人孔周围沥青路面响应特性分析及疲劳寿命评估

摘要

摘要针对人孔周围路面的损伤问题，提出了一种分析车辆荷载作用下路面应力特性和评价人孔周围路面疲劳寿命的有效方法。建立了车-路-井盖半耦合动力学模型，计算了动载荷系数。根据ABQUS有限元分析模型，分析了人孔周围路面的动态响应特性，比较了不同制动力和不同车型下路面的应力。计算了不同加载条件下路面面层的疲劳寿命，选取了三种不同的疲劳寿命模型，分析了不同因素对人孔周围路面基层结构疲劳寿命的影响。结果表明,路面的疲劳寿命基础层和人孔沉降值的增加,减少和增加疲劳寿命与表层的厚度的增加,和地基弹性模量的变化没有明显的道路基础对疲劳寿命的影响。最后，提出了一种基于高根能量的疲劳寿命评价指标，更直观地比较了三种模型。因此，分析结果可为周围路面人孔的设计和维修提供依据，该分析方法值得在更多影响因素下的路面疲劳寿命研究中进一步应用。

1.介绍

随着城市基础设施的快速发展，作为市政设施的基本组成部分，用于输电、输气和通信传输的人孔不可避免地存在于城市道路中。井口周围的路面很容易损坏。据统计分析，人孔周围路面常见的损伤形式有裂缝、路面与人孔分离、人孔凹陷，如图所示1．李(1]计算了人孔周围路面裂缝及沉降破坏分布情况，其中裂缝占65.09%，沉降占63.2%。同时，他们分析了裂缝和下沉的可能原因。奥萨马(2]研究了不同严重程度的人孔路面病害，建立了人孔几何形状与病害数量之间的关系。

(一)

(b)

(c)

损坏的发生不仅影响驾驶的舒适性和安全性，而且大大降低了道路的使用寿命。人孔周围沥青路面的寿命评估不仅要考虑其自身的结构和施工条件，还要考虑周围环境和车辆随机动荷载的影响。车辆路面结构是集多种运动特性于一体的复杂运动系统。路面在车辆荷载作用下的动态响应特性与车辆荷载构型、路面平整度和行驶速度有很大的关系[3.那4.］.Ling等人[5.]提出了一种基于横向快速傅里叶变换(FFT)的半解析有限元方法，分析了移动飞机载荷作用下路面的动力响应和应力路径。Galvín等[6.]提出了一个全三维非线性车辆-轨道-土-结构有限元边界元模型，研究了多体系统的动力特性。Eslaminia等人[7.]提出了一种傅里叶-有限元方法，结合基于时间尺度分离的思想，预测数百万次移动车辆荷载作用下的渐进路面损伤。Hu等人[8.]建立了车用井盖的多自由度振动模型，研究了井盖对井盖周围路面的损伤影响。Yan等人[9.]建立了路基面离散元模型，研究了沥青路面在振动细观响应下的破坏机制。

人孔周围路面的应力分析是研究车辆进出道路区域时所产生的荷载作用下的动态应力变化。认为随着荷载位置的变化，路面的应力应变会发生很大的变化。Wei等人[10比较了不同参数下车辆进出时人孔周围混凝土路面的应力。研究发现，随着车辆的进出，上层压应力和底层拉应力先增大后减小;Brown和Brown [11结论是，围绕人孔周围的路面故障可能是由路面和腔室的差分垂直刚度引起的剪切和拉伸应力的组合引起的。林等。[12]发现，水平方向的最大主应变发生在路面覆盖层底部，而垂直方向的最大压应变则发生在井盖与周围沥青混凝土路面界面处。

疲劳损伤和永久变形是沥青路面的主要破坏形式。疲劳损伤包括路面面层和基层的损伤，严重影响道路的使用寿命。目前常用疲劳试验方法来估计沥青路面的疲劳性能，沥青的疲劳损伤性能由截面指数、平整度指数等量化的特征指标来表征[13］.Dilip等人[14]进行了柔性路面截面的可靠度分析，确定了影响疲劳和车辙破坏准则设计可靠度的关键参数。欣茨和巴伊亚[15，证明了断裂可以解释动态剪切流变仪疲劳试验中加载阻力的变化，并提出了一个分析框架，利用单次扫描试验结果预测粘结剂在不同载荷下的疲劳寿命。Ning等[16]提出了一种新的疲劳分析方法来比较由试验类型和试样尺寸组合得到的疲劳关系。Yared和Bjorn [17]提出了一种新的基于力学的分析框架，研究轴载谱等交通特性参数对疲劳开裂性能预测的影响。

本研究的两个主要目的如下。（1）基于车-路-井盖动力学模型和有限元仿真，获得人孔周围路面的动态响应特性，比较不同制动力和不同车型对路面的影响。（2）计算疲劳寿命的路面表层和基地层基于道路的机械反应结果的影响,分析不同因素对基本层的疲劳寿命提供依据的设计和维护检修孔周围的路面。

本文的具体结构如图所示2．首先，建立了基于1/2车-路-井盖耦合的多自由度动力学模型，得到了车辆通过井盖时的动载荷分布特性;然后，基于ABQUS有限元分析(FEA)软件，计算了人孔周围半刚性沥青路面在车辆荷载作用下的动态应力响应分布。随后，根据不同工况下路面应力响应结果，评价了沥青路面面层和基层的疲劳寿命，并对三种路面基层疲劳寿命分析模型的影响进行了对比分析。

2.车辆路面 - 人孔动力模型的响应特性

2．1．建立耦合动力学模型

当车辆通过人孔和周围路面时，车辆的振动特性明显不同于普通路面。当车辆通过普通路面时，车辆与路面将是一个双耦合系统。当车辆通过人孔时，人孔盖会随机振动。因此，车辆、路面和井盖将是一个三元耦合系统。在不考虑路面不平度影响的情况下，分别以重型卡车和轿车作为仿真模型。

以6 × 4结构布置的重型载货汽车为例，建立了1/2车-路-井盖耦合动力学简化模型。本文选取车辆前轴作为分析对象。车辆前轮在人孔周围路面区域和人孔盖区域的动力学模型的建立如图所示3.．同样，汽车的动态模型如图所示4.．

(一)

(b)

(一)

(b)

如图所示3(一个)，当重型卡车的前轮在人孔周围区域时，人孔盖不受载荷作用。假设路面不随车辆振动，则车辆前轮在人孔周围区域的位移矩阵为:

同样，根据图4(一)，汽车的位移矩阵如下：

则该工况下1/2车路耦合动力学简化模型的微分矩阵方程为:

重型卡车系数矩阵如下：

同理，汽车系数矩阵为:

然后，求解方程的结果（2)的资料如下:

如图所示3 (b)当重型卡车的前轮位于人孔覆盖区域时，人孔盖在负载下。假设道路底座不会随着车辆随机振动，当车辆的前轮位于人孔覆盖区域时，位移矩阵如下：

同样，根据图4 (b)时，小车的位移矩阵为:

则该工况下1/2车-路-井盖耦合动力学简化模型的微分矩阵方程为:

重型卡车系数矩阵如下：

同理，汽车系数矩阵为:

然后，求解方程的结果（7.)的资料如下:

2．2．不同路况下的动载系数

为了根据等式获得动态负载系数（5.）和（10)，车速设置为30 km/h，道路坡度设置为4%，井口下沉值设置为0.01 ~ 0.06 m，分别[18-20.］.根据我国普通道路参数，给出了初始条件y1 (0)y2（0）如表所示1．


工作条件	初始条件	初始条件

（4％，0.01米，30公里/小时）	[0 0.33 0 0.33 0 0.33 0 0.33 0 0]^T.	[Y1 (1, t1) Y1 (2, t1) Y1 (3, t1) Y1 (4, t1) Y1 (5, t1) Y1 (6, t1) Y1 (7, t1) + 0.01 Y1 (8, t1) 0 0 0 0]^T.
（4％，0.03米，30 km / h）	[0 0.33 0 0.33 0 0.33 0 0.33 0 0]^T.	[Y1 (1, t1) Y1 (2, t1) Y1 (3, t1) Y1 (4, t1) Y1 (5, t1) Y1 (6, t1) Y1 (7, t1) + 0.03 Y1 (8, t1) 0 0 0 0]^T.
(4% 0.06米30公里/小时)	[0 0.33 0 0.33 0 0.33 0 0.33 0 0]^T.	[Y1 (1, t1) Y1 (2, t1) Y1 (3, t1) Y1 (4, t1) Y1 (5, t1) Y1 (6, t1) Y1 (7, t1) + 0.06 Y1 (8, t1) 0 0 0 0]^T.

根据某重型汽车6 × 4结构布置的设计条件，动态模型的相关参数设置如表所示2[21］.


参数	价值

m₁(公斤)	15950
m₂(公斤)	1000
m_3.(公斤)	1000
m_4.(公斤)	700.
m_5.(公斤)	56
C1 （）	14000
C2 ( ）	3000
C3 ( ）	14000
C4 ( ）	3000
C5 ( ）	10000
C6 ( ）	3000
K.1 （）	2.5×10^6.
K.2 ( ）	2×10^6.
K.3 ( ）	2.5×10^6.
K.4 ( ）	2×10^6.
K.5 ( ）	4×10^5.
K.6 ( ）	1.9×10^6.
k7(．）	9×10^6.
J ( ）	190512
L.1(米)	1.515
L.2（m）	0.505
L.3（m）	3.15

根据汽车的设计条件，如表所示设置动态模型的相关参数3.[22］.


参数	价值

m₁(公斤)	1484
m₂(公斤)	82
m_3.(公斤)	82
m_4.(公斤)	56
C1.（）	2000年
C2.（）	15000
C3.（）	10000
C4（）	2000年
k1（）	41000.
k2（）	2×10^5.
k3（）	26000
k4（）	2×10^5.
k5（）	9×10^6.
J ( ）	2805
L.1(米)	1.45
L.3（m）	1．3

根据图中所示的动态模型2时，重型卡车前轮上的静载荷为

汽车前轮上的静载荷是

重型载重汽车前轮下路面或井盖上的冲击动载荷为

对汽车前轮下方路面或井盖的冲击动载荷为则前轮动载系数为

通过上述计算，在三种不同的人孔沉降值下，前轮在路面面积和井盖面积上的动载荷系数如图所示5.和6.．可以看出，由于瞬态冲击，当车辆进入井盖区域时，动载荷会增加。随后，当车辆返回人孔周围的路面时，动载荷会降低到较低的值。与轿车相比，重型汽车产生的动载荷变化更明显。并且可以看出，随着人孔沉降的增大，前轮最大动载荷系数增大。前轮最大动载系数如表所示4.．


工作条件	卡车最大动载系数	汽车最大动载系数

（4％，0.01米，30公里/小时）	6.1153	1.0437
（4％，0.03米，30 km / h）	6.4632	1.1310
(4% 0.06米30公里/小时)	6.9850	1.2620

3.人孔周围路面的有限元仿真

3.1。人孔周围的路面模型

参照中国沥青路面设计规范[23，确定了半刚性基层沥青路面的结构。采用商用ABAQUS软件建立了路面三维有限元模型。建模过程主要包括以下几个方面。

3.1.1。结构和材料参数的确定

建立包含人孔结构的三维路面模型，尺寸为6m × 3.5 m × 4m，如图所示7.．各层结构参数如表所示5.[24］.人孔结构采用自调节结构，包括人孔盖、井眼、井腔。由于研究对象是人孔周围的路面，人孔结构被约束为一个刚体，其内部的应力变化将被忽略。在ABAQUS中，沥青材料的粘弹性由Prony级数定义，如表所示6.[25］.


层	材料	厚度(cm)	E.(MPa)	泊松比	减震

上表面的一层	SMA-13	4.	-	0.35	0．9
中面层	Sup-20.	6.	-	0.35	0．9
底面层	Sup-25.	8.	-	0.35	0．9
基础层	水泥稳定的麦克白	38	12000	0.25	0．4
底基层层	Lime-stabilised土壤	20.	5000	0.25	0．4
路基层	底土	324	81	0．4	0．4


条目的数量
条目的数量		SMA-13	Sup-20	Sup-25

1	0.000002	0.093359	0.09333	0.10241.
2	0.00002	0.15079	0.15075	0.15681
3.	0.0002	0.215671.	0.21561	0.21202
4.	0．002	0.236076	0.23601	0.23542
5.	0.02	0.17431	0.17426	0.16681
6.	０．２	0.083306	0.08328	0.08494
7.	2	0.02903	0.02902	0.03022
8.	20.	0.009295	0.00929	0.00755
9.	200	0.003249	0.00325	0.00248
10	2000年	0.001284	0.00128	0.00083
11	20000	0.000591	0.00059	0.00032
12	200000	0.000172	0.00017	0.00016
13	2000000	0.000493	0.00048	0.00003

3.1.2。定义边界条件

假设所有材料均为各向同性，路面各层之间的接触是完全连续的，面层以外的其他结构层材料均为线弹性。在模型中，模型底面设为全约束，垂直(Z.方向)位移在垂直于X方向，以及纵向(X方向)位移在垂直于y方向(26］.处理后的模型如图所示8.．

3.1.3。定义负载条件下

加载区域选择人孔附近的路面表面区域，长度为1.5 m。载荷值根据表中车辆参数得到2-3.和表中动载系数4.，每一步增量加载面积相当于一个0.192 × 0.186 m的矩形[24］.在软件中，通过VDLOAD和UTRACLOAD子程序实现负载在路面上的移动，并通过软件中设置的分析步长时间来控制负载的移动速度。

３．２．井口周围路面的动力响应特性

通过有限元模拟得到了不同路面深度的重型汽车在纵向和竖向荷载作用下的动应力。此时车速为30 km/h，人孔沉降值为0.01 m。图中为0 m ~ 0.76 m三个方向的路面应力情况9.-11．可以看出，这些曲线反映了荷载进入和离开观察区时的加载过程。当荷载接近和离开该位置时，路面内的应力产生正负交替的现象，这种应力交替是引起材料疲劳损伤的重要因素。此外，从图中还可以看出，随着路面深度的增加，三个方向的应力迅速减小，竖向动应力大于轴向和纵向动应力。当路面深度大于路面路基层0.76 m时，应力值已经很小。

3.3。不同制动力和不同车辆类型下的人行道响应

在实际情况中，当车辆通过有人孔的路面时，车辆一般会经历一个减速和加速的过程。为了研究不同的制动力和牵引力对车速变化的影响，在车辆加速度为3 m/s的情况下，不同纵向载荷的重型汽车²6米/秒²和9米/秒²应用于模型。

纵向力的变化对路面结构的剪应力有很大的影响。如图所示为不同重型汽车纵向力作用下人孔周围路面的剪应力曲线12．可以看出，表层结构的剪应力最大，且随铺装深度的增加而迅速减小。因此，人孔周围路面面层在剪应力作用下更容易产生裂纹损伤。当道路深度在0.2左右时，弯道会有一小步。这是路面面层和基层的连接处。剪应力的突然变化会在构造层之间的连接处产生相对位移。当相对位移增加到一定程度时，路面面层会产生剥离损伤。

选择不同的车辆类型，研究车辆类型对人孔周围路面的影响，包括重型卡车和轿车。在两种车辆荷载作用下，路面应力的变化规律相似。如图所示13即随着人孔沉降值的增加，路面应力增加，随着路面深度的增加，应力降低，但存在数值差异。因为卡车的重量和动态载荷系数比汽车的重量和动态载荷系数大，所以它会对道路造成更大的压力和损坏。

(一)

(b)

4.人孔周围沥青路面疲劳寿命评估

4.1。人孔周围的路面表面层的疲劳寿命

为了研究不同类型的车辆和不同人孔沉降值对路面表面层的疲劳寿命的影响，表格中所示的四个装载条件7.，适用于轿车和重型卡车。然后，利用有限元软件对所有工况进行了模拟。


工作条件	人孔沉降值(cm)

情况1	0.
案例2.	1
案例3.	3.
案例4.	6.

参照中国沥青路面设计规范[23]，沥青混合料的疲劳寿命公式及按规范计算的数值如下: 为沥青混合料的疲劳寿命，为目标可靠性指标(值为1.04)，为季节性冻土调整系数(值为0.9)，为温度调节系数(值为10.81)，为有限元分析得到的沥青混合料底层的最大拉应变，为沥青混合料在一定温度下的压缩模量(值为8000 MPa)，的浓度为沥青饱和度(值为87%)，沥青层厚度(路面模型值为0.18 m)为加载模式因子。

通过计算，路面沥青层底部最大拉应变及相应路面面层的疲劳寿命如表所示8.．结果表明，车辆类型对人孔周围路面面层的疲劳寿命有较大的影响。与轿车相比，重载汽车下路面的拉应变较大，路面面层的疲劳寿命较短。此外，随着人孔沉降值的增大，路面的拉应变增大，路面的疲劳寿命显著降低。


工作条件	车		卡车
工作条件	最大拉伸应变	疲劳寿命	最大拉伸应变	疲劳寿命

情况1	9.430E.−07	2.34E. + 10	1.182E.−05	1.02E. + 06
案例2.	1.066E.−06	1.44E. + 10	5.413E.−05	2.43E. + 03
案例3.	1.212E.−06	8.62E. + 09	5.640E.−05	2.07E. + 03
案例4.	1.357E.−06	5.51E. + 09	5.882E.−05	1.75E. + 03

4．2．不同影响因素下基础结构疲劳寿命评估

分析结果见图13表明路面在不同类型车辆荷载作用下具有相同的应力规律，但数值不同。当车辆重量较大时，路面的应力和应变明显增大，将严重影响路面的疲劳寿命，如表所示8.．因此，选择重型卡车作为主要车型对人孔周围路面基层进行疲劳寿命评估。

为研究不同影响因素对人孔周围路面基层疲劳寿命的影响，将人孔沉降值、表面厚度和土壤弹性模量组合输入有限元模型。表中显示了总共8个案例9.．


工作条件	人孔沉降值(cm)	表层厚度(cm)	地基弹性模量(MPa)

情况1	0.	18	81
案例2.	1	18	81
案例3.	3.	18	81
案例4.	6.	18	81
案例5.	1	10	81
案例6.	1	30.	81
案例7.	1	18	30.
案例8.	1	18	120

许多国家对沥青路面的基层疲劳进行了深入研究，其中选择了三种类型的疲劳模型和参数值[23那24］.的拉应力将8种情况下基层的疲劳模型代入表中所示的疲劳模型中10．


国家	基层疲劳模型	参数	参数定义	参数值

中国			季节性冻土调整系数	0．9
			温度调节系数	2.79
			现场综合校正系数	12.47
			弯曲拉伸强度
			疲劳试验回归系数	13.24
			疲劳试验回归系数	12.52
			目标可靠性指标	1.04

美国			断裂模量
			场换档调整常数	1．0
			场换档调整常数	1．0

西班牙			弯曲拉伸强度
			疲劳试验回归系数
			疲劳试验回归系数

从图中可以看出14-16在相同的工作条件下，路面基座结构的疲劳寿命在井周围的趋势通过三个计算模型的相同趋势，但绝对值是不同的。如图所示(14日)-(16日)，人孔沉降值对人孔周围路面基层结构的疲劳寿命影响较大，寿命随沉降值的增加而降低。无沉降井口周围路面基层结构的疲劳寿命明显长于有沉降井口周围路面基层结构的疲劳寿命，但随着路面深度的增加，其疲劳寿命差距逐渐减小。如图所示14 (b)-16 (b)，土基弹性模量的变化对上基层的疲劳寿命影响较小。对底层较低部分的影响相对较小，但不是线性正相关。从数据14 (c)-16（c），可以看出，路面基座结构的疲劳寿命随着表面层的厚度的增加而增加。

(一)

(b)

(c)

(一)

(b)

(c)

(一)

(b)

(c)

由于疲劳寿命值均为10的k次方，因此采用平方根形式减少寿命次数，以消除坐标系的影响，从而更直观地表征三种不同模型之间的差异。评价指标基于能量的k次根构造为: 在哪里是生命曲线，是疲劳曲线中数据点的个数，和是信号的能量。对于疲劳曲线，量化了该工况下由寿命模型得到的疲劳曲线的循环次数为转换系数。指数越大一世是，疲劳寿命模型给出的循环次数越大。

数字17给出了三种不同疲劳寿命模型下基于高根能的评价因子的结果。从图中可以看出，我国路面基层结构疲劳寿命模型计算结果最大，其次是西班牙模型，美国模型计算结果最小。此外，基于高根能的评价因子所反映的各工况下的疲劳寿命规律与原始疲劳寿命曲线一致。

(一)

(b)

(c)

5.结论

本文提出了一种分析车辆荷载作用下路面应力特性和评价人孔周围路面疲劳寿命的有效方法。建立了车辆-路面-井盖半耦合动力学模型，模拟了车辆与路面的相互作用。考虑不同类型车辆通过人孔周围路面，求解了不同工况下前轮动载荷系数。

采用ABQUS有限元模型，得到了井口周围不同铺装层在竖向和纵向荷载作用下的动态应力响应。根据动应力分析，当荷载进入和离开荷载区域时，人孔周围路面表层和基层的应力呈现正负变化的现象，这是造成疲劳损伤的原因。汽车荷载作用下的路面应力大于汽车荷载作用下的路面应力，但变化规律相似。随着路面深度的增加，应力逐渐减小，最大应力出现在路面表层。当车辆纵向荷载增大时，路面纵向剪应力显著增大，表层与基层交界处出现小台阶，可能造成两层之间的相对位移损伤。

计算了不同类型车辆和不同加载条件下路面面层的疲劳寿命，选取了三种不同的疲劳寿命模型，分析了不同因素对人孔周围路面基层结构疲劳寿命的影响。结果表明,路面的疲劳寿命基础层和人孔沉降值的增加,减少和疲劳寿命增加表层的厚度的增加,和地基弹性模量的变化没有明显的道路基础对疲劳寿命的影响。最后，构建了基于高根能的疲劳寿命评价指标，该指标不仅与原始疲劳寿命曲线所反映的规律一致，而且能更直观地并行比较三种模型的结果。

数据可用性

用于支持本文分析的数据包括在文章中。

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

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冲击和振动

摘要

1.介绍

2.车辆路面 - 人孔动力模型的响应特性

2．1．建立耦合动力学模型

2．2．不同路况下的动载系数

3.人孔周围路面的有限元仿真

3.1。人孔周围的路面模型

3.1.1。结构和材料参数的确定

3.1.2。定义边界条件

3.1.3。定义负载条件下

３．２．井口周围路面的动力响应特性

3.3。不同制动力和不同车辆类型下的人行道响应

4.人孔周围沥青路面疲劳寿命评估

4.1。人孔周围的路面表面层的疲劳寿命

4．2．不同影响因素下基础结构疲劳寿命评估

5.结论

数据可用性

的利益冲突

参考文献

版权

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