高抗裂性水泥混凝土板块荷载应力有限元验证与分析.pdf

江苏建筑 2 0 1 0年第 4期 ( 总第 1 3 5期 ) 4 9 高抗裂性水泥混凝土板块荷载应力有限元验证与分析 张伟 ， 宗兰 ( 南 京 工程学 院 建筑 工程 学 院 ， 江 苏南 京2 1 l 1 6 7 ) 摘 要】 有限元分析软件 A N S Y S是一个综合性的大型软件， 广泛应用于土木工程、 地质矿产、 水利、 铁道、 汽车交通等一 般工业 以及科学研 究。文章采 用 A N S Y S 1 1 0版本 的多物理场模块进行荷栽应 力有 限元分析与验证 ， 对于涉及 的荷 载应 力分 析等方面 ， 其 功能是有 效而且 简便 的， 可以满足 计算需要 。 关 键词】 混凝土路面； 高抗裂； 有限元 中图分 类号 T U 3 1 3 1 文献标 i P , -q A 文章 编 1 1 0 0 5 6 2 7 0 ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 0 4 9 0 2 Ana l y s i s a n d Ve r i fic a t i o n o f t h e Lo a d St r e s s Ba s e d o n ANS YS i n t h e Co n c r e t e Pa v e me n t o f Hi g h Cr a c k - r e s i s t a n c e Z HANG W e i Z0 NG L a n ( C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， N a mi n g J i a n g s u 2 1 1 1 6 7 C h i n a ) Abs t r a c t ：ANS YS i s a c o mp r e he ns i v e l a r g e -s c a l e s o f t wa r e wi d e l y u s e d i n c i v i l e ng i n e e rin g ，g e o l o g y a n d mi n e r a l r e s o u r c e s ， w a t e r c o n s e r v a n c y ， r a i l w a y ， a u t o mo t i v e a n d t r a n s p o r t a t i o n i n d u s t rie s i n g e n e r a l a n d s c i e n t i fi c r e s e a r c h I n t h i s p a p e r ，ANS YS 1 1 0 v e r s i o n o f t h e mu l t i - p h y s i c s mo d u l e l o a d s t r e s s fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s a n d v e ri fi c a t i o n ， a s f a r a s t h e l o a d s t r e s s a n a l y s i s e t c ， i t s f u n c t i o n i s e f f e c t i v e a n d e a s y t o me e t c o mp u t i n g n e e d s Ke y wor ds ：c o n c r e t e p a v e me n t ；h i g h c r a c k- r e s i s t a n c e ； fin i t e e l e me nt l 主 要 分 析 内容 ( 1 ) 拟结合 工程实际分仓 面积和面板厚度( 模型 中的面 板尺 寸分 别 为 4 mx 6 m、 4 mx 8 m 和 4 mx l 0 m。厚 度 为 0 2 4 m) 进 行有限元 分析与验 证 目的在 于验证 室内试验 的 配合 比设 计是否可应用到实 际工程 ，其结果是 否满足规范 要求 。同时 ， 探讨不 同的面板长度对于荷载应力 、 温度应力 和组 合应 力值的影响。 ( 2 ) 针对面板大分仓尺 寸 9 mx 3 0 m x O 2 m作探 索性研 究 。 2面板应力验算 2 1 荷载应力 分析 2 1 1 模型的建立【 1 根据路 面的几何 特性和材料 的层状分布 ，用层状 长方 体来模拟路 面结构。长方体的长和宽 即为单块 面板 的长宽 值 ( 4 mx 6 m) 。根据 常见汽 车型号 的路基工作 区深度2 1 ， 取 土基 深度 为 5 m， 远远大 于路基 的工作区深度 。 可以认 为在 5 m 以下的土基基本不承 受车轮荷载 。各 材料层的深度 按 照实际工程 的面层 、 上基层 、 下基层来取值。 具体模型见图 1 。 2 1 2材料属性 关于混凝 土的弹性模量 ， 主要参 照 公路水泥路 面设计 规范 ( J T G D 4 0 2 0 0 2 ) 的附表 F 3中弯拉弹性模量与弯拉强 度 的经验值 根据实验测得 的弯拉强 度进行线性 内插 ， 超 出 表格 范 围的值 ，参 照 混 凝土结 构设 计规 范 ( G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ) 条文 说明 4 1 5条13 根 据实验测得的抗压强度进行计 算。本次分析采用表 D( 6 P V - 2 ) 的试验数据( 抗压强度 图 1 应力计算模型 示意 图 图 2 有 限元模 型 ( b )分网J 五 【 收稿日 期 2 0 o 9 1 0 - 3 0 【 作者简介】 张 伟 ，( 1 9 8 2 一 ) ， 南 京 工 程 学 院 建 筑 工 程 学 院 ， 实 验 师 从 事 道 路 、 桥 梁 设 计 与 研 究 工 作 。 T 叼 ，上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 0 江苏建筑 2 0 1 0年第 4期 ( 总第 1 3 5期 ) 5 9 9 M P a ， 抗折强度 7 4 5 MP a ) ， 算得弹模 为 3 6 x 1 0 0 p a 。 其余各层材料厚度 、 类型 、 力学参数见表 1 。 表 1 材 料 参 数 表 2 1 - 3 荷载及边 界条件 ( 1 ) 荷载类型和大小 根据 水泥混凝 土路面设计规 范 规 定 ， 以 1 0 0 k N的 单轴一 双 轮组 荷载作为标准 荷载 ，并假设其均 分于四侧轮 上 ， 由此规定 P =- 1 0 0 4 k N， p = 7 0 0 k P a 。计算 得 ： D：、 0 荷载作用 的位置采用 水 泥混凝土路 面设计 规范 中规 定 的产生 最大综合 疲劳 损坏 的临界荷位( 即纵缝边 缘 中 部 ) 。加载后的 A N S Y S计算模型如 图 3所示。 图 3 加载后荷载应力计算模型 f 2 1 边界条件 在用 A N S Y S计算的过程 中 ，除对称 面加法 向约束外 ， 面层边界条件设为四周 自由。 土基 、 下基层 和上基层侧面 四 周加法 向约束。 土基底面 固支 。 层与层之 间的连接假定为理 想 连 接 。 2 1 4网格 的划 分 荷载应力分析采用 _一维 实体单元 S o l i d 4 5 ， 荷载作用点 当量 圆之 内细分 网格 ， 取 单元边 长为 0 0 2 5 m， 收敛性 分析 发现荷载作用点当量圆之外 的网格划分对第一主应力最大 值 的影响不大 ， 这部分单元边长取 0 2 m。 2 1 5 A N S Y S计算结果 有限元 计算 的 目的是要得到 ， 即标准轴载 在 四边 自由板的临界荷 位处产生 的荷载应力 ( MP a ) 。 单元第 一主应力值如 图 4所示 。 根据图 4中的结果 ， o r 0 9 8 M P a 。 结构的具体变形情况见 图 5 。最大节点位 移在荷载作 用 点 处 ， 为 0 3 7 mm。 2 2 荷载疲劳应 力计算 图 4荷 载 应 力 云 图 ? l 。 = n ： 篓篓； 一 篡 一 夏 ： _ 图 5节 点 变 形 云 图 按 照 水 泥混凝 土路 面设计 规范 规定 ， 标 准轴 载 在临界荷位处产生的荷 载疲 劳应力按式 ( 1 ) 确定 。 d ( 1 ) 式 中 标准轴载在 临界荷位处产生 的荷 载疲劳 应力 ( MP a ) 。 标 准轴载 在 四边 自由板 的临界荷 位处 产 生 的荷 载应力 ( M P a ) ， 这 里通过有 限元 计算得 到其值 约为 1 02 MPa。 |i 一考虑接缝传荷能力 的应力折减系数 ， 由于实 际工程中的纵缝为设拉杆 的平缝 ， 所 以取值 0 8 7 。 一考虑设计基准 期内荷载应力 累计疲 劳作 用 的 疲 劳 应 力 系 数 。 求得 ： = O 8 7 x 2 6 5 x 1 2 5 x 0 9 8 = 2 8 2 MP a 3 应 力 检 验 3 1 按规范公式验算 为证 明设计程序 的可信度 ， 采用 公路水泥混凝土路面 设计规范 ( Y r G D 4 0 2 0 0 2 )中的有关荷 载应力和 温度应 力计算公式进行验算 。与上述有 限元软件的计算结果进行 比较 。 3 2荷载应力验算 =0 0 7 7 ( 2 ) 式 中 广标 准轴载 P 在 四边 自由板临界荷位处产 生的荷载应力 ( MP a ) 。 混凝土板的相对 刚度半径 ( I n ) ， 按式( 3 ) 计算。 混凝土板的厚度( in ) 。 一 1 3 r= 0 5 3 7 h ( 3 ) ( 下转第 7 5页 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 0年第4期( 总第 1 3 5期) 7 5 图 5混凝土覆盖薄膜保湿养护 浇筑应从 一端开始 ， 由前往后 退铺 。每块浇筑应连续 ， 间隔 时间不得超过 3 h 。每 区块 的周边 及柱根 周边应辅 助捅入 式振 动棒振捣 ， 以消除机械施 工盲 区。 混凝土摊铺时须均匀 一 致 。 混凝 土的坍落 度控 制在 1 2 c m 1 4 c m。 开动激光扫平 机 ， 边退边进行高频振捣扫平 。 4 9 激光 扫平机械应缓慢 均匀后退 ， 两幅交接 处用 长抹 子 人工修整 ，浇 筑混凝 土的同时用检测仪随 时检测 混凝土的 表面高度 。 4 1 0混凝土强度达 到能上人时 ，采 用超平机 械高速压 实 提浆 提高混凝土的致密性 。同时 ， 辅助用揉搓将微 小的波 浪抹平 ， 使混凝土表面更平整 。 4 1 l 混凝土压实抹 光后 ，用翅料膜 加麻袋 覆盖洒水 养护 图 6投 产 后 联 合 工 房 ( 图 5 ) 。覆盖物保持湿 润。养护时间 7 d 一 1 5 d 。 4 1 2及时 同挡新 浇混凝土 的区块 ，混 凝土未达 到设 计强 度不准堆载 、 行车 、 碰撞。 4 1 3待混凝 土达 到设 计强度 ， 进行 表面干燥 处理后 ， 即可 进行最后环 氧面层施工 。 5结 束语 准阴烟厂联合工房 已投人 生产试运行半 年 室内混凝 土地 坪平整 、 光洁 、 无 裂缝 ( 见 网 6 ) ， 完全 满足生 产T艺 要 求 。 目前 ， 我 国建筑混凝土楼地 面施 工基 本上仍采用传统施 工工艺 ， 如能成功引用推广该技术 ， 必将推动我 国施 工水平 产生新 的发展 飞跃 ， 值得工程技术 人员不断探索与实践 。 业坐 业鞋船业船业业啦业 逝业始盥 盥 逝业 鞋业 业业 靶船 ( 上接第 5 0页 ) 式中 混 凝土而层弯拉弹性模量 ( MP a ) ； E 基层顶而 当量 回弹模 量 ( MP a ) ， 按公式 ( 4 ) 确定 。 E 、 E ,= a h bE o 【 J ( 4 ) E 一 ( 5 )x -h 1 2 El + h 2 2 E 2 h 2 +h 2 2 、 1 2 D h x E j ( 6 ) D x= + ( 击+ 酉 1) ( 7 ) 一 5 4 4 ( 9) 式 中E 路床 顶面的当量 回弹模量 ( MP a ) 。 E 基层 和底 基 层 或 垫 层 的 当 量 回 弹模 量 ( MP a ) ， 按式 ( 5 ) 计算 。 E l 、 E 广基层和底基层或垫层 的回弹模量 ( MP a ) 。 基层 和底基层 或垫层 的当量厚度( m) ， 按 式( 6 ) 计算 。 D 基层和底 基层或垫 层的 当量 弯 曲刚度 ， 按 式( 7 ) 计算 。 h 、 厂基层 和底基 层或垫层 的厚度 ( m) 。 口 、 6 与 E E o 有关 的回归系数 ， 分别 按式 ( 8 ) 和式 ( 9 ) 计算 。 本算例中，已知 E l _ 3 3 x l O 4 MP a 、 E = 6 0 0 MP a 、 h l ： 0 1 5 m、 h 2 = 0 2 m、 E o = 2 6 MP a 。求得 仃 = 0 0 7 7 7 h = 0 0 7 7 x 0 6 4 5 。 6 O x O 2 4 一1 0 3 ( MP a ) 可见 ， A N S Y S计 算结果 ( o r 0 9 8 MP a ) 和规 范计算 公 式结果 ( 一1 0 3 MP a ) 是 非常接 近的 ， 两 者相对误 差小 于 5 。 4结 论 根据 公路水 泥混凝 土路面设计规范 ( J T G D 4 0 2 0 0 2 ) 荷载应力的计算公式进行 验算 的过程中发现 ，使用有 限元 方法计算高抗裂性水 泥混 凝土面板的荷载应力与规范计算 方法得到的数值非常 接近 ， 相 对误差为一 5 。因此 本文所 采用的有限元分析方法具有 一定的可靠性和工程实用性 。 参 考 文献 1 】 G B T 1 4 6 8 5 2 0 0 1建筑 用 卵石 、 碎 石 S 】 北 京：中国标 准 化 出版 社 ， 2 0 0 1 【 2 】 清华 大学土 木 系建材 教研 室 高强混 凝土 与高效混 凝 土译文集 M1 北京： 清华大学 出版社， 1 9 9 4 ， 1 3 1 交通部公路科 学研 究所J rI G E 3 O 一2 0 0 5公路 工程 水泥 及 水 泥 混 凝 土试 验 规 程 S 1 北 京 ： 人 民 交 通 出版 社 ， 2 0 0 5 4 曾浩， 钢纤维混凝土在道路特殊结构中的应用研究 D 】 南京航 空航天 大学， 2 0 o 6 【 5 】 交通部公路规划设计 院 J T G D 4 0 2 0 0 2公路水泥 混凝 土路 面设计规范 f 5 北京： 人 民交通 出版社， 2 0 o 2 【 6 】 A D K e r r ， P J K e r r A n a l y s i s o f c o n c r e t e p a v e m e n t b l o w u p s J A c t a Me c h a n i c a ， 1 6 3 - 1 6 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m