本文对济南市城市道路进行调研，选取代表性沥青路面结构，利用ANSYS有限元软件进行仿真模拟，研究不同轴载及不同结构组合下路面结构的力学响应，为济南市城市道路的设计提供一些建议。

快速路典型沥青路面结构及其参数

济南市快速路的主要路面结构为半刚性基层沥青路面结构，均是依照我国公路沥青路面设计规范设计而成，主要依据“厚基薄面”的主导思想。因此在济南快速路中，沥青路面的沥青层主要为4cm+5cm+6cm或者4cm+6cm+8cm;半刚性基层采用双基层的组合形式，即20～30cm的水稳碎石基层和15～25cm的二灰稳定底基层中国沥青网sinoasphalt.com。

三维有限元模型及边界条件

在实际行车条件下，沥青路面结构的受力状态是三维，且随着车辆轴载的增加，轮迹形状也越来越接近于矩形。因此，本文对沥青路面结构建立三维有限元模型，并施加双向双矩形荷载，即竖向荷载和水平方向荷载，其中，水平方向荷载为竖向荷载的0.2倍。由于此受力状态下的三维模型是轮隙中线对称的模型，因此本文为减少计算量，建立1/2的三维模型。

本文以Z轴为竖向方向、X为横向、Y轴为行车方向建立3m×5m×6m(X×Y×Z)的有限元模型。边界条件的设定如下:对路基底部施加全固定约束，X轴截面约束X轴方向的位移，Y轴截面约束Y轴方向的位移，对称面施加对称约束。

轴载大小对车辙的影响

随着经济的飞速发展，济南市交通量逐渐增加，超载现象也极为常见。众所周知，超载极易诱发沥青路面车辙病害的产生。因此本文首先研究超载情况对车辙的影响，其中。

根据国内外大量研究知，沥青路面车辙病害的产生与沥青层抗剪强度有着很大的关系。当沥青路面抗剪强度不足时，在车辆荷载作用下，沥青层材料容易发生流动，从而导致流动性车辙的产生。因此本文对车辙的分析，主要是研究各结构组合等因素对沥青层剪应力最值的影响。

可以看出，沥青层最大剪应力随着轴载的增加，呈线性增加趋势。当荷载为标准轴载时，沥青层最大剪应力为203.65kPa;当荷载增加到180kPa时，沥青层最大剪应力为309.06kPa。由此可以看出，当车辆轴载每超载20%时，沥青层最大剪应力值增加12.94%。一般而言，沥青层容许剪应力为200kPa～250kPa。对比分析可知，当车辆荷载达到140kN时，沥青层产生的最大剪应力值偏大。通过以上数据综合分析可知，超载对沥青路面车辙病害影响很大，因此建议济南市可以从控制车辆超载方面对沥青路面车辙进行控制。

沥青层剪应力的分布是一个典型的三维分布，且不同轴载下的沥青层剪应力分布基本相同。因此，本文利用MALAB软件绘制出当轴载为100kN时沥青层剪应力的三维分布图。

做出了沿着行车方向和路面横向的沥青层剪应力分布图。可以看出，轮迹处沥青层剪应力存在4个峰值，分别存在于轮隙中间和轮迹两侧。其中，轮迹两侧的剪应力峰值明显大于轮隙之间的剪应力。因此，沥青路面结构的车辙主要产生与轮迹两侧边缘处沥青层最大剪应力有关。

沥青层厚度及模量对车辙病害的影响

根据国内外对于车辙的研究知，沥青层厚度达到18cm以上时，沥青路面结构的车辙病害将明显减轻。由此可知，沥青层厚度与车辙有着很大的关系。因此本文对不同沥青层厚度下的沥青层剪应力进行研究，本文研究的沥青层厚度分别为12cm、14cm、16cm、18cm、20cm和22cm。

可以看出，随着沥青层厚度的逐渐增加，沥青层最大剪应力逐渐减小，但是减小的速率逐渐降低。当沥青层厚度在12～14cm、14～16cm、16～18cm、18～20cm和20～22cm之间变化时，沥青层厚度每降低2cm，沥青层剪应力下降10.75%、7.78%、4.11%、3.11%和2.74%。鉴于力学性能和经济型考虑，本文建议沥青层厚度为16～18cm之间。

可以看出，随着沥青层模量的增加，沥青层最大剪应力也逐渐增加，且增加的速度越来越快。当沥青层模量在1200～1400MPa、1400～1600MPa、1600～1800MPa、1800～2000MPa和2000～2200MPa之间变化时，沥青层模量每降低200MPa，沥青层剪应力增加1.63%、2.63%、3.10%、4.20%和3.86%。由此可以看出，沥青层模量的大小对沥青层剪应力有着一定的影响，但是影响相对较小。

模量比对车辙病害的影响

在行车荷载下，沥青层中剪应力的分布主要与半刚性基层和沥青层的模量比值有关。本文为了便于研究模量比这一因素，将沥青层模量固定为1600MPa，通过改变半刚性基层模量来调整模量比。本文研究的半刚性基层和沥青层的模量比分别为0.75、1、1.25、1.5、1.75、2.00、2.25、2.50、2.75、3.00、3.25、3.5、3.75、4.00、4.25和4.50。

沥青层最大剪应力随着半刚性基层与沥青层模量比的增加逐渐增加。当基层与沥青层模量比在2.25以下时，沥青层最大剪应力均在200kPa以下;当基层与沥青层模量比达到3.75以上时，沥青层最大剪应力达到250kPa以上。另外，在基层与沥青层模量比在2～2.5时，沥青层最大剪应力变化较小。当模量比在0.75～2之间变化时，模量比每增加0.5，沥青层剪应力增加9.02%;当模量比在2.5～4.5之间变化时，模量比每增加0.5，沥青层剪应力增加8.42%。考虑到半刚性基层模量的下降，即为水泥掺量的下降，半刚性基层抗弯拉等强度下降，对路面结构的其他性能有着严重的影响。因此本文建议将基层与沥青层模量比控制在1.5～2.5之间。

结语

(1)随着轴载的增加，沥青层最大剪应力呈线性增加。当车辆轴载每超载20%时，沥青层最大剪应力值增加12.94%。超载对沥青路面车辙病害影响很大，因此建议济南市可以从控制车辆超载方面对沥青路面车辙进行控制。

(2)随着沥青层厚度的逐渐增加，沥青层最大剪应力逐渐减小，但是减小的速率逐渐降低。当沥青层厚度在12～14cm和14～16cm之间变化时，沥青层厚度每降低2cm，沥青层剪应力下降10.75%和7.78%。鉴于力学性能和经济型考虑，本文建议沥青层厚度为16cm～18cm之间。

(3)随着沥青层模量的增加，沥青层最大剪应力也逐渐增加。沥青层模量的大小对沥青层剪应力有着一定的影响，但是影响相对较小。

(4)沥青层最大剪应力随着半刚性基层与沥青层模量比的增加逐渐增加。当模量比在0.75～2之间变化时，模量比每增加0.5，沥青层剪应力增加9.02%。因此本文建议将基层与沥青层模量比控制在1.5～2.5之间。