移动荷载作用下水泥混凝土路面结构响应分析.pdf

鹿青等 ： 移动荷载作用下水泥混凝土路 面结构响应分析 移 动荷载作用下水泥 混凝土路 面结构 响应分析 鹿青 ， 孙吉书 ， 王艾迪， 秦川 阳 ( 河北工业大学土木工程学院 。 天津3 0 0 4 0 1 ) 【 摘要】 在施加荷载后水泥混凝土路面板板底将承受较大的弯拉应力 ， 导致路面表层出现过大变形。本 文根据有限元理论 ， 通过 A N S Y S 软件建立水泥混凝土路面三维有限元模型， 对移动荷载作用下水泥混凝土路面结 构响应进行分析， 比较不同超载率下水泥混凝土路面各结构层的弯沉和应力状况 ， 以确定超载对路面损伤 的 影 响 。 【 关键词】 移动荷载作用； 水泥混凝土； 响应分析 【 中图分类号】 T U 3 1 1 ． 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 — 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 0 8 — 0 0 8 5— 0 3 当汽车匀速行驶在路面上时， 在车轮与路面的接触面 上 ， 车轮受 到来 自路面的滚动摩 阻力 ， 作用 力与 反作用 的原 理 ， 路面也会受到车轮施加给它的一个与摩阻力方 向相反 的水平力 ， 本文主要研究在忽略路面不平整度影响因素时， 对水泥混凝土路面施加移动均布荷载和水平荷载， 分析了 汽车在匀速状态下， 水泥混凝土路面结构的动力响应。 1 水泥混凝土有限元模型 与通过试验分析结构相比， 利用大型通用分析软件 A N — S Y S对结构进行仿真模拟是一种更为简便而且经济的方法。 它通过建立结构有限元模型， 施加运行荷载及计算分析结 果， 来研究结构 的物理力学响应， 如位移、 应力 、 温度分布 等。本文运用 A N S Y S动力学分析中的瞬态动力分析， 来确 定结构在承受随时问变化荷载作用时的响应。采用完全 法， 选用完整的系统矩阵来计算结构的瞬态响应， 包括结构 的各类非线性特性( 如大应变、 大变形和塑性等) 。通过一 次性分析就可以计算得到结构的所有应力和位移， 而且可 以对结构施加所有类型的载荷” J 。 t ( 1 ) 路面结构参数。参考相关文献 和现行的 J T ． G D 4 0—2 0 1 1 《 公路水泥混凝土路面设计规范》 J ， 取一块水 泥混凝 土路面板进行分析 ， 其结 构 由普 通混凝 土 面层 、 水泥 稳定粒料( 其中水泥含量5 ％) 基层、 级配碎石和土基四层组 成 。其 中普通混凝土 面板 的平面 尺寸取 为长 5 m、 宽 4 m， 各 结构层的计算参数见表 1 所示。 表 1 路面 结构 与材料参数 ( 2 ) 建立路面结构有限元模型。对于动荷载作用下 的水泥混凝土路面， 利用有限元方法建立路面结构 三维有 限元分析模型， 假设土基底面为完全约束 ， 即自由度为零， 面层的 4个侧面不进行约束 ， 使面层 自由， 其余各层对 4周 进行法向位移约束。将车轮与底面接触的印迹简化为矩形 形式 ， 每个 车轮 与地 面 的的 接触 面取 为 0 ． 2 m 0 ． 2 m 的矩 形， 其面积为 0 ． 0 4 m 。位于同一侧的两轮间距为 0 ． 1 m， 轴 长取 1 ． 8 m。并假设路面各层材料均为均质、 连续和各向同 性的线弹性体 ， 其层间接触也均假设为完全连续， 基于此假 设建立水泥混凝土路面结构模型及荷载作用位置如图 1所 示。划分网格并加载后的有限元模型如图2所示。 普通混凝土板 } 板纵向 ／ ／ ) 一 I L o ． 板中心线 地基 ／ ／ 图1 路面结构模型示意图 ( 单位 ：m ) ( 3 ) 模型验证。对路面结构有限元模型加载运算之 后的结果列于表 2所示。汽车荷载选用规范规定的单轴双 轮标 准轴载 1 0 0 k N， 接触 压力取 为 0 ． 7 MP a 。运用文献 中 总结的最大应力计算公式得到的板纵向边缘 中部的最大应 力值为 1 ． 3 0 7 MP a 。通过对比二者的结果， 不难发现利用有 限元方法求解得到的应力结果与公式计算得到的结果非常 接近， 计算 得 到其 绝 对误 差 为 0 ． 0 5 3 MP a ， 相 对误 差 为 4 ． 0 6 ％。通过以上分析得出结论 ： 利用 A N S Y S有限元分析 软件进行路面结构力学分析是可行的， 而且得到的结果也 是 比较准确的 。 表 2 计算 结果