薄层水泥混凝土罩面有限元数值模拟分析.pdf

公路 交通技术2 0 1 2年 8月 第4期T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t A u g 2 0 1 2 N o 4 薄层水泥混凝土罩面有限元数值模拟分析 余 贤宇 ( 广东梅河高速公路有限公司， 广东 兴宁5 1 4 5 7 1 ) 摘要： 在原有混凝土路面加铺薄层水泥混凝土层是对传统路面技术的一个挑战， 涉及材料、 工艺以及力学分析等 内容。基于理论分析 ， 采用有限元软件对薄层水泥混凝土路面的加铺效果及不同粘结模式下的力学性能进行分析， 通过对结果的分析朱验证 和改进设计。 关键词： 超薄混凝土， 有限元分析， 薄层罩面， 力学性能 文章编号 ： 1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 0 1 0 0 3 中图分类号 ： U 4 1 6 2 1 6 文献标识码 ： A F i n it e Ele me n t Nu me r i c a l Simu l a t io n An a ly s i s f o r Th i n la y e r Ce me n t& Co n c r e t e To p F a c i n g YU Xi a n y u Abs t r a c t：Ov e r l a y o f a t hi n l a y e r o f c e me n t & c o n c r e t e c o u r s e o n o r i g i n a l c o nc r e t e r o a d S U r i b c e i s a c h a l l e n g e t o t r a d i t i o n a l t e c h n i q u e s f o r r o a d s u r f a c e for c o nc e r n i n g ma t e r i a l s， t e c h n o l o g y a n d c he mi c a l a na l y s i se t c Ba s e d o n t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s，t h i s p a p e r a na l y z e s o v e r l a y i ng e f f e c t o f t h i n l a y e r c e me nt & c o nc r e t e r o a d s u rfa c e a n d me c h a n i c a l p r o p e rti e s i n d i f f e r e n t bo n d i n g mo d e s b y me a n s o f fi ni t e e l e me n t s o f 1 wa r ea n d v e r i fie s a n d mo di fie s d e s i g n i n a c c o r d a n c e wi t h a n a l y s i s f o r r e s u l t s Ke y wo r d s：uh r a t h i n c o n c r e t e，fin i t e e l e me n t a n a l y s i s，t h i n l a y e r t o p f a c i n g，me c ha n i c a l p r o p e y 水泥混凝土路面薄层罩面的传统方法是加铺沥 青类材料 ， 而利用水泥混凝 土材料作为薄层罩面是 一 种全新 的技术 ， 为确保新老水泥混凝土路面结构 协调受力 ， 需要重点研究对现有混凝土板 的充分利 用。采用有限元软件对不同加铺厚度和不同粘结条 件下的受力情况进行数值分析 ， 从而确定最佳加 铺厚度 ， 达到恢复路面标高并实现快速通车的目的。 1 薄层混凝土面板数值模型 已有的研究成果表 明， 对于薄层混凝 土面板受 力分析 ， 其最不利荷载位于板边中心位置 ， 因此本 次分析的荷载作用位置为板边中心位置。采用双圆 荷载( 图 1 ) ， 荷载半径 1 O 6 5 c m， 两轮间隙 1 O 6 5 c m， 轮压分别取 0 7 0 、 1 0 5 、 1 4 0 、 1 7 5 MP a 。分别模拟不 同行车荷载下薄层混凝土加铺路面的力学行为。 分析 主要集中于薄层面板 的厚度变化 、 接触情 况 、 荷载应力等条件对路面结构的影响， 因而取用 比 路面板相对而言较大 的路基模型 ， 以有效消除路基 边界对模型计算结果 的影 响。通过试算对 比， 确定 路基模型尺寸为 1 6 mx l 6 m。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 2 - 0 4 作者简介： 余贤宇( 1 9 7 9 一 ) ， 男， 广东省大甫县人， 本科 ， 工程师 1厂厂厂T A B C D E 单位 ： o n 注 ： A、 B、 C、 D、 E分别代表加铺层表面轮隙 中心和原混凝 土板底 部轮隙中心至荷载 当量 圆中心的不同位置。 图 1 模型示意 2 薄层混凝土数值模拟 2 1 等厚加铺粘结模型 利用 A N S Y S软件对等厚加铺完全粘结模型进 行了计算 分析 ， 用于计算 的加铺 层厚 度分别 为 8、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2 年 第4期 余贤宇： 薄层水泥混凝土罩面有限元数值模拟分析 1 l 1 0 、 1 2 、 1 4 c m。计算分析 在不同加铺厚度条件下 和 不同行车荷载作用下的拉应力和压应力 ， 结果见 图 2和表 1 ( 对应 B点受力分析 ) 。 5O 00 0 0 0 图 2 不 同加铺层厚度模 型的拉压应力 表 1 不 同加铺层 厚度模 型的拉 应力和压应力 通过对不同厚度加铺层 的数值模拟分析可以发 现 ， 所得结果非常接近。这是 因为加铺板 和原混凝 土板粘结在一起后 ， 形成一个整体 ， 其力学性能和整 体混凝土板基本一致 。对于薄层 罩面 的有 限元分 析 ， 主要是分析行车荷载作用下路面板的拉压应力。 在正压力作用下 ， 混凝土面板的剪切应力相对较低 ， 主要担心的是在轮载作用下混凝土板张拉应力过大 引起混凝 土板 断裂 。分析 结果 表 明 ， 即使 是在 1 7 5 MP a的超载应力作用下 ， 混凝土底板的最大拉 应力也不超过0 1 3 M P a ， 可见其拉应力水平很低。混 凝土板所受的最大压应力和其作用的荷载基本一致 。 2 2 等厚加铺非粘结接触分析 混凝土加铺层和原混凝土路面之间由于存在新 旧界面， 加上不同温缩系数的影响 ， 致使新旧混凝土 界面可能存在不完全粘结 J 。本文重点研究不同接 触条件下 ， 混凝土面板的力学响应 。 采用接触模型分析等厚度薄层罩面层与混凝土 路面板之间的粘结程度时， 其主要影响参数是摩擦 系数 和滑移极限接触力脒 ， 胀 一般取为 2 ， 为材料 的破坏强度 J 。分析 中， 采用加铺层厚度 8 e m， 进 行参数 敏感 性 分析。肛 分别 取 0 1 、 0 3 、 0 5 、 0 6 、 0 8 、 1 2、 1 5 ， F K分别取 2 e 、 5 e 、 1 e 。 、 2 e 、 5e 。 、2 e 、 2 e 。荷载为标准轴载 7 e P a 。分析 中一般 以c点( 图 1 ) 为控制点。分析 F K值影响时， 取 值为 0 6 ； 分析 值影响时， 取 F K值为2 e 。 P a 。分析 结果如图 3 6所示。 1 0 0 E+ 0 5 日0 O 0 E+ 0 0 _1 0 0E + 0 5 一2 O O E+ 0 5 一 3 0 0 E+ 0 5 - 4 O 0 E+ 0 5 5 O 0 E+ 0 5 十 = 2 e 8 P a 图 3 滑移极 限接触力 F K和 z向应力 的关系 2 0 HD E- 0 5 0 0 O E+ 0 0 g 一 2 O O E一 0 5 登 0 0 E 一 0 5 暹一 6 0 0E 一 0 5 -8 o o E - 0 5 1 O 0 E O 4 1 2 0 E O 4 图 4 滑移极 限接触力 F K和 z向位移 的关系 2 0 0 E- 0 5 O O O E+ 0 0 蠢- 2 0 0 E 一 0 5 国 一40 0 E一 0 5 一 6 0 0 E一 0 5 - 8 0 0 E- 0 5 1 O 0 E O 4 - 1 2 0 E - 0 4 深度 ， m +摩擦系数0 1 - 摩擦系数 1 0 +摩擦系数0 3 * 一 摩擦系数 1 2 十摩擦系数0 5十摩擦 系数1 5 一摩擦系数0 6+完全粘结模型 _ x 一摩擦系数0 8 5 Z向应力和摩擦系数关系 深度 m 螺 数 。 。 = 羹 一 摩擦系数0 3 一 摩擦系数1 2 一 摩擦系数0 5 + 摩擦系数1 5 一摩擦系数0 6 一 完全粘结模型 图 6 Z向位移和摩擦系数关系 5 O 5 5 5 5 5 5 5目 瑚 =拿埘：聿：拿=拿图 E E E E E E E E E l。 l窨 0 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 公路交通技术 2 0 1 2丘 从图 3、 图 4可以看 出， z向位移 和应力对 F K 的变化不敏感 ， 其 变形 和位移在不 同 F K作用下是 一 致的。这是因为本分析产生的拉应力远小于材料 的破坏强度 ， 产生的最大拉应力远小于 F K， 故其变 化对分析不产生影响。 从 图5 、 图6可以看出 ， 只有当 为 1 5时 ， 其受 力与位移模式与完全粘结板接近。受板边 中心加载 的不利影响 ， 薄板如果粘结程度不好( x 1 5 ) ， 则容 易产生滑移 ， 故薄板与原有混凝土板的粘结成为加 铺效果好坏的关键。为 了体现材料 的接触性能 ， 本 文选用 = 2 e 。 P a ， 肛= 0 6作为后续分析参数。 表 2 不 同加铺层厚度 下模 型的拉应 力和压应力 从表 2数据可以看出， 随加铺层厚度增加， 层底 拉应力逐渐减小 ， 当厚度超过 1 4 c m时 ， 拉应力稍微 有所增大。最小拉应力出现在厚度为 1 2 c m的薄板 上。8 c m厚薄板在 1 7 5 MP a荷载作用下拉应力最 大 ， 为 0 4 8 MP a ； 1 2 c m厚薄板相应 只有 0 1 4 MP a ； 8 C I I l 厚加铺板的拉应力几乎是 1 2 c m厚板 的 3倍 。 通过 比较接触板和粘合板 的应力和位移 ， 发现接触 板和粘合板的位移趋势较一致 ， 但应力在接触面发 生较大跳转。8 c m厚薄板的受力模式不 同于 1 0 1 4 c m厚薄板 ， 对于 8 c m厚薄板而言 ， 其受力一致 减小 ， 而厚度超过 1 0 c m加铺层 ， 在接触面上应力是 先增大后减小 ， 可见厚度超过 1 0 c m加铺层具有较 好 的应力扩散作用。可以认为 ， 在 81 0 c m之 间存 在一个门槛值 ， 使得受力模式发生偏转 ， 因而建议薄 板厚度最好在 1 0 c m以上。 3结论 通过对薄层水泥混凝土罩面的有 限元分析 ， 可 以得出以下结论 。 1 )薄层混凝土板如果层间粘结紧密 ( 即完全粘 结 ) ， 则其受力模式和整块混凝 土面板一致 ， 可很好 抵抗路面的荷载作用 。 2 )对于存在层间接触的混凝土加铺薄板 ， 板厚 不 同其受力变化也 比较 明显。对于 8 C B厚混凝土 薄板 ， 在接触条件下其受力状况较差 ， 不能扩散行车 荷载 ， 因而容易导致应力集 中； 且较薄的面板一旦 出 现层间接触 ， 容易产生搓板效应 。故建议混凝土薄 板 的临界厚度取值为 1 0 c m。 3 )通过对混凝土薄板接触参数的分析 ， 发现接 触摩擦系数对混凝土薄板 的加铺效果影 响较大 ， 而 极 限接触应力的影响则很小。要想得到很好的加铺 效果 ， 层间的接触摩擦 系数 应不小于 1 5 。因此应 尽量增加层 间接触 ， 使新 旧混凝土能够粘合成一个 整体 ， 这也是薄层罩面加铺成功的关键。 参 考 文 献 1 王 勖成， 邵 敏 有 限单元法基本原理 和数值方法 M 北京 ： 清华大学出版社， 1 9 9 7 2 贾玉钧， 胡长顺 ， 王秉纲 复合式路面荷载应力的统一分 析方法 J 西安公路交通大学学报， 1 9 9 5 ( 4 ) ： 6 - 1 3 3 周德云， 姚祖康 旧水泥混凝土路面上沥青加铺层结构 的三维有限元分析 J 中国公路学报， 1 9 9 o ( 3 ) ： 1 8 2 6 4 L a w r e n c e W C o l e P e r f o r ma n c e o f U h r a t h i n Wh i t e t o p p i n g R o a d w a y s C F i ft h A m e ri c a n S o c i e t y o f C i v i l En g i n e e r s Ma t e ria l s Eng i n e e r i ng Co n g r e s s Ci nc i n na t i ： s n 1 9 9 9 5 L a w r e n c e W C o l e ， J a m e s W Ma e k T h e U S E x p e ri e n c e w i t h U l t r a T h i n Wh i t e t o p p i n g M s 1 ： A C P A， 1 9 9 7 6 戴建国， 黄承连 网状聚丙烯纤维混凝土的试验研究 J 混凝土与水泥制品， 1 9 9 9 ( 4 ) ： 3 5 - 3 8 7 刘健新老混凝土粘结的力学性能研究 D 大连： 大连理工大学 ， 2 0 0 0 8 农金龙新老混凝 土界面粘 结材料及 强度 的研究 D 长沙： 湖南大学 ， 2 0 0 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m