斜向预应力混凝土路面数值模拟.pdf
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1、第 3 9卷 , 第 2期 2 0 1 4年 4 月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 9,No 2 Ap r, 2 0 1 4 O 斜 向预应力混凝土路面数值模拟 李娜 ,张东省 ( 1 西安公路研究 院 , 陕西 西安7 1 0 0 6 5 ; 2 ,徐希娟 , 韩微微 陕西省交通建设集 团公 司,陕西 西安7 1 0 0 7 5 ) 【 摘要 为研究斜 向施加预应 力路面的受力特性 , 通 过理论推导 由斜 向预应 力产生 的路面板 内压应 力计 算 公式 , 预应力筋的直径 、 布设角度和间距是 影响板 内应 力的 主要 因
2、素。建立 力学模 型 , 模拟 分析 预应 力筋作 用位 置 、 布设间距和角度 以及直径大小对路 面板应 力的影响 , 结果表 明, 斜 向预应力混凝土路面 的锚 固区和板角部 分区 域 出现 拉应 力 , 但混凝土不会 出现开 裂; 预应力筋布置 在 1 2板厚偏 下是合 理 的, 此时板 底压应 力大于板 顶部 , 路 面板产 生负弯矩 ; 预应力布设角度建议范 围为 2 5 。 一 4 5 。 ; 考虑到经济性 和预应 力筋 张拉空 间 , 建议预应 力筋 布设 间 距 最小 为 0 5 m, 预应力筋 的布设 间距也不 能过大 , 过大易造成路面板 应力分 布不均匀 ; 可通过 调整
3、预应 力筋 的直 径 , 以得到合理的布设角度 和间距 。 【 关键词 】道路工程 ;水泥混凝土路面 ; 斜 向预应力 ;力学模型 ;数值模拟 中图分类号 】U 4 1 6 2 1 6 1 文献标识码 】A 【 文章编号 】1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 2 7 0 4 S t r e s s Nu m e r i c a l S i mu l a t i o n o f Cr o s s t e n s i o ne d Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e Pa v e me n t L I Na ,Z HANG D
4、 o n g s h e n g , XU Xi j u a n , HA N W e i w e i ( 1 X i a n Hi g h w a y R e s e a r c h I n s t i t u t e ,X i a n S h a a n x i , 7 1 0 0 6 5 ,C h i n a ; 2 S h a a n x i P r o v i n c i a l C o m- mu n i c a t i o n C o n s t r u c t i o n G r o u p , X i a n S h a a n x i , 7 1 0 0 7 5 , C h
5、 i n a ) A b s t r a c t I n o r d e r t o s t u d y me c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e c r o s s t e n s i o n e d p r e s t r e s s e d c o n c r e t e pa v e me n t ,c a l c u l a t i o n f o r mu l a s f o r t h e a v e r a g e c o mp r e s s i v e s t r e s s c a u s e d
6、 b y p r e s t r e s s i n g wa s d e d u c e d, di a me t e r ,t he a n g l e a n d d i s t a n c e o f t e nd o n a r e t h e ma i n f a c t o r s t h e fin i t e mo d e l o f c r o s s t e n s i o n e d p r e s t r e s s e d c o nc r e t e pa v e me n t wa s bu i h,t h e e ffe c t o f t e n d o n
7、 l o c a t i o n,t h e a n g l e o f t e n d o n a p p l i e d a n d d i s t a n c e b e t we e n t e n d o n a nd d i a me t e r o n s t r e s s di s t r i b u t i o n we r e a l s o a n a l y z e dTh e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t , be c a us e o f c r o s s - t e n s i o n i n g,t h e t
8、e n s i l e s t r e s s wi l l a p p e a r a t a nc h o r a g e z o n e a n d c o r n e r o f t h e s l a b,b u t c o n c r e t e c r a c k i n g wi l l n o t o c c u r r ;i t i s r e a s o n a b l e t o p l a c e t he t e n d o n b e l l o w t he mi d d e p t h o f t he s l a b,a t t hi s de p t h,
9、t he c o mp r e s s i v e s t r e s s o f t he bo t t o m s l a b i s l a r g e r t h a n t h e t o p o f t ha t ,l o we r i n g t e n d o n b e l l o w t h e mi d d e p t h o f t h e s l a b c a u s e s t h e s l a b t o h a v e a n i n d u c e d n e g a t i v e mo me n t ;t h e r e c o mme n d e d
10、 a n g l e, a t wh i c h t h e t e n d o n a pp l i e d,s h o u l d b e 2 5。一4 5。;t h e mi n i mu m d i s t a n c e b e t we e n t h e t e n d o n s h o u l d b e 0 5 m c o n s i d e r i n g e c o n o my a n d t h e t e n s i o n i n g s pa c e r o pe,t h e d i s t a n c e b e t we e n t h e t e n d
11、 o n s h o u l d n o t b e t o o l a r g e,o t h e r wi s e t h e u n e v e n s t r e s s d i s t r i b u t i o n o f t he s l a b c o u l d b e c a u s e d;i n t h e e v e n t t h a t t h e c a 1 c u l a t e d d i s t a n c e b e t we e n t e n d o n i s t o o c l o s e o r t h e c a l c u l a t e
12、d a n g l e i s t o o l a r g e, d i a me t e r o f t e n d o n s h o u l d b e a d j u s t e d t o i n c r e a s e c o mp r e s s i v e s t r e s s o f t h e s l a b a n d t h e r e a s o n a b l e d i s t a n c e a n d a n g l e wi l l b e o b t a i n e d Ke y wo r d s c e me n t c o n c r e t e p
13、 a v e m e n t ;c r o s s t e n s i o n e d p r e s t r e s s ;t h e f i n i t e m o d e l ;n u m e r i c a l S i mu 】 a t i 0 n 引言 在高速公路和二级以上公路中, 9 0 以上为沥 青路面 , 水泥路面不足 1 0 。就 已有 的沥青路面而 收稿 日期】2 0 1 3 1 1 2 6 【 基金项 目】国家西部交通建设科技项 目( 2 0 1 1 3 1 8 7 9 3 6 5 0) 【 作者简介 】李娜 ( 1 9 8 1 一) , 女 陕西商洛人 , 工学博士,
14、工程 师, 主要从事公路路面研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 8 公路工程 3 9卷 言 , 由于重载交通 比重 的增加 , 路面的车辙、 坑槽 以 及冬季低温开裂已成为沥青路面的重要病害。我国 优质沥青价格昂贵, 且资源不足, 而水泥产量居世界 首位 , 无疑发展水泥混凝土路面既具有资源和价格 优势, 又可拉动地方经济的发展。相对沥青路 面而 言 , 水泥混凝土路 面具有强度高、 经久耐用 、 养护 费 用低廉等优 点 , 但是 , 毋庸 置疑普 通的水泥混凝 土路面也存在诸多缺点。普通水泥混凝土路面接缝 处易发生病 害 , 影 响行 车舒适性 ,
15、 增 加了后期养 护费用 , 斜向预应力混凝土路面可解决传统混凝土 路面的接缝问题 , 行车舒适性好、 承载能力高、 维修 费用低 , 适用于二级公路以上面层、 复合式路面以及 收费广场。 目前 , 国内外仅对 传统预应力 ( 预应力采用纵 向施加方式 ) 混凝土路面进行了研究 “ , 斜向预应 力施加后混凝土路面的受力特性研究未见相关文献 研究报道。本文通过有限元数值模拟分析预应力筋 作用位置、 布设间距 和角度 以及直径大小对路面板 应力的影响, 提 出了合理的预应力筋作用位置、 布设 间距和角度 , 可为斜 向预应力混凝 土路面的布筋提 供技术参考 。 1 斜 向施 加预 应 力产 生
16、的路面 板 内压 应 力 计算公式 斜向预应力筋布置见图 1 。 图 1 斜 向预 应力筋布置示意图 F i g ur e 1 L a y o u t s c he ma t i c d i a g r a m o f t h e t e n d on 斜向预应力 引起 的板 内纵 向平 均压应 力 or 为 : : 竺 ( 1 ) P Y 一 斜向预应力引起的板 内横 向平均压应力 or p x 为: : 粤 ( 2 ) p x 广 一 式中: 为路面长度 ; 为路面宽度 ; h为路面厚度; A 。为预应力筋公称截面面积; 为预应力筋布设角 度; f 为预应力筋布设 间距 ; 为预应力筋的容
17、许 张拉应力; z 为各项预应力损失之和。 由式( 1 ) 和式 ( 2 ) 可知 :斜向预应 力产生 的路 面纵横向应力与路面板长和板宽无关。在进行斜向 预应力混凝土路面布筋设计时, 根据所需施 加的预 应力值 , 确定预应力筋型号、 布设角度和间距 , 本文 分析了这 3个参数对路面板应力的影响。 2有限元数值模 型 2 1 计算模型尺寸 本研究拟在室内进行 比例模 型试验 , 对数值分 析结果进行验证。计算模型取 2 I n x 8 m, 见图2 , 板 厚 2 0 c m, 无粘结预应力钢绞线直径为 1 2 7 m m, 布 设 间距为 0 8 I n , 角度 为 3 0 。 。 图
18、 2斜向预 应力混凝土路面计算模型示意图 Fi g u r e 2 T he c a l c u l a t i o n mo d e l s c he ma t i c d i a g r a m o f t h e c r o s s t e ns i o n e d pr es t r e s s e d c o n c r e t e p a v e me n t 不考 虑预 应力 损 失 时 , 根据 上 述公 式计 算 可 得 理 论纵 向 预 应 力 为 2 5 8 MP a , 预 应 力 损 失 一 般 按 2 0 计, 根据上述公式计算 可得路面板 内纵 向预 应 力为 2
19、 0 6 MP a 。 2 2 计算参数 直径 1 2 7 m i l l预 应力 钢 绞 线 公 称 截 面积 为 9 8 7 mm , 极 限抗拉强度为 1 8 6 0 MP a , 弹性模量为 1 9 51 0 MP a , 泊松 比为 0 3 , 线膨 胀 系数 为 1 2 x 1 0 ; 混凝 土设计弯拉强度 为 5 0 MP a , 各结构 层计算参数如表 1 所示 。 表 1计算参数 Ta bl e 1 Ca l c ul a t i o n p a r a me t e r s 2 3有 限元数值 模 型的 建立 以斜 向预应力混凝 土路 面板为研究对象 , 视其 为材质均匀的
20、弹性体 , 采用整体式模型, 降温法施加 预应 力 。 模型的边界条件为 : 地基的底面为固定面, 4 周垂直面为水平方 向约束 ; 基层及垫层四周垂直 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 李娜 , 等 : 斜向预应力混凝土路面数值模 拟 2 9 面为水平方 向约束 , 各层 之间接触 为完全连续 ; 路面板为完全 自由边界 ; 考虑重力作用。 当地基深度取 6 m, 平 面尺寸 比路 面板尺寸扩 大 2 m时, 结果即可收敛 。有限元网格划分模型 如 图 3所 示 。 图 3实体 模型网格 划分 Fi g u r e 3 Th e mo de l o f
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