碾压混凝土基层沥青路面温度应力分析.pdf

书书书 文章编号? ? ? ? ? ? ? 碾压混凝土基层沥青路面 温度应力分析 李?浩? 吴建良? 周?勇? 钟鼎文 ? 公路交通安全与应急保障技术及装备交通运输行业研发中心? 广州 ? ? 广东华路交通科技有限公司? 广州 ? 摘要? 采用 ? ? ? ? 有限元软件?建立了考虑纵向接缝的温度应力三维有限元计算模型?对碾压混凝土基层的温 度应力进行计算?分析碾压混凝土的板长?板宽?板厚?温缩系数?模量?温度梯度及沥青层厚度等 ? 个因素变化 下温度应力的变化特征?采用仪表法在室内进行了大量碾压混凝土温缩性能试验? 结果表明?与传统半刚性基 层相比?碾压混凝土温缩系数更小?同等条件下的温度应力减小 ?抗开裂能力更优?合理的施工工艺和结构 组合设计可实现碾压混凝土基层沥青路面的耐久性? 关键词? 沥青路面? 碾压混凝土? 温度应力? 温缩性能? 有限元 中图分类号? ? ? ?文献标识码? ? 基金项目? 广东省交通运输厅科技项目?编号? ? ? ? ? 作者简介? 李浩 ? ? ?男?湖北荆州人?硕士?研究方向为路面工程? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?引言 碾压混凝土? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?简称 ? ? ? ?是一种单位用水量较少?坍落度为零的超干 硬性混凝土?适用于大体积混凝土工程? ? ? 碾压 混凝土基层沥青路面相比传统的半刚性基层沥青 路面主要具有如下优点? ? ?强度和耐疲劳性能更 优?总体刚度高?路表弯沉小?可防止疲劳损坏和 结构性车辙?采用预切缝释放温度应力?可减少不 规则裂缝?并延缓反射裂缝?对重载交通的敏感性 及抗冲刷性更优?早期强度较高?完整性好?能保 证整体受力?级配更宽?更易取材? ? ? ?基层沥青 路面形式从材料和结构上具有一定的经济优势? 针对广东地区沥青路面早期损坏情况的大量出 现?采用碾压混凝土基层沥青路面结构来解决广 东地区重载交通作用下的路面耐久性问题? ? ? 因此?本文通过 ? ? ? ? 有限元软件?根据广东地区 特殊的气候条件?分析碾压混凝土基层耐久性沥 青路面的温度应力?为道路结构设计提供一定的 参考? ?计算模型和参数选择 本文采用三维有限元模型进行温度应力分 析?计算假设为?各结构层为均匀?连续?各向 同性的弹性体?各层层间光滑连接?基础底 面固定?基础侧面约束其法向位移?基础以上 各层除沥青层外边界自由?沥青层板体连续无 接缝?碾压混凝土切缝宽度为 ? ? ?切缝无传 荷能力? 模型尺寸为碾压混凝土基层长 ? ?宽 ? ?切 缝宽度 ? ? ?下基层的长宽尺寸与碾压混凝土基层 相同?扩大基础尺寸来模拟半无限大空间的特性? 扩大基础长? ?宽? ?高? ?采用 ? ? ? ? ? 单元? 划分网格后如图 ? 所示? 各结构层参数如表 ? 所 示?碾压混凝土基层导热系数取 ? ? ? ? ?温缩 系数取 ? ? ? ? ? ? ? ? 图 ?路面结构三维有限元模型 ? ? 年第 ? 期? ? ? ?广 东 公 路 交 通 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?总第 ? 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 ?碾压混凝土基层沥青路面结构层参数 结构层类型弹性模量? ? ? ?结构层厚? ? ?泊松比导热系数? ? ? ? ?温缩系数? ? ? ? 沥青面层? ? ? ? ? ? ? ? ? 碾压混凝土基层? ? ? ? ? ? ? ? ? 半刚性材料下基层? ? ? ? ? ? ? ? ? 地基? ? ? ? ? ? ? ? ?模型验证 ? ?规范算例结果 水泥路面设计规范附录算例中?水泥路面结 构的参数如下?温度梯度 ? ? ?板厚 ? ? ?板 长 ? ?水泥混凝土模量 ? ? ? ?热膨胀系数 ? ? ? ? ? ? ? ?计算刚度半径 ? ? ? 计算过程如下? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 最大温度梯度时?混凝土板最大温度应力? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?有限元模拟结果 采用与水泥路面设计规范附录算例相同的参 数?有限元模型计算得到的临界荷位处碾压混凝土 基层板底?板顶的纵向应力云图见图?图? 所示? 图 ?板底温度应力云图 图 ?板顶温度应力云图 从图 ?图 ? 可以看出板顶主要受压?在板中 压应力达到最大?且与是否靠近纵缝关系不大?板 底主要受拉?在板中拉应力达到最大?也与是否靠 近纵缝关系不大? 有限元计算温度应力最大值为 ? ? ? 规范算例计算值为 ? ? ? ? ? 两者偏 差在 ?内?结果可用于工程应用? ?不同参数对碾压混凝土基层温度应力影 响分析 ?为分析温度荷载作用下路面结构响应的特 性?固定其他参数?考察板长?板宽?板厚?碾压混 凝土热膨胀系数?模量?温度梯度?沥青层厚度 ? 个单一因素变化对 ? ? ?温度应力的影响? 顶面温 度 ?底面温度 ? ? ? ? ?层板长的影响 ? ? ?层板长 ? ? ?按 ?递增?固定其他 参数不变? 温度荷载作用下碾压混凝土基层临界 荷位处板底的计算结果如表 ? 所示? 表 ? ? ?层长度改变时底部应力 ?单位? ? ? ? 板长? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?从表 ? 可以看出?随着 ? ? ?板长增大? ? ? 层底部应力迅速增大?但增加的幅度减小? 板长 从 ?变化到 ?纵缝中部的板底拉应力增加了 ? ? ? ? ?增长了 ?板长从 ?变化到 ? 纵缝中部的板底拉应力增加了 ? ? ? ? ?增长了 ? ? ? ? ?层板宽的影响 碾压混凝土基层板宽度变化区间 ? ? ?临 ? ? 年第 ? 期?广东公路交通? ? ?总第 ? 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 界荷位处板底拉应力变化如表 ? 所示? 表 ? ? ?层板宽改变时底部应力 ? ? ?板宽? ? 层底拉应力? ? ? ? ? ? ? ? 从表 ? 可以看出?板越宽?临界荷位处的拉应 力越小? 板宽变化 ? ?应力减小约 ? ? ? ? ? 说 明板变宽?可以有效地分散临界荷位处的温度应 力? 但是板的宽度变化引起的临界荷位处拉应力 的变化幅度?不及板长度变化引起的变化幅度大? 在地基不均匀程度较大时?加大板宽可能会对板 的受力造成不利影响? ? ? ? ?层厚度的影响 ? ? ?层厚度取 ? ? ? ?其余参数也不 变? 温度荷载作用下碾压混凝土基层临界荷位处 板底的计算结果如表 ? 所示? 表 ? ? ?层厚度改变时底部应力 ? ? ?层厚度? ? ? 层底拉应力? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 从表 ? 可以看出?随着 ? ? ?层厚度的增加? ? ? ?层温度应力减小?厚度增加 ? ? ?层底拉应力 减小约? ? ? ? ? 考虑到增加碾压混凝土基层厚度 后温度差会有所增大?增加 ? ? ?层厚度对减小温 度应力的效果会稍微降低? 增大碾压混凝土基层 厚度可以有效扩散温度变化产生的变形?减小碾 压混凝土基层的应力? ? ? ? ?层温缩系数的影响 温缩系数是碾压混凝土的一个关键性能参 数?其值大小对路面结构温度应力有较大影响? 温缩是产生温度应力的直接原因? 在以下计算中 温缩系数从 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?按 ? ? ? ? ? ? ? ?递增?温度荷载作用下碾压混凝土基层 临界荷位处板底的计算结果如表 ? 所示? 表 ? ? ?层温缩系数改变时底部应力 ? ? ?热膨胀系 数? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 层底拉应力 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 由表 ? 可知?随着温缩系数的增大? ? ?层底 部温度拉应力线性增长? 从 ? ? ? ? ? ? ? ?增大到 ? ? ? ? ? ? ? 时? ? ? ?层底部应力增长 ? ? ? ? ? ? 温缩系数越大?说明材料对温度变化越敏 感?因而碾压混凝土基层内的温度应力越大? ? ? ? ?层温度梯度的影响 太阳辐射是路面温度场的主要热源?空气有 时是次要热源? 日出后至 ? ? ?热从路面表面 向内部传递?使得路面表面温度高于内部?形成正 温度梯度? ? ? ? 后?路面对外传递的热量大于 接收的热量?路面降温?到日出前路面表面温度稍 低于内部温度? 一天中?正温度梯度远大于负温 度梯度值? ? ? ?层温度梯度直接影响板内的应力 应变? 设定板底温度?板顶温度从?变化到 ? 温度荷载作用下碾压混凝土基层临界荷位 处板底的计算结果见表 ? 表 ? ? ?层温度梯度改变时底部应力 ? ? ?顶面升温? ? 层底拉应力? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 从表 ? 可以看出?碾压混凝土基层顶面温度 升高?碾压混凝土基层层底拉应力线性增大? 板 底温度 ?板顶温度为 ?时层底拉应力为 ? ? ? ? ?板底温度 ?板顶温度变化到 ?时 层底拉应力为 ? ? ? ? ?板底温度 ?板顶温度 升高 ? 时? 碾压混凝土板的温度应力增大 ? ? ? ? ? ? ? ? ?层上沥青面层厚度的影响 ? ? ?层上沥青面层可以改善碾压混凝土基层 的环境适用性和驾驶舒适性?沥青面层对碾压混 凝土板的翘曲变形有约束作用? 其余参数固定? 设定沥青层厚度从 ? ? ? ?变化?考察上覆沥青 层对碾压混凝土基层温度应力的影响? 温度荷载 作用下碾压混凝土基层临界荷位处板底的计算结 果见表 ? 表 ?沥青层厚度改变时底部应力 沥青层厚度? ? ? 层底拉应力? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 从表 ? 看出?沥青层厚度为 ?时?板底拉应 力为 ? ? ? ? ?沥青层厚度为 ? ?时?板底拉应 力为 ? ? ? ? ? 沥青层厚度增大?碾压混凝土基 层板底拉应力增大? 增大沥青层厚度会引起碾压 混凝土基层内应力升高?厚度增大 ? ?时?板底 ? ? 年第 ? 期?李?浩?吴建良?等? 碾压混凝土基层沥青路面温度应力分析?总第 ? 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 拉应力升高 ? ? ? ? ? 但若考虑到沥青层对温度 梯度的折减?增大沥青层厚度有利于减小碾压混 凝土基层的温度应力? ? ? ? ?层模量的影响 ? ? ?层模量是一个重要的材料参数? 骨料级 配相同?水泥掺量加大后?碾压混凝土模量通常会 有所提高? 模量提高后?碾压混凝土材料的力学 强度会有所提高?但材料的变形协调能力通常会 减弱? 模型的参数按照基准参数取值?变化碾压 混凝土基层材料的模量?以分析模量对 ? ? ?层临 界荷位处板底正应力的影响? 温度荷载作用下碾 压混凝土基层临界荷位处板底的计算结果见表 ? 表 ? ? ?层模量改变时底部应力 碾压混凝土基层模量? ? ? ? ? ? ? ? ? 层底拉应力? ? ? ? ? ? ? ? ? ?从表 ? 可以看出?碾压混凝土基层模量增大 ? ? ?层临界荷位底部拉应力线性增大? 出现这种 情况的原因是?碾压混凝土基层模量差异不会导 致自由变形的差异?自由状态下的碾压混凝土基 层温度变形只与温度状况及材料热膨胀系数相 关?同等自由温度变形下?模量越大?临界荷位处 板底的应力也越大? ? ?小结 通过分析碾压混凝土基层板长?板宽?板厚? 温缩系数?温度梯度?模量?沥青面层厚度等 ? 个 因素变化对 ? ? ?层温度应力的影响?理论分析表 明?碾压混凝土板厚?板宽增大?温度应力减小?其 余 ? 个因素数值增大?温度应力增大? 但加大板 宽可能会对板的受力造成不利影响?增大沥青层 厚度有利于减小碾压混凝土基层的温度梯度? ?碾压混凝土温缩性能试验研究 碾压混凝土材料的体积变形受温度影响很 大? 温缩系数越大?温度变化后?材料的体积变形 越大? 过大的体积变形容易引发碾压混凝土开 裂?增大切缝扩展量?对碾压混凝土基层沥青路面 的耐久性有不良影响? 因此?有必要研究碾压混 凝土材料的温缩系数及各因素对其影响? 选择仪 表法测定碾压混凝土的温缩性能? ? ?试验方案 考虑水泥用量?用水量?砂率?级配?集料种 类?以基准配合比为基础?分别变化水泥用量?用 水量?砂率?集料种类变化?各组试件配比如表 ? 表 ?温缩性能试验配合比 材料规格? ? ? ? ? ? ? ? ? ?河砂水泥用量? ? ? ? ? 用水量? ? ? ? ? 编号 ? ? ? ? ? 材料比例? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?试验方法 试件成型养生 ? 后?在试件端部贴上薄玻 璃片?把密闭好的试件放入尺寸符合要求?温度调 节范围满足试验要求并可控且能恒温的控温箱 中? 用石蜡密闭整个试件?严禁水浸入试件? 用 塑料薄膜包裹试件?薄玻璃片露出来?将收缩仪上 涂上润滑油? 将试件安放到收缩仪上?安装好千 分表?千分表的表头应在贴好的薄玻璃片的中间 位置?如图 ? 图 ?测试箱 ? ? 年第 ? 期?广东公路交通? ? ?总第 ? 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 测试箱预先调温至 ? ?放入试件后恒温 ? 后记录千分表读数?此后每隔 ? 调温一次? 每次升温 ?当温度达到 ?时?每 ? 升温 ? 一直升温至 ? ? ?试验结果 试验结果图 ?试件编号前面部分表示材料组 成?破折号后面数字 ?表 ?或字母 ? ? ? ?图 ?表示重复的试件? 规范给出的要求是?试验的级差不超过平均 值的 ?经检验试验数据符合要求? 图 ? 中? 红色部分为右表读数?蓝色部分为左表读数? 从 图中可以看出基准组 ? ? ? 试件左表?右表读数 较接近?其余组试件左表?右表读数差别较大? 在 特定情况下材料的温度变形可能具有明显的方向 性? 图 ?试件温缩变形 表 ?温缩系数测试结果 试件编号? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 温缩系数平均值? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?半刚性基层的温缩系数一般取值为 ? ? ? ? ? ? ? ?而表 ? 表明碾压混凝土温缩系数为 ? ? ? ? ? ? ? ?明显小于水泥混凝土的温缩系 数?平均值可以取为 ? ? ? ? ? ? ? ? 从试验结果可知?随着水泥用量?用水量增 大?或砂率的增大?碾压混凝土的温缩系数均在 不断增大? 因此?进行基层碾压混凝土配合比 时?在满足抗弯拉强度和施工和易性的要求下? 尽量选择较小的含水量?控制水泥用量及砂率? 以减少基层碾压混凝土的温缩变形? 在上节分析材料温缩系数对温度应力影响 时已有结论?温缩系数减小 ? ? ? ? ? ? ? ?碾压 混 凝 土 的 临 界 荷 位 板 底 拉 应 力 将 减 小 ? ? ? ? 因此?当碾压混凝土基层温缩系数 取为 ? ? ? ? ? ? ?时?与传统半刚性基层温缩 系数取 ? ? ? ? ? ? ?相比?其温度应力将减小 ? ? ? ?温度应力减小超过 ?具有更好的 抗开裂能力? 结合碾压混凝土基层温度应力的变化规律 及温缩性能?从结构设计和施工角度出发?设置 合理的板尺寸?增加沥青层厚和碾压混凝土基层 厚度以降低温度梯度?改善配合比设计均可降低 碾压混凝土基层温度应力?相比于传统半刚性基 层而言?碾压混凝土基层沥青路面具有更好的抗 开裂能力?可以实现碾压混凝土基层沥青路面的 耐久性? ?结论 本文采用 ? ? ? ? 有限元软件?建立了考虑纵 向接缝的温度应力三维有限元计算模型?分析了 碾压混凝土的板长?板宽?板厚?温缩系数?模量? 温度梯度及沥青层厚度等 ? 个因素变化对碾压 混凝土基层温度应力的影响?采用仪表法在室内 进行了大量碾压混凝土温缩性能试验? 结果表 明?碾压混凝土板厚?板宽增大?温度应力减小? 其余 ? 个因素数值增大?温度应力增大?碾压混 凝土的温缩系数约为 ? ? ? ? ? ? ? ?小于半刚性 基层的 ? ? ? ? ? ? ? ?与半刚性基层相比?同等 条件下的温度应力减小 ? ? ? ? ?减小幅度为 ?抗开裂能力更优?合理的施工工艺和结构 组合设计可减小温度应力?实现碾压混凝土基层 沥青路面的耐久性? 参考文献? ? 姜福田?碾压混凝土?北京?中国铁道出版 社? ? 杨伯科?混凝土实用新技术手册?长春?吉 林科学技术出版社? ? 碾压式贫混凝土基层关键技术研究? ?广州? 广东省长大公路工程有限公司? ? 张志峰?振动碾压水泥混凝土路面的研究与实 践? ?公路交通科技? ? ? ? ? ? 沈金安?碾压混凝土在日本高等级公路上的应 ? ? 年第 ? 期?李?浩?吴建良?等? 碾压混凝土基层沥青路面温度应力分析?总第 ? 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 用? 公路交通科技? ? ? ? ? 李世绮?高等级公路碾压混凝土路面技术? ? 公路交通科技? ? ? ? ? ? 王秉纲?胡长顺? 碾压混凝土与沥青混凝土复合 式路面结构的研究? ? 中国公路学报? ? ? ? 陈艳?碾压混凝土基层在京珠高速公路扩建工 程中的应用? ?公路交通技术? ? ? ? 张国军?刘超飞?清连高速公路碾压混凝土基层 施工技术的探讨? ?交通标准化? ? ? ? 夏志强?王继民?碾压混凝土在软土路基中的 应用? ?市政技术? ? ? ? ? ? 广东省交通集团营运高速公路荷载状况调查 及影响分析报告 ? ?广州?广东华路交通科技有限公 司? ?收稿日期? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 年第 ? 期?广东公路交通? ? ?总第 ? 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m