脱空状态下水泥混凝土路面最大弯拉应力及疲劳寿命的响应分析.pdf

第 3 6卷 ， 第 6 期 2 0 1 1年 1 2月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 6，No 6 De c ， 2 0 1 1 脱 空状态 下水泥混凝土路面最大弯拉应 力及 疲劳寿命的响应分析 阳宏毅 ( 长沙理工大学 ， 湖南 长沙4 1 0 0 7 6 ) 摘 要 通过采用有 限元分析软件 A N S Y S建模 ， 计算水 泥混凝土路 面在 脱空状态 下 的最 大弯拉应 力 ， 并 考 虑板块 厚度 、 脱空深度 、 脱 空范围等因素对水 泥混凝 土路 面的最 大弯拉应力 的力学 响应 ， 结合计 算结果分析 脱空状 态对水泥混凝土路面疲劳寿命影响。 关键词 】水 泥混凝 土路 面 ； 脱空 ； 有 限元方 法 ； A N S Y S软件 中图分类号 U 4 1 6 2 1 6 文献标 识码 A 文章编号 】1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 0 9 0 0 3 M a x i m u m S t r e t c h S t r e s s a n d Fa t i g u e Li f e Re s p o n s e An a l y s i s o f Co n c r e t e Pa v e me n t wi t h Vo i d u n d e r S l a b YANG Ho ng yi ( C h a n g s h a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e&T e c h n o l o g y ，C h a n g s h a ，H u n a n 4 1 0 0 7 6 ， C h i n a ) A b s t r a c t A n A N S Y S m o d e l i s a d o p t e d t o c a l c u l a t e t h e ma x i m u m s t r e t c h s t r e s s o f c o n c r e t e p a v e me n t wi t h v o i d u n d e r s l a b c o n s i d e r i n g t h e e f f e c t o f s l a b t h i c k n e s s，v o i d d e p t h a n d a r e a u n d e r s l a b， t h e r e s u h i s u s e d t o a n a l y s e t h e f a t i g u e l i f e o f c o nc r e t e p a v e me n t wi t h v o i d u n d e r s l a b Ke y w o r d s c o n c r e t e p a v e m e n t ； v o i d u n d e r s l a b ；F E M； A N S Y S s o ft w a r e 国内水泥混凝土路面的设计使用年限是 3 0 a ， 目前绝大多数路面都无法达 到预期寿命 ， 引起混凝 土路面过早损坏一是 因为超 载作用 ， 但更为重要的 原因是基层和土基的塑性变形 以及水分的冲刷作用 下形成板块下基层和土基的脱空， 使板块 出现了应 力集中， 加之超载的作用 ， 使 最大弯拉应力 急剧上 升 ， 疲劳使用寿命相应快速下 降。本文采用有 限元 软件 A N S Y S对脱空状况下的混凝 土路面最大弯拉 应 力进 行分 析 。 1 路面结构分析模 型、 基本参数 及脱空范 围 的 确 定 1 1 水 泥混凝 土路 面结构 分析模 型 水泥混凝土路面力学分析一般采用弹性地基板 理论 ， 把水泥混凝土面层看作 是支撑于弹性地基上 的小挠度板 ， 将板看成具有弹性常数 E( 弹性模量) 和 ( 泊松比) 的等厚 弹性体， 并进行一定 的边界条 件假设。本文水泥混凝土板结构分析采用弹性半空 间地基模型， 地基顶面任一点 的挠度 不仅 与作用于 该点的压力 ， 也同作用于其他点的压力有关。 1 2 路 面结构 的基本 参数 参考湖南省高速公路较普遍的水泥路面结构形 式， 水泥混凝土路面板的尺寸按 4 X 5 m计算 ， 基本 荷载采用标准单轴双轮组 ， 标准 轴载 为 1 0 0 k N， 轮 压为0 7 MP a ， 轮压采用矩形 ， 长宽均为 1 8 9 c m， 两 轮间距为 3 2 c m， 轴宽为 1 8 2 c m。各结构层基本厚 度 、 模 量及 泊松 比基 本取 值 如表 1 所示 。 表 1 水泥路面结构层基本 力学计算 参数 Ta b l e 1 Th e c o n c r e t e pa v e me nt s t r u c t ur e p a r ame t e r s 1 3脱 空范 围的分析 确定 板底脱空的范围和程度通过路用雷达结合钻芯 法确定。现场脱空检测采用 L T D一2 0 0 0探地雷达 ( 见图 1 ) 。电磁波 由空气进入路面结构， 介 电常数 会发生明显的变化会 出现强反射 ； 同样 ， 当电磁波由 收稿 日期 2 0 1 l 一 0 4 一 O 2 【 作者简介 阳宏毅 ( 1 9 7 6 一) ， 男 ， 湖南娄 底人 ， 博士研究生 ， 主要从事公路检测与养护。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 6 公路工程 3 6卷 ( 上接 第 9 2页 ) 板在非脱空条件下面板最 大弯拉应力为 2 4 5 M P a ， 对应的疲劳寿命 为 N ； 在本 文基 准脱空条件 下板的最大弯拉应力为 2 7 8 MP a ， 对应的疲劳寿命 为 2 ， 按照式( 1 ) 计算三者 的疲劳寿命 比为： Nl：N2 7 ：1 假定在正常状态下路面使用寿命为 3 0 a ， 在脱 空状态下路面使用寿命则为 4 3 a ， 由于脱空程度是 一 个逐渐 发展 的过程 ， 板块 实 际平均 寿命要 大于 4 3 a。 4 结语 对于板底脱空这种非线性的路面受力状态， 解析法难以对其求解 ， 目前较多的采用有限元方法 进行分析 ， 利用大 型有 限元分析软件 A N S Y S ， 能够 考 虑板底 脱空状 态 下 的混凝 土板 的受力状 态 。 本文利用 A N S Y S有限元软件分析在脱空状 态下水泥混凝土路面结构层厚度、 脱空深度、 脱空区 域大小等 因素对水泥混凝土路面最大弯拉应力的力 学响应。结合计算结果 分析混凝土路面 的疲 劳寿 命 。 路面脱空是一个逐渐发展的过程 ， 其受力状 态也是不断变化的。只有建立板底脱空区域的发展 模型才能更好的预估混凝土板的疲劳寿命 。 参考文献 1 姚 祖康 路面 M 北 京： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 6 2 姚祖 康 水泥 混凝 土路 面设 计 M 安 徽科 学技 术 出版 社 ， l 9 9 9 3 龚曙光 A N S Y S工程 应用实例解析 M 北京 ： 机械工 业出版 社 ， 2 0 0 3 4 J T G D 4 0 2 0 0 2 ， 公路水泥混凝土路 面设计规范 S 5 龚啸， 龙助一 水泥混凝 土面板脱 空的有限元模型分 析研究 J 公路工程 ， 2 0 1 0， 3 5 ( 5 ) ， 1 2 81 3 1 6 赵军， 唐伯明 基于弯沉 指数 的水 泥混凝上路 面板 角脱空识 别 J 同济大学学报， 2 0 0 6， 3 4 ( 3 ) ： 3 3 53 3 9 7 陈文， 廖卫东 ， 朱继东 ， 等 旧混凝 土路面板底脱 空的有限元 分析 J 武汉理工大学学报 ， 2 0 0 3， 2 5 ( 1 2 ) ： 2 32 5 8 李铁洪 水泥路 面使用寿命 的影响 因素 及有限元分 析 J 公 路工程， 2 0 0 9， 3 4 ( 5 ) ： 9 1 9 4 9 黄立 葵 ， 何慧 斌， 张迎春 ， 等 水泥 混凝 上路面 的水 冲刷破 坏 J 中南公路工程 ， 2 0 0 3 ， 6 (3 ) ：1 82 2 1 0 石春香 ， 杨群 ， 郭 忠印， 等 公 路隧道 水泥路 面板底 脱空有 限元分析 J 公路交通科技 ， 2 0 0 8 ，2 5( 1 1 ) ： 6 9 ( 上接第 9 6页) 科技 ， 2 0 0 0， ( 4) ： 4 54 7 3 宫平 ， 胥金彪 深圳 某立交 N 4匝道桥 梁体转动分析 和加 固 介 绍 J 特种结构 ， 2 0 0 1 ， 1 8， ( 4 ) ： 6 7 6 8 4 李建慧 ， 宋旭 明 独柱支承预应力连续弯箱梁扭矩调整 J 黑 龙江工程学 院学报 ， 2 0 0 3 ， 1 7 ， ( 1 ) ： 2 1 2 4 5 丁汉山， 刘华 ， 胡丰玲 ， 等 高架桥弯梁抗扭稳定性分析 J 交通运输 工程学 报， 2 0 0 4， 4， ( 3 ) ： 4 4 4 8 6 韩皓 ， 李彬， 曹劲松 支座预偏 心对 曲线 箱梁桥 受力影 响 研究 J 华 东公路 ， 1 9 9 9， 1 1 9 ， ( 4) ： 2 02 4 7 刘德 华 ， 金伟 良， 刘 斌 ， 等 独柱墩 曲线梁 桥中 的支座分 析 J 南京理 工大学学报 ， 2 0 0 6， 3 0， ( 1 ) ： 1 1 31 1 6 8 杨党旗 ， 崔飞 独墩单铰支座曲线梁桥通 病分析及治理 J 城市道桥与防洪 ， 2 0 0 3 ， 2 0， ( 3 ) ： 3 5 3 8 9 N I E L S O N B G ，D E S R O C HE S R S e i s m i c P e r f o f ina n c e A s s e s s me n t o f Si mp l y S u p p o r t e d a n d Co n t i n u o u s Mu his p a n Co n c r e t e G i r d e r H i g h w a y B ri d g e s J J o u r n a l o f B r i d g e E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 7， 1 2， ( 5 ) ： 6 1 1 6 2 0 1 O B U R D E T Y E E G，H O WA R D S C， I N G R A M E E ， e l a 1 B e h a v io r o f P r e s t r e s s e d C o n c r e t e Pi l e s S u p p o r t i n g I n t e g r a l Ab u t me n t s J A S C E C o n f e r e n c e P r o c e e d i n g ， 2 0 0 4 ， 1 3 7， ( 2 3 ) ： 1 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m