合料快速形成具有一定密实度的骨架结构；而在中后期的压实中，混合料刚度较大阻尼减小，因此可以选择“高频低幅低激振力”的参数组合，避免过大的压实力导致混合料破碎以及下卧层被振松等现象，保证路面使用性能。
4.2、振动压路机进行振动碾压时行走的速度称为压路机的工作速度，路面沥青混合料振动压实过程可以分为初压、复压两个阶段，压路机每个档位的工作速度分别为2-3km/h、4-6km/h和8-9km/h。考虑振动压路机在67Hz的振动频率下，如图9所示分别以2km/h、4km/h和8km/h三种碾压速度工作时路面表面应力时程曲线对比，通过图9可以看出，不同碾压速度条件下压路机对路面所施加的压实应力大小均在0.9MPa左右，即碾压速度不会影响压路机的压实力作用。通过应力时程曲线可以看出，当压路机即将行驶至路面中点处时，由于滚轮的揉搓作用是的该位置出现一定程度的隆起进而产生一定大小的拉应力，随后测点处出现较为明显的压应力作用。
为进一步研究，将压路机通过测点前拉应力消失压应力出现至驶过测点后压应力消失拉应力出现这一时间段定义为压实力的有效作用时间。如图10所示，对比不同碾压速度下的压实力有效作用时间与面层等效塑性应变。对比结果表明，随着压路机工作速度的加快，路面沥青混合料碾压过后的等效塑性应变有所减小。在相同压路机振动频率下，在一档工作速度时，路面的等效塑性应变为0.12，相比8km/h时增加200％；相应地，一档工作速度下压实力的有效作用时间相比8km/h时增加207％，可以看出，碾压速度对路面压实效果的影响直接体现在压实力所作用于路面的有效压实时间。此外，压路机移动速度越慢，通过路面结构的时间越长，压路机振动力作用次数越多，产生的能量越大，路面沥青混合料所受到的碾压作用更为充分，从而压实效果更好。因此，在路面压实过程中，需要根据不同的压实阶段选择不同的压实速度：在压实初期，压路机应选择较低挡位的工作速度，以便控制路面沥青混合料的整体压实效果。由于压路机长时间低速工作会造成机械使用和施工效率降低，因此在初压之后的后期压实过程中，考虑到压实效果以及施工效率，可以采用二档工作速度进行碾压。
本实施例中，通过振动压实过程中路面应力分布规律的分析可以看出，压路机振动轮在压实过程中，虽然振动轮在横向上与路面之间接触宽度较大，但并非所有的接触区域均能够对路面沥青混合料进行有效的压实作用。因此在路面碾压施工时，会出现振动轮下方中间处的混合料压实效果好而边缘处的混合料压实效果较差。为了弥补这种沥青混合料横向压实不均匀的现象，需要压路机碾压过程中对碾压轮迹进行重叠，如图11。通过对比应力与等效塑性应变横向分布规律可以看出，为了保障路面碾压过程中面层受力均匀性，在压路机往复碾压过程中要控制每次碾压时的轮迹与上一次碾压时的轮迹重叠宽度应该至少为0.6m；为了保证被压沥青混合料变形均匀性，应该使两次碾压时振动轮轮迹重叠距离至少为0.8m。综上所述，在压实过程中，相邻压实轨迹重叠宽度应控制在0.8m左右，以保证碾压均匀，提高压实结束后的路面平整度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种确定沥青路面压路机振动轮轨迹重叠宽度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用ABAQUS有限元软件建立路面结构有限元模型，并在路面结构各个边界面施加相应的约束条件；建模完成后，采用结构技术对路面结构进行网格划分，单元类型采用八节点六面体线性缩减积分单元；
S2、对构建好的有限元模型进行有限元分析，计算得到在振动压路机作用下的路面压实轨迹中点处面层结构接触应力和加速度，并将计算得到的路面结构理论数据与现场实测数据进行对比，以验证有限元模型的准确性；
S3、基于有限元计算结果，将压路机振动荷载作用区域横向与纵向各个节点的应力值输出，并绘制应力大小分布图，从而定量确定路面碾压过程中振动轮压实应力的数值分布规律；
S4、对振动压实过程中路面应力分布规律进行分析，得出压路机往复碾压过程中每次碾压时的轮迹与上一次碾压时的轮迹的最优重叠宽度；
所述步骤S2中，振动轮作用于路面结构的荷载形式为简谐振动，采用正弦函数，简谐振动力为：
F＝F0sinωt 1)；
式1)中，F0为压路机产生的激振力，ω为正弦函数的圆频率，ω＝2πf；
在有限元计算时将振动轮轴重与简谐振动的激振力一并施加于路面结构层，即：
P＝G+F0sinωt 2)；
式2)中，G为振动轮重；
压路机振动过程中对桥面的激振力形式可以进一步表示为：
Figure FDA0003633174110000011
压路机荷载采用压力荷载形式，其接触应力大小的分布计算公式如下：
Figure FDA0003633174110000012
式4)中，D为振动轮直径；L为振动轮宽度；
将式2)、式3)代入式4)，可得：
Figure FDA0003633174110000021
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在分析压路机荷载振动作用下桥梁结构受力情况时，压路机振动轮与路面接触面可看成矩形，荷载面积为0.2m×2.1m。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，依据现场实际路面振动碾压过程中所选择的压路机振动频率，在进行有限元计算时，取67Hz作为主要计算工况进行加载，相应激振力为106kN，现场压路机工作速度为4km/h。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用Fortran语言将式5)所表示的荷载形式编写为DLOAD用户子程序实现振动碾压过程。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：对振动压实过程中某一时刻的应力分布进行分析，以获得压路机压实作用力在路面结构的影响深度范围。
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