玄武岩纤维贫混凝土复合式沥青路面荷载应力分析.pdf

第 4 0卷 ， 第 6 期 2 0 1 5年 1 2月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 4 0， No 6 De c ， 20 1 5 玄武岩纤维贫混凝土复合式沥青路面荷载应力分析 何春燕 ，刘朝晖 ， 袁鹏。 ( 1 安徽省交通规划设 计研究总院股份有限公司 ， 安徽 合肥2 3 0 0 8 8 ； 2 长沙理工大学 交通运输工程学院 ，湖 南 长 沙4 1 0 0 0 4 ； 3 广西宏冠工程咨询有限公 司，广西 南 宁5 3 0 0 0 0 ) 摘要 】在三维等参元理论和弹性层状体系理论 的基础上 ， 运用大型通用有限元分析软件 A N S Y S ， 分析 了玄 武岩纤维贫 混凝土基层 沥青复合式 路面 ( B F R L C+A C) 荷载应力 ， 确定 了路面结构 的临界荷位 ， 及 B F R L C板 的合 理板长 ， 研究 了不 同沥青面层厚度 、 沥青 面层模 量 、 B F R L C板厚度 、 B F R L C板模量 及基础模量对 玄武岩纤维贫混 凝 土基层层底应 力的影 响。为 B F R L C+A C复合 式路面结 构设 计提 供一定的理论基础 。 关键词 】道路工程 ； 荷 载应 力；三维有 限元 ；玄武岩纤维贫 混凝土基层 ；复合式路面 中图分类号 】U 4 1 6 2 2 4； U 4 1 6 0 1 文献标识码 】A 文章编号1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 5 ) 0 6 0 0 1 7 0 4 An a l y s i s o f Lo a d S t r e s s f o r Ba s a l t Fi b e r Re i n f o r c e d Le a n Co n c r e t e Co mpo s i t e As p h a l t Pa v e me n t HE Chuny an , ， LI U Zh a o h u i ，YUAN Pe n g 1An h u i T r a n s p o r t Co n s u l t i ng& De s i g n I n s t i t u t e Co ， L t d， He f e i An hu i 2 3 0 08 8， Ch i n a； 2 S c h o o l o f Co mmu n i c a t i o n a n d Tr a n s p o r t a t i o n En g i ne e r i n g ，Ch a n g s h a Uni v e r s i t y o f Sc i e n c e a nd Te c hn o l o g y，Ch a n - g s h a Hu n a n 41 0 00 4， Ch i n a； 3 Gu a n g x i Ho n g g u a n En g i ne e r i n g Co n s u l t i ng Co ， Lt d ， Na n n i n g， Gua n g x i 5 3 0 0 0 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t B a s e d o n t h e t h e o r y o f t h r e ed i m e n s i o n a l i s o p a r a m e t r i c e l e m e n t a n d e l a s t i c l a y e r e d s y s t e m t h e o r y，u s i n g t h e l a r g e g e n e r a l fin i t e e l e me n t a na l y s i s s o f t wa r e ANS YS， t h i s a r t i c l e a na l y z e d t h e l o a d s t r e s s o f t h e b a s a l t fi b e r l e a n c o n c r e t e b a s e w i t h a s p h a l t p a v e m e n t c o mp o s i t e( B F R L C+A C ) ， d e t e r - mi n e d t h e c r i t i c a l l o a d o f pa v e me n t s t r u c t ur e，a n d t h e r e a s o n a b l e l e n g t h o f BF RLC p l a t e，s t ud i e d t h e i n - fl ue n c e o f ba s a l t fib e r r e i n f o r c e d l e a n c o n c r e t e b a s e l a y e r b o t t o m s t r e s s b y t h e di f f e r e n t a s p h a l t l a y e r t h i c k ne s s， mo d u l u s o f a s p h a l t r o a d s u r f a c e，BFRL C p l a t e t h i c k n e s s ，BFRL C pl a t e mo d u l u s a n d fou nd a - t i o n mo d u l u s To pr o v i d e c e r t a i n t h e o r e t i c a l ba s i s f o r BF RLC +AC c o mp o u n d pa v e me n t s t r u c t u r e d e s i g n Ke y wo r d s r o a d e n g i n e e r i n g ； l o a d s t r e s s ； t h r e e d i me n s i o n a l fi n i t e e l e m e n t ；B F R L C；c o m p o s i t e pav ement 0 前言 目前我国高速公路上车辆荷载重载和超载现象 严重 ， 使得早期按当时路面设计规范设计 的路面结 构难以承受如此重大的交通荷载 ， 大部分道路难以 达到预期的正常大修年限以及使用寿命 ， 造成巨大 的资 源浪 费 。近年来 ， 以普 通水 泥混 凝 土( P C C) 、 连 续配筋混凝土 ( C R C) 、 碾压混凝 土 ( R C C) 、 贫混凝 土( L C C) 、 横缝设传力杆的普通混凝土 ( J P C) 、 钢纤 维混凝土( S F R C ) 等作为冈 lj 性基层 的复合式沥青路 面能有效避免新建道路的早期破坏及其具有“ 长寿 命” 的优势 ， 得到了快速发展 。 玄武岩纤维贫混凝土基层复合式沥青路面( B F R L C+A C ) 是将玄武岩纤维贫混凝土基层 ( B F R L C： B a s a l t F i b e r R e i n f o r e e d L e a n C o n c r e t e ) 的高强度、 良 好整体性及抗裂性与沥青混凝土( A C ： A s p h a l t P a v e m e n t ) 的行车舒适性相结合的一种新型复合式沥青 结构 。玄 武岩 纤维贫 混凝 土基 层可 以满 足大交 通量 和重载路面的高强度要求 ， 以及有效防止或延缓其 他刚性基层 自身存在 的反射裂缝 问题 ， 是重载交通 收稿 日期 】2 0 1 4 0 6 1 9 【 基金项 目国家 自然科学基金项 目( 5 1 1 7 8 0 6 2； 5 1 0 3 8 0 0 2 ) ； 交通部应用基础研究项 目( 2 0 1 1 3 1 9 8 2 5 0 4 0 ) 【 作者简介 何 春燕 ( 1 9 8 7 一) ， 女 ， 湖南永州人 ， 硕士研究 生， 主要研究方向 ： 路基路厩工程 ， 道路新 材料 。 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 第 6期 何春燕 ， 等 ： 玄武岩纤维贫混凝土复合式沥青路面荷载应力分析 1 9 洼： A C 代 表横缝边 缘 。A C 代表 纵缝边缘 。B 为板巾位 置。 图 2荷载 位置 图( 单位： e m) F i g u r e 2 L o a d l o c a t i o n ma p ( U n i t ： c m) 表 2不同荷位时板底最大弯拉应力 Ta b l e 2 Ma x i mu m b e nd i ng t e ns i l e s t r e s s o f s l a b bo t t o m n n de r d i f f e r e n t l o a di n g 凝土板相同。 B F R L C板平面尺寸变化对临界荷位的影响。 为了探究 B F R L C板 的不 同平面尺寸对临界荷 位的影响及确定一个合理的 B F R L C板长。取常用 的水泥混 凝土板宽及板 长尺寸 ， 板宽分别取 3 5 ， 4 0 ， 4 5 ， 5 0 ， 5 5 m； 板长 取 5 ， 8 ， l 0 ， 1 5 m。 当板长取 1 0 I l l ， 板宽取 3 5 5 5 m时 ， 计算结 果见表 3 ， 其他参数同前 。 表 3 B F R L C板宽对板底最大弯拉应力 ( MP a ) 的影响 Ta b l e 3 I nflu e n c e o f BFRLC p l a t e wi dt h t o ma x i mum b e n - d i n g t e n s i l e s t r e s s o f s l a b b o t t o m 由表可知 ：随着 B F R L C板宽的逐渐增大 ， 横缝 边缘 板底 最 大 应 力 由 0 7 2 5 0 MP a增 大 到 0 7 7 7 8 MP a ， 整体呈增大趋势 ； 而纵缝边缘板底最大应力 由 0 8 5 2 7 M P a减 小到 0 8 3 8 8 MP a ， 整体 呈 减小 趋 势 ； 且当 B F R L C板 的平面尺寸较 大( 超过 4 5 In 1 0 n 1 ) 时， 板宽在一定范 围内变化对板底最大应力 影响相 对 很小 。 板宽取为 4 5 I l l ， h =0 2 4 c a， 其余参数 同前， 运用 A N S Y S软件计算不 同板长时 B F R L C板底弯拉 应力 ， 计算结果如图 3所示。由计算结果可知 ：板 底最大应力随着板长的增加而增大， 但是增 大的幅 度在逐渐减缓。当板长为 1 0 I n或者更长时， 板底应 力基 本 保持 不变 。 图 3 B F R L C板长对板 底最 大弯拉应 力的 影响 F i g u r e 3 I n fl u e n c e o f B F R L C p l a t e l e n g t h t o m a x i m u m b e n d i n g t e n s i l e s t r e s s o f s l a b b o t t o d l 综上所述 ， 在 国内常用混凝土板平面尺寸范围 内， B F R L C板的临界荷载位置与普通混凝土路面相 同， 即 B F R L C+ A C路面设计 中， 板的临界荷位 出现 在纵缝边缘的中部。 同时 ， 由板长对板底最大弯拉应力的影响分析 可知， 随着 B F R L C板板 长的增加 ， 板底最大弯拉应 力趋于一个稳定值 。普通水泥混凝土路面( P C P ) 不 开裂板块的临界板长 为 61 0 I n ， 钢筋混凝土路 面( J R C P ) 设计板长也只能取小于 2 。由此， 确 定 B F R L C板的合理板长为 1 O一1 5 In。 2 2 B F R L C荷载应力参数影响分析 影响 B F R L C板荷载应力的参数有多方面 ， 本文 从 A C层厚 h 模量 E 。 ， B F R L C板厚 h c 、 模量 E 以 及基础模量 E 等方面进行计算分析。 2 2 1 A C层 厚 度 h 及模量E 。 对 荷载 应力 的影 响 保持 B F R L C和基础两层计算参数不变 ， 其他路 面 结构 参 数 为 ： 基 础平 面 尺 寸 取 l 0 5 In X 1 6 0 m， 厚度 h =1 0 0 In， 模量 E =1 5 0 MP a ； B F R L C板平面 尺寸为 4 5 r n x 1 0 0 m， 厚 度 h =0 2 4 In， 模量 E = 2 1 5 0 0 MP a 。计 算得 到不 同 A C层 厚 度及 不 同 A C层 模 量 下 ， B F R L C 板 底 最 大 应 力 变 化 趋 势 见 图 4。 由图4结果分析可知 ： 当 E =l 2 0 0 MP a时， B F R L C板底最大弯拉 应力随着 A C层厚度的增加呈现减小趋势。A C层 厚 度 由 4 t in 变化 到 1 4 c i n时 ， B F R L C 板 底 最 大 弯 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 ； 2 O 0 O O O 0 0 0 O 0 0 苫、 毯 堪篷辑 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 公路工程 4 0卷 A C层 厚 厦 ， e m 图 4 B F RL C板底最大弯拉应力随 AC层厚度及模量 变化图 Fi g u r e 4 Re l a t i o n o f ma x i mum b e n di n g t e n s i l e s t r e s s o f s l a b b o t t o m wi t h AC l a y e r t h i c k ne s s a nd mo d u l u s 拉应力降低 了 1 4 7 。其主要原 因为： 较厚的 A C 层可以将作用于路表的荷载应力有效地分散、 消减 ， 使作用于 B F R L C的应力降低 。 当 A C层厚度取 h =0 1 0 m时 ， 随着 A C层 模量的增加， B F R L C板底最大弯拉应力呈现下降的 趋 势。 当 A C层 模 量 由 1 0 0 0 MP a变 化 到 1 8 0 0 MP a时 ， B F R L C 板 底 最 大 弯 拉 应 力 最 大 降 低 了 4 1 。 即增 大 A C层厚度和模 量均可 以减小 B F R L C 板底最大弯拉应力 ， 但增大 A C层厚度对 B F R L C板 底最大弯拉应力影响程度更大。 2 2 2 B F R L C板厚 h 及模 量 E 对荷载应力 的影 响 保持 A C层和基础两层计算参数不变 ， 对应路 面结 构 参 数 为 ： 基 础 的 平 面 尺 寸 取 1 0 5 m X 1 6 0 m， 厚度 h =1 0 0 m， 模 量 E =1 5 0 MP a ； B F R - L C板平 面 尺寸 为 4 5 m1 0 0 m； A C层 厚 度 h 。= 0 1 0 m， 模 量 为 E =1 2 0 0 M P a 。计 算 得 到 不 同 B F R L C板 厚 度 及 不 同 B F R L C板 模 量 下 ， B F R L C板 底最大应力变化趋势见图 5 。 由图 5结 果 可知 ： 随着 B F R L C层厚度 的增加， B F R L C板底最 大弯拉应力曲线呈凹形单调递减。当 B F R L C层模 量为 2 1 51 0 MP a时 ， B F R L C层厚度 由 1 6 c m变 化到 3 2 c m， B F R L C板 底 最 大 弯 拉 应 力 降 低 了 75 0 。 随着 B F R L C模 量 的增 加 ， B F R L C板底 最 大 弯 拉应 力呈 现 明显 的 上 升趋 势 。 当 B F R L C层 厚 度 为 1 6 c m， B F R L C模 量 由 1 6 5 X 1 0 MP a变 化 到 3 3 51 0 MP a时， B F R L C板底最大弯拉应力最 大 BF RL C板 厚 度 C I II 图 5 B F R L C板底最大弯拉应力随 B F R L C板厚 J I 及 模 量 Ec变 化 图 F i g ur e 5 Re l a t i o n o f ma x i mum b e n d i n g t e ns i l e s t r e s s o f s l a b bo t t o m wi t h BFRLC t hi c k n e s s a n d mo d ul us 增加 了 4 1 3 。 即 B F R L C板厚度和模量变化对 B F R L C板底最 大弯 拉应 力 影 响很 大。B F R L C板厚 度 和模 量 是 B F R L C+A C复合式路面结构设计的两个重要参数。 2 2 3地基模量 E 对荷载应力的影响 保持 B F R L C和 A C两层计算参数不变， 通过改 变地基模量 E 来分析 B F R L C荷载 应力 的变化 规 律。地基模量 E ， 取 1 0 0 、 1 5 0 、 2 0 0 、 2 5 0 、 3 0 0 MP等 5 个不同数值。其他路面结 构参数情况为 ：A C层厚 度 h =0 1 0 m， 模量为 E =1 2 0 0 MP a ， B F R L C板 厚 h =0 2 4 i n ， 模量 E =2 1 5 0 0 MP a ， B F R L C板裂 缝间距取 1 0 in， 宽 4 5 n l ， 扩大基础厚 度 为 1 0 i n 。 计算得到不同地基模量下 B F R L C板底最大弯拉 应 力变 化趋 势 图见 图 6 。 苫 、 R 斗 蟥 磺 蟠 U 地 基 模 量 Et MP a 图 6 B F R L C板底最大弯拉应力随地基模量 Ef 变化 图 Fi g u r e 6 Re l a t i o n o f ma x i mu m b e n d i n g t e ns i l e s t r e s s o f s l a b b o t t o m wi t h f o u n da t i o n mo d ul u s E 分 析 图 6的 结 果 可 知 ：随 着 地 基 模 量 E ， 的 增 加， B F R L C板底 最大弯拉 应力 曲线 呈凹形单 调递 减 。当地基模 量 E ， 由 1 0 0 MP a变 化 到 3 0 0 MP a时 ， B F R L C板底最大弯拉应力 降低 了 5 7 1 。说 明地 基模 量 E ， 对 B F R L C板 底 荷 载 应 力 也 具 很 大 的 影 ( 下转 第 3 5页 ) 暑、 辑 静 蟥 r J rI 窆、 鞲静 蟥噗隧鞲 r 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 郑玉国 ， 等 ： 大跨梁 桥施 工全过 程地震 响应非线性影 响分析 3 5 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 王克海 ， 李 茜 ， 韦 韩汶川 地震对 我国地震 区划 图与桥 梁抗 震设计的启示 J 】 工程力学 ， 2 0 1 0， 2 7 ( 6 ) ： 1 2 01 2 6 A AS HT OA AS HT O L RF D b r i d g e d e s ig n s p e c i f i c a t i o n s S W a s h i n g t o n，DC： Ame r i c a n As s o c i a t i o n o f Hi g h wa y a n d T r a n s p o r t a t i o n Offi c i a l s ， 2 0 0 4 AAS HTO AASHTO g u i d e s p e c i fic a t i o n s f o r L RF D s e i s mi c b r i d g e d e s i g n S Wa s h i n g t o n，D C： A me ri c a n A s s o c i a t i o n o f Hi g h wa y a n d Tr a n s p o r t a t i o n Of f i c i a l s ， 2 0 0 9 WS DO T B r i d g e d e s i g n ma n u a l M O l y mp i a ： Wa s h i n g t o n S t a t e De p a r t me n t o f Tr a n s p o rta t i o n， 2 0 0 8 S CDOT S e i s mi c d e s i g n s p e c i fi c a t i o n s f o r h i g h wa y b r i d g e s S S o u t h C a r o l i n a D e p a rt m e n t o f T r a n s p o rt a t i o n ， 2 0 0 2 J T G T B 0 2 0 1 2 0 0 8 ， 公路桥梁抗震设 计细则 S 日本道路协会道路 桥示方 书 同解 说 V耐 震设计 编 S 2 o o 2 S t a n d a r ds Ne w Ze a l a n d Te c h nic a l C o mmi t t e e S t r u c t u r a l d e s i g n a c t i o n s Pa rt 5： Ea rth q u a k e a c t io n s Ne w Z e a l a n d S We l l i n g t o n： S ta n d a r d s N e w Z e a l a n d ， 2 0 0 4 Eu r o p e a n Co mmi t t e e for S t a n d a r d i z a t i o n Eu r o c o d e 8 一 De s i g n o f s t r u c tur e s f o r e a rth q ua k e r e s i s t a n c eP a rt 2：Br i d g e s S B r u s s e l s ： B S I ， 2 0 0 5 Zh e n g YG， Yu a n W C S t u d y o n d y n a mi c c h a r a c t e ris t i c s o f l o n g s p a n c o n t i n u o u s b r i d g e f r o m c o n s t ru c t i o n t o c o mp l e t i o n c o n s t ru c t e d b y c a n t i l e v e r me t h o d b a s e d o n p e r s p e c t i v e o f e a h q u a k e r e s i s t a n c e c A d v a n c e s i n C i v i l E n g i n e e ri n g a n d Ar e h i t e c t u r e I n n o v a t i o nKr e u z s t r a s s e： Tr a n s T e c h Pu b l i - c a t i o n s L T D， 2 0 1 2( 3 6 83 7 3 ) ： 9 8 8 9 9 2 1 5 郑玉 国， 袁万城典型大跨连续梁 桥悬臂施 工全过程地震 反 应谱分析 J 湖南科 技大 学学 报 (自然科 学版 ) ， 2 0 1 3 ， 2 8 ( 3 ) ： 5 96 5 1 6 李微 哲宁 海新 桥 主桥抗 震分 析 J 公 路 工程 ， 2 0 1 3 ， 3 8 ( 2 ) ： 1 2 01 2 4 1 7 赵永刚 ， 韩 文涛 ， 史 贵君临河黄 河特大桥 抗震设 计与研究 J 公路工程 ， 2 0 1 3 ， 3 8 ( 6 )： 1 8 91 9 3 1 8 P E E R P E E R S t r o n g Mo t i o n D a t a b a s e E B O L 2 0 1 l 2 0 1 1 1 11 6 h t t p ： p e e r b e r k e l e y e d u p e e r g r o u n d mo t i o n d a t a b a s e 1 9 吕红山 ， 赵风新 适用于 中国场地分类 的地 震动反应 谱放大 系数 J 地震学报 ， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 1 ) ： 6 7 7 6 2 O 范立础 ， 胡世德 ， 叶爱君 大跨度桥梁抗震设计 M ， 北京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 1 2 1 北京金土木软件技术有 限公司 ， 中国建筑 标准设 计研究 院 S A P 2 0 0 0中文版使用指南 M 北京 ： 人民交通 出版社 ， 2 0 0 6 2 2 爱德华 L 威尔逊著 ， 北京 金土木软件技术 有限公 司， 中国建 筑标准设计研究 院译 结构静力与动力分析 一强调地震工程 学的物理方法 帕 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 5年， 第 4版 2 3 Hu g h e s ，T J RT h e fi n i t e e l e me n t me t h o dL i n e a r s t a t i c a n d d y n a mi c fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s M P r e n t i c e Ha l l I n c 1 9 8 7 ( 上接第 2 0页) 响。在 B F R L C+ A C复合式路面结构设计时也需要 认 真考 虑 。 3 结语 a 考虑车辆作用在行车道上的各种可能位置， 对 B F R L C+ AC结构的临界荷位进行 了分析 ， 确定 B F R L C+A C复合式路面的I I缶 界荷载位置与普通混 凝土路面相同， 位于 B F R L C板纵缝边缘中部。 b 计算中考虑 了 B F R L C板长、 板 宽对临界荷 位 的影 响 ， 并在 此基 础上 确定 B F R L C板 的合理 板 长 为 1 01 5 r f l 。 c 通过研究不 同路面结构设计 参数对 B F R L C 板荷 载应 力影 响规 律及影 响程 度 ， 得 出 ： B F R L C板底最大弯拉应力随着 A C层厚度 h 、 模 量 及 基础 模 量 E 的 增加 均 呈 现 减 小 的趋 势 ， 且基础模量 E ， 对 B F R L C板底最大 弯拉应 力影 响效果较前两者 明显 ， 可见较高的基础模量对 B F R L C板 是有 利 的。 B F R L C板底最大弯拉应力随 B F R L C厚度的 增 加 ， 明显 的减 小 ； 随 B F R L C板模 量 的增 大 ， B F R L C 板底最大弯拉应力明显增大。 参考文献 李盛 ， 刘朝 晖 C R C +A C复合式路面的合理配筋率 J 公路 交通科技 ， 2 0 1 2 ， 2 ( 2 ) ： 1 6 方伟振 ，肖亮P C C十A C复合式路面技术经济分析 J 交 通 标 准化 ， 2 0 0 6 ( 1 2 ) 1 0 31 0 5 陶可 刚柔结合面联结状态对 C R C P +A C复合式路面的影 响 分析 J 公路工程 ， 2 0 1 2， 3 7 ( 4) ： 7 98 8 J T G D 4 0 2 0 1 1 ， 公路水泥混凝土路面设计规范 s 胡长顺 ， 王秉纲 复合式路 面设计原 理与施工技术 M 北京 ： 人 民交通 出版社 。 2 0 0 0 J T G D 5 0 2 0 0 6 ， 公路沥青路面设计 规范 s 刘朝 晖 连续 配筋 混凝 土刚柔 复合 式沥青 路面研 究 D 长 沙 ： 长沙理工大学 ， 2 0 0 7 ， 1 5 5 5 王秉纲 有沥青上 面层的水泥 混凝土路 面的应力分析 J 公 路 ， 2 0 0 2 ( 8 ) ： 2 3 2 6 陈拴发 ， 彭种贫 混凝士基 层沥青 路面荷 载应力 有限元分 析 J 长安大学学报 ， 2 0 0 7， 2 7 ( 6) ： 1 5 王芳 王选仓 水泥混凝 土加铺层 贫混凝 土基层 荷载应力 分 析 J 公路 ， 2 0 0 8 ( 7 ) ： 1 3 6一l 3 9 梅安今钢筋混凝土和普通水泥 混凝土路 面温缩应力 、 干缩 应力和板长 J 公路交通科技 ， 1 9 9 8 ， 1 5 ( 4 ) ： l一 7 ；：O 1 =| 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m