水泥混凝土路面嵌缝宽深比设计的有限元分析.pdf

2 0 1 0年第 2期 广 东 公 路 交 通 G u a n g D o n g G o n g L u J i a o T o n g 总第 1 1 1 期 文章编号： 1 6 7 1— 7 6 1 9 ( 2 0 1 0 ) 0 2— 0 0 2 2— 0 3 水泥混凝土路面嵌缝宽深比设计的有限元分析 廖小云，何振星 ( 1 ．广东省公路管理局， 广州5 1 0 0 7 5 ) 摘要： 水泥混凝土路面嵌缝材料宽深比的设计直接影响到路面力学性能。对宽深比分别为2： 1 、 1： 1 和 1： 2的 密封橡胶体系建立轴对称有限元模型， 采用 A N S Y S软件对拉伸和压缩两种不同的受力状态进行模拟， 确定了 2： l 宽深比的密封橡胶材料承受的应力最小， 尺寸最优。 关键词： 水泥混凝土路面；嵌缝；宽深比；有限元分析 中图分类号 ： U 4 1 6 ． 2 1 6 文献标识码 ： B 0 引言 近年来 ， 我 国水 泥混凝 土路面发 展很快 ， 但 令人担忧 的是 ， 许多路面使用时间不长就 出现 了 病害， 大多数发生在接缝位 置 】 。混凝 土路 面 胀缝 的宽度 随气 温而变化 ， 当气温上 升时， 缝 中 的填料被挤 出， 气温下降时性能较差的填缝料不 能恢复原状 ， 这样 缝 中就 出现 了空隙 ， 从 而使泥 砂、 石屑等杂物 侵入缝 中， 成 为板块伸胀 时的障 碍 _ 4 J 。挤入的硬物将引起板边胀裂 ， 雨雪水便沿 此空隙渗入， 损坏基层和垫层， 造成路面接缝处 的变形和破损 。因此 ， 水泥混凝土路面接缝处理 的好坏 ， 直接 影响水泥混凝 土路面 的使用 寿命 ， 要保证接缝处于 良好的使用状态 ， 必须采用优 良 的密封 材料、 合 理 的密封 结构 和正 确 的密封 施 工[ - 。 将低模量和高位移 的硅酮胶材料应用于混凝 土路面嵌缝材料 ， 在 接缝变形迫使密封胶受拉变 形时产生低的拉伸应力作用于混凝 土接缝壁 ， 不 致产生粘接破坏⋯。高的位移 ( 变位) 能力有利于 密封胶适应混凝土路面接缝的各种运动 ( 水平伸 缩 ， 垂直于路 面的摆动剪切和路板翘 曲的拉伸压 缩 、 路板在车辆轴载作用下产生 的高频振动) 而自 身不被破坏。通过这样的材料性能设计， 保证接 缝密封无论从粘接界面还是密封胶本体都不发生 破坏。但是嵌缝材料宽深 比的设计直接影响到路 面力学性能， 有国外文献和数据表明宽深 比存在 一 个最优设计 ， 如 图 1所示。因此本 文通过有 限 元分析寻求这一最优优化设计。 2 2 卜 叫 w二 - l-， 王 w S= O S =0 S= O 图 1 橡胶嵌缝材料的宽深比设计 l 有限元模型 对宽深比分别为 2： 1 、 1： 1和 1： 2的密封胶 体系建立轴对称有 限元模 型， 由密封胶和刚性路 面组成， 如图 2所示。密封胶 和路面 的单元属性 均选择二维轴对称实体单元。 ( a ) W／ D= 2： 1 ( b ) W ／ D=1： 1 ( c ) W ／ D=1： 2 图2 不同宽深比密封胶嵌缝路面有限元模型 由于密封胶材料在单 向拉伸和压缩时表现出 的力学性能有很大的不 同， 因此选择拉伸和压缩 具有不同力学行为的本构模型来模拟橡胶材料的 力学 特 性是 非 常 关 键 的。为 此 ， 笔者 利 用 I N ． S T R O N材料实验机对 尺寸为宽 1 9 ra m、 厚 2 1 mm、 标距 8 0 mm的长效耐久密封橡胶材料进行了拉伸 和压缩试验 ， 位移 一 载荷曲线如图 3所示。 从图 3 ( a ) 可以看 出， 橡胶材料在承受压缩载 荷时， 具有明显的弹性 阶段 ， 表现出较低 的弹性模 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 2 0 1 0年第 2 期 广东公路交通 总第 1 1 1 期 从图5中可以看出， 对不同宽深比的密封橡 胶材料压缩时， 高应力区域基本分布在角点处， 并 且随着宽深比的减小， 最大峰值应力在增加， 即较 其他两种尺寸 ， 2： 1宽深 比的密封橡胶材料承受 的拉应力最小 ， 尺寸最优。 3 结论及讨论 通过对不同宽深 比的密封橡胶材料进行拉伸 和压缩状态的有 限元模拟， 均可得到高 应力区域 基本分布在角点处 ， 这主要是这个位置 正好是两 种不同材料的过渡区域应力集中之处。而且也发 现较其他两种尺寸 ， 2：I宽深 比的密封橡胶材料 承受的拉或压应力最小 ， 尺寸最优 。 参考文献： [ 1 ]王德兴 ， 李德仁 ， 曲淑萍． 橡胶嵌缝条在水泥混凝 土路面接缝中的应用[ J ] ． 黑龙江交通科技， 2 0 0 1 ， ( 3 ) ： 2 7 ～ 2 9 ． [ 2 ]胡明霞．水泥混凝土路面填缝材料的研究与应用 [ J ] ．山西建筑．2 0 0 8 ， ( 1 1 ) ： 2 9 3— 2 9 4 ． [ 3 ]寿崇琦， 张志良， 邢希学．水泥混凝土路面填缝材 料的研究[ J ] ．公路， 2 0 0 5 ， ( 2 ) ： I 1 3—1 1 5 ． [ 4 ]孟维平， 于德隆．P V聚氨酯密封胶在高寒地区水 泥混凝土路面的应用[ J ] ．森林工程， 2 0 0 4， 2 0 ( 9 ) ： 6 1 — 6 2 ． [ 5 ]贾俊文， 刘福生， 李玉龙．新型水泥混凝土路面接 缝密封材料[ J ] ．黑龙江交通科技， 2 0 0 4 ， ( 4 ) ： 3 5— 3 6 ． [ 6 ]孙巍． 水泥混凝土路面填缝料的选用原则[ J ] ．黑 龙江交通科技 ， 2 0 0 6 ， 1 5 1 ( 9 ) ： 2 1 ～2 3 ． [ 7 ]谈俊卿， 卢海筠．水泥混凝土路面填缝材料拉伸 变形力学分析[ J ] ． 华东公路． 2 0 0 7 ， 1 6 5 ( 3 ) ： 3 3～ 3 5 ． ( 收稿 日期 ： 2 0 1 0— 0 4—1 0 ) Fi n i t e El e me n t An a l y s i s o f W i dt h Th i c kn e s s Ra t i o De s i g n o f Ce me n t Co nc r e t e Ro a d Su r f a c e S e a m LI AO Xi a o—y un ，HE Zh e n—x i n g ( 1 ．G u a n g d o n g P r o v i n c i a l H i g h w a y A d m i n i s t r a t i o n B u r e a u ， G u a n g z h o u 5 1 0 0 7 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Wi d t h t h i c k n e s s r a t i o d e s i g n o f c e me n t c o n c r e t e p a v e me n t s u rfa c e s e a m ma t e r i a l h a s g r e a t e f f e c t o n t h e me c h a n i c s p r o p e r t i e s o f p a v e me n t ．I n t h i s p a p e r ，a x i s s y mme t r y fi n i t e e l e me n t mo d e l o f s e a m r u b b e r s y s t e m wi t h d i fie r e n t wi d t h。l：1 a nd l：2 s e p a r a t e l y。wa s e s t a b l i s h e d．Te n s i o n a n d c o mp r e s s i o n l o a d s t a t e we r e s i mu l a t e d b y u s i n g A NS YS c o d e ．S e a m r u b b e r o f t h e mi n i mu m s t r e s s a n d t h e mo s t o p t i ma l s i z e i S d e t e r mi n e d a s t h i c k n e s s r a t i o 2 ：1。a s p r o v i d e s di r e c t b a s e f o r s i z e d e s i g n o f c e me n t c o n c r e t e p a v e me nt s u rfa c e s e a m． Ke y wo r d s：Ce me n t Co nc r e t e Pa v e me n t ； S e a m ； d 出 T h i c k ne s s Ra ti o； Fi n i t e El e me n t An a l y s i s ( 上接第 2 l页) 和推广提供了宝贵的工程经验。橡胶沥青路面技 参考文献： 术是轮胎无害化、 资源化处 理 的有效 方法， 符合 [ 1 ] J T G F 4 0 — 2 0 0 4 公路沥青路面施工技术规范[ s ] “ 环境友好、 资源节约’ ’ 型社会的要求 ， 发展前景广 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 4 阔。 ( 收稿日 期： 2 0 1 0 — 04一 ) Ap pl i c a t i o n o f Rub be r As ph a l t o n M a i n t e n a nc e o f Hu i he Ex p r e s s wa y Y ANG Ri一 ( H e y u a n B r a n c h o f G u a n g d o n g p r o v i n c i a l F r e e w a y C O ． L t d； He y u a n Gu a n g d o n g 5 1 7 0 0 0，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Ru b b e r a s p h a l t i s b e c o mi n g a n i mp o r ta n t a n d e ff e c t i v e ma t e ri a l i n p a v e me n t ma i n t e n a n c e b e c a u s e o f i t s b e t t e r h iig h t e mp e r a t u r e ，f a t i g u e—r e s i s t a n t a n d a n t i —c r a c k i n g p e rf o rm a n c e ，b u t rub b e r a s p h a l t i s l i t t l e u s e d i n p r o j e c t o f G u a n g d o n g ．B a s e d o n t h e m a i n t e n a n c e p r o j e c t o f H u i h e e x p r e s s w a y i n G u a n g d o n g ， t h e a p p l i c a t i o n o f rub b e r a s p h a l t i s d i s c u s s e d i n thi s p a p e r i n a s p e c t s o f o ri g i n a l ma t e ri a l ，mi x p r o p o r t i o n d e s i gn ，c o n s t ruc t i o n t e c h n o l o g y ，a n d c o n s t ruc t i o n q u a l i t y d e t e c t i o n a n d S O o n ．S tr e s s a b s o r b i n g l a y e r wi t h rub b e r a s p h a l t o f AR—S A． MI a n d rub b e r a s p h a l t c o v e r i n g o f A R —AC 1 3 C i s a n a l y z e d a n d c o n c l u d e d a t l a s t ．Th e r e s u l t s a n d e x p e f e n c e s c a ll b e u s e d f o r s i m i l a r p r o j e c t s i n G u a n g d o n g ． Ke y wo r d s ：r u b b e r a s p h a l t ；a s p h a l t c o n c r e t i n g；s t r e s s a b s o r b i n g l a y e r 2 4 - 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