水泥混凝土路面温度应力影响因素的有限元分析.pdf

第 3 8卷 ， 第 1 期 2 0 1 3年 2月 公 路 工 程 Hi g h wa y Eng i n e e r i n g Vo 1 3 8，No 1 Fe b， 2 0 1 3 水 泥混凝 土路面温度应 力影 响因素的有 限元分析 朱生盛， 杨大志，秦永昊 ( 空军第一 空防工程处 ，北京 1 0 0 0 7 6 ) 摘要 利用 a n s y s 1 2 0有限元软件建立考 虑层 间接触 条件 的水泥混凝土道面结构三维实体模型 ， 主要分析 了道面面板尺寸 、 厚 度 、 弹性模量 、 温度梯度 和线膨胀系数等 因素对面板 中温度应 力的影 响规律 ， 研究结 果可为水 泥混凝土道面的设计和使用提供参考 。 关键词 a n s y s ； 水 泥混凝土道面 ； 温度应力 ；有限元 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 3 ) 0 1 0 1 2 2 0 2 Fi n i t e El e me n t An a l y s i s o f I n flu e n c e Fa c t o r o f Te mp e r a t u r e S t r e s s o f Ce me n t Co n c r e t e Ro a d Z HU S h e n g s h e n g ，Y ANG Da z h i ， QI N Yo n g h a o ( F i r s t a i r d e f e n c e e n g i n e e r i n g d e p a r t me n t o f A i r F o r c e ， B e i j i n g 1 0 0 0 7 6 ， C h i n a ) A b s t r a c t T h r e e d i me n s i o n a l e n t i t y mo d e l i s c o n s t i t u t e d t a k i n g i n t o a c c o u n t i n t e r b e d d e d c o n t a c t s t a t e b y a n s y s 1 2 0 s o f t wa r e，I t i s ma i n t o a na l y s e t h e I n flu e nc e l a w o f di me n s i o n，t h i c k n e s s，mo d ul us o f e l a s t i c i t y，t e mp e r a t u r e g r a d s a n d l i n e a r e x p a ns i o n c o e f fic i e n t e t c r e s e a r c h r e s u l t c o u l d p r o v i d e t he r e f e r - e n c e f o r d e s i g n a nd us i n g o f c e me n t c o n c r e t e t o s o me e x t e n t Ke y wo r d s a n s y s ；c e m e n t c o n c r e t e r o a d ；t e m p e r a t u r e s t r e s s ； fi n i t e e l e m e n t 0 引言 随着我国国民经济的快速发展 ， 道路建设正处 在一个新的发展时期。 目前 ， 在我国高等级公路、 城 乡道路建设中， 水泥混凝土道面 占有很大 比重 。于 此同时与道路相关 的研究也已广泛展开。当前 ， 研 究的重点主要集 中在荷载和温度作用对道面性能的 影响 、 旧道 面加厚 设计 、 沥 青混凝 土加铺 层 反射裂 缝 控制、 道面病害机理 与防治等方面 “ 。本文主要 利用有限元软件 a n s y s 建立道面结构三维实体有限 元模型， 分析混凝土面层在温度荷载作用下板 中应 力 的变 化情 况 ， 以便 为 水 泥 混凝 土路 面 的设 计 和 后 期使用维护提供参考。 1 有限元模 型 有 限 元模 型 主 要 由水 泥 混凝 土 面层 、 水 泥 稳定 碎 石基 层 、 碎 石 垫层 和 土基 四 部 分组 成 。假 定 各 部 分 均是 由各 向同 性 的线 弹性 材 料 ， 其 特性 可 以用 弹 性 模量 、 泊松 比、 厚度 等表 征 。混凝 土 板 尺寸 采用 5 4 m的板， 同时为反映半空间体的特征 ， 基层和土 基采用扩大尺寸：8 6 m( 见 图 1 ) ， 各部分材料参 数见 表 1 所 示 。 图 1 F i g u r e 1 S ke t c h ma p o f s t r u c t u r e o f c e me nt c o n c r e t e r o d e 表 1材料参数 Ta b l e 1 Pa r a met e r o f ma t e r i a l o f p a r t s 模型 中面层 、 基层 、 垫层 和 土基 各 部分 均 采用 8 节点 s o l i d e 4 5单 元 ， 层 间 采 用 3 D 面 面 接 触 单 元 收稿 日期2 0 l 2 0 4 1 7 作者简介朱生盛( 1 9 8 4一) ， 男 ， 甘肃武威人 ， 助理_ ： 程师， 主要从事机场场道工程建 设与管理工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 朱生盛， 等： 水泥混凝土路面温度应力影响因素的有限元分析 1 2 3 c o n t a l 1 7 4和 T a r g e 1 7 0单元建立连接 。同时， 做如 下假设 ：由于在水泥混凝 土路面 中， 基层 与土基 的温度梯度很小 ， 在此忽略不计。假设路 面各结 构层为各 向同性线 弹性体 ， 弹性模量 和泊松 比 随温度变化而变化 ， 但一般这种变化都很 小， 因此建 模中不考虑其 变化 。边界条件的施加 ： 模型 中 方向为路面的前进方向， Y方 向为路面的宽度方 向， 在土基底面施加三个方 向的固定约束 ， 对于基础 的 四个侧面 ， 垂直 轴 的两个侧面上施加 方 向的固 定约束 ， 垂直 Y轴两个侧面上施加 Y方向的固定约 束。建成的三维有限元模型如图 2所示。 图 2水泥混凝土道面三维 有限元模型 Fi gu r e 2 Thr e e- di me ns i o na l Fi n i t e El e me n t mo dl e c e me n t c o n c r e t e r o de 2温度应力影响 因素分析 影 响道面板温度应力 的因素有混凝 土板 的尺 寸 、 厚度、 弹性模量 、 自重 、 温度梯度、 线膨胀系数以 及 基层 的弹性模 量 等。本 文将 主要 研 究混凝 土道 面 板 自身 因素对温度应力的影响规律 。 2 1板厚 的影 响 计算过程 中温 度梯度 =0 8 o C c m， 并选取 面板厚度分别为 2 0 ， 2 4， 2 8 ， 3 2 c m 四个水平 ， 基层弹 性模量分别为 8 0 0 、 9 0 0 、 1 0 0 0 MP a进行对 比分析。 图 3给出不同板厚条件下面板温度应力变化曲线 由 图3 可 知 ： 板 中温 度 应 力 受 板 厚 影 响 较 大 。 混 凝土道 面板厚度 P ill 图 3板 厚 对 温 度 应 力 的 影 响 Fi g u r e 3 I n flu e n c e o f t hi c k n e s s o f b o a r d o n t e mp e r at u r e s t r e s s 随着板厚 的增加板中温度应力逐渐增加 ， 并且开始 增长较快 ， 当板厚在 2 8 3 2 G m时曲线趋 于平缓 ， 增 幅越来越小。同时， 随基层弹性模量的增加 ， 面板中 温度应力也呈增加趋势， 但基层 弹性模量越大增幅 相对越小。因此 ， 从温度荷载角度看 ， 适当降低基层 模量有利于提高道面使用性能。 2 2板 长 的影响 在其他参数不变的条件下， 选取道面板厚度分 别为 2 5 ， 2 8 ， 3 0 c m， 长度分别 为 4 ， 5， 6 m来研 究面 板长度对板 中温度应力的变化规律 。图 4给出面板 长度对温度应力的影响曲线。 、 R 倒 赠 棍 凝 土 逼 面 板 长 厦 m 图 4板 长 对 温 度 应 力 的 影 响 Fi g u r e 4 I n flu e nc e o f l o n g n e s s o f b o a r d o n t e mpe r a t ur e s t r e s s 由图 4可知 ： 板 中温度应力随着板长而几乎呈 线性增加趋势。同时随着板厚 的增加 ， 板 中温度应 力也是呈增加趋势 ， 并且板越厚温度应力越大， 但增 幅随板厚度的增加逐渐减小 ， 这一点与 图 3的结果 是一 致 的 。 2 3板 弹性 模 量 的影响 选取面板 弹性模量分别为 2 8 ， 3 0 ， 3 2 G P a三个 水平 ， 板 厚 分别 为 2 O ， 2 4 ， 2 8 e l n条 件 下 进 行 对 比分 析 ， 图 5给 出 了面 板 弹性 模 量 对 板 中温 度 应 力 的影 响曲线。 皇 、 R 翻 赠 2器 2 )U jl 32 混凝土道面板弹性模量 G P a 图 5面板 弹性模量 对温度应力的影响 F i gu r e 5 I n f l u e nc e o f e l a s t i ci t y mo d u l u s o f b o a r d o n t e mp e r a t ur e st r es s ( 下转 第 1 6 6页 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 6 公路工程 3 8卷 预应力 ， 在灌浆前最小应为 1 9 8+4 9 5=2 4 7 5一 的推广意义。 2 5 t ， 如果达不到 2 5 t ， 视为不合格。 6 结论 在水龙相互通主桥、 水龙特大桥进行 竖向预应 力筋测试表明 ， 竖 向预应力施工质量是可以控制的， 特别是施工单位的技 术人员和操作工人 ， 当知道竖 向预应力筋张拉力通过某种方法可 以测试 ， 对提高 施工质量的积极性大为提高， 确保了竖 向预应力筋 的施工质量。工程应用表明本文所采用的竖 向预应 力测试方法所有仪器可以重复使用 、 速度快 ， 并且对 施工基本上没有干扰 ， 受 到业主和施工单位欢迎 。 测试表明进行竖向预应力筋张拉力测试从根本上解 决了竖向预应力施工质量不稳定 的问题 ， 具有重要 参考文献 1 钟新谷， 沈 明燕 ， 尹旭文 ， 等 预应 力混凝土箱梁桥竖 向预应力 孔道漏灌浆对腹板截 面开裂影响 的研究 J 土木 工程学 报 ， 2 0 0 8 ， 4 1 ( 1 0 ) ： 6 06 5 2 钟新谷， 杨滔 ， 沈 明燕 ， 等 混凝土箱梁桥腹板竖 向预 应力筋 张拉力 检测方法 J 中国公路学报 ， 2 0 1 0 ， 2 3 ( 4 ) ： 6 4 6 9 3 颜永 先大跨 度 P c箱梁 腹 板竖 向预应 力 筋质 量控 制 研 究 D 湘潭 ： 湖南科技大学 ， 2 0 1 1 4 谭国湖测定后张预应 力摩 阻损失 的新方法 J 公路 工程 ， 2 0 1 1 ， 3 6( 5 ) ： 1 1 81 2 1 5 沈明燕， 钟新谷 ， 舒小娟 P c箱梁桥腹板 竖向预应力长期 损失 测试与研究 J 中外公路 ， 2 0 0 7 ， 2 7( 6 ) ： 7 1 7 3 ( 上接 第 1 2 3页) 由图 5可知 ： 面板弹性模量对板中温度应力有 较大影响。随着道面板弹性模量的增加 ， 板 中温度 应力增加较快 ， 几乎呈线性增加趋势。同时， 随板厚 的增加 ， 板 中温度应力也逐渐增加 ， 但增 幅逐 渐减 低 ， 这也更进一步说明了板厚对板中温度应力的影 响规律。 2 4温度梯度和线膨胀系数 的影响 除上述因素外 ， 温度梯度和线膨胀系数也对面 板中温度应力有一定影响 ， 为研究其影响规律 ， 在板 厚分别为 2 0 ， 2 4 ， 2 8 c m的条件下 ， 取温度梯度 = 0 8 ， 0 9 ， 1 0 o c c m， 线膨胀 系数 =0 91 0一， 1 01 0 ， 1 11 0 分别 进 行 分 析 。图 6给 出相 应 结果 。 温度 梯度 ( c m 一 1 ) 线 膨胀 系数 ( 1 0 5 ) ( a ) 温 度梯度 的影响 ( b )线膨胀 系数的 影响 图 6温度梯度 、 线膨 胀系数对温度应 力的影响 Fi g u r e 6 I nf l u e n c e o f t e mp e r a t u r e g r a d s o f b o a r d o n t e mp e r a t ur c st r es s 由图 6 ( a ) 可知 ： 整体上随温度梯度的增加 ， 不 同板 厚条 件下 板 中温度应 力均 呈较快 增加 。但 板厚 2 0 c m时 ， 温 度 梯 度 几 乎 呈 线 性 增 长 ， 板 厚 2 4 2 8 c m时 ， 随温度梯度 的增加 ， 曲线逐渐趋于平缓 ， 增幅有所降低。从图 6 ( b ) 看 ， 面板线膨胀系数对温 度应力的影响也较 明显。随材料线膨胀系数 的增 加， 板 中温度应力都有较快增长 ， 但板厚越厚幅度越 小 。 3 结论 水泥混凝土道面板尺寸对板中温度应力影 响较大。板越厚温度温度应力越大， 但随板厚的增 加增幅越来越趋于平缓 ； 同时， 板长越长板中温度应 力越大， 并且随板长的增加而几乎呈线性增加趋势 。 适当降低道面板面层 和基层弹性模量有利 于降低板中温度应力 ， 提高道面使用性能。 温度梯度越大 ， 板 中温度应 力越大 ， 但 随板 厚的增加温度应力随板厚增加的幅度相对降低。 混凝土线膨 胀系数越 大， 板 中温度应力 越 大 ， 并且随板厚的增加增幅越大。 参考文献 1 王红伟车载和温度应力下水泥混凝 土路面板结 构性 病害 三 维有限元分析 D ， 吉林 ： 吉林大学 2 0 0 8 2 郝航程 ， 周 正峰，樊建 良， 等机场 沥青混凝土加铺层防 反射 裂缝结构分析 J 机场工程 ， 2 0 1 0 ， ( 3 ) ： 2 2 2 5 3 刘红坡层 间接触 对半 刚性沥青 路面力学 响应 的影响 D ， 成都 ： 西南交通大学 2 0 0 6 4 杨斌 旧水泥混凝 土道 面沥青加铺 层结 构研究 D ， 西安 ： 长安大学 2 0 0 5 5 李艳 ， 张林春 ， 张 文君 ， 等A N S Y S在道路路 面结构 计算 中 的应用 J 城市道桥与防洪 2 0 0 5 。 ( 3 ) ： 1 0 11 0 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m