水泥混凝土道面面層結(jié)構(gòu)影響因素的有限元分析

[摘 要] 利用ansys12.0有限元軟件建立考慮層間接觸條件的水泥混凝土道面三維實(shí)體模型，主要分析了面層厚度、寬度、彈性模量等因素對(duì)道面板在車輛荷載作用下的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明道面板厚度和彈性模量對(duì)板底最大拉應(yīng)力和板面最大位移具有較大影響，而面板寬度的影響則是十分有限的。

[關(guān)鍵詞] ansys；水泥混凝土道面；面層結(jié)構(gòu)；有限元分析

[中圖分類號(hào)] U416.217 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 1003-1324（2012）-05-0097-03

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，道路建設(shè)正處在一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。目前，在我國(guó)高等級(jí)公路、城鄉(xiāng)道路建設(shè)中，水泥混凝土道面占有很大比重。于此同時(shí)與道路相關(guān)的研究也已廣泛展開，研究的重點(diǎn)主要集中在荷載和溫度作用對(duì)道面性能的影響、舊道面加厚設(shè)計(jì)、瀝青混凝土加鋪層反射裂縫控制、道面病害機(jī)理與防治等方面[1～4]。本文中主要利用有限元軟件ansys12.0建立水泥混凝土道面三維實(shí)體模型，分析混凝土面層在車輛荷載作用下應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律，以便為水泥混凝土路面的設(shè)計(jì)和后期使用提供參考。

1 有限元模型

有限元模型主要有水泥混凝土面層、水泥穩(wěn)定碎石基層和土基三部分組成。假定各部分均是由各向同性的線彈性材料，其特性可以用彈性模量、泊松比、厚度等表征。混凝土板尺寸采用5m×4m的板，同時(shí)為反映半空間體的特征，基墊層和土基采用擴(kuò)大尺寸：8m×6m（如圖1所示），各部分材料參數(shù)見表1所示。

在路面溫度應(yīng)力分析中，各結(jié)構(gòu)層均采用8節(jié)點(diǎn)solide45單元建立三維實(shí)體模型，層間采用3D面-面接觸單元Contal174和Targe170單元建立連接。網(wǎng)格劃分時(shí)為獲得較精確的計(jì)算結(jié)果，對(duì)面層和基層網(wǎng)格進(jìn)行了加密。同時(shí)，模型中x方向?yàn)槁访娴那斑M(jìn)方向，y方向?yàn)槁访娴膶挾确较颍瑉方向?yàn)槁访娴暮穸确较颍⒃谕粱酌媸┘尤齻€(gè)方向的固定約束，對(duì)于基礎(chǔ)的四個(gè)側(cè)面，在以x軸為法線的兩個(gè)側(cè)面上施加x方向的約束，在以Y軸為法線的兩個(gè)側(cè)面上施加y方向的固定約束。車輛荷載采用單軸雙輪組標(biāo)準(zhǔn)軸載Bzz-100，胎壓為0.7MPa，單個(gè)輪壓作用范圍18.9cm×18.9cm，接觸面積為357.21cm2，雙輪間距為32 cm，兩側(cè)輪隙間距為182 cm，在計(jì)算時(shí)僅考慮對(duì)稱軸上的單側(cè)荷載作用，荷載作用在板角。建成的三維有限元模型如圖2所示。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 面層厚度對(duì)道面結(jié)構(gòu)的影響

在其他參數(shù)不變的條件下，選取面層厚度分別為20cm，24cm，28cm，32cm四個(gè)水平，面板長(zhǎng)度分別為4m，5m，6m進(jìn)行對(duì)比分析。圖3和圖4給出不同板厚條件下板底最大拉應(yīng)力和面層豎向位移的變化規(guī)律。

從圖3的結(jié)果看，隨著板厚的增加，水泥混凝土道面面板底部最大拉應(yīng)力逐漸減小，而板長(zhǎng)從4m增加到6m時(shí)，板底拉應(yīng)力逐漸增加，但增幅相對(duì)較緩。從圖4的結(jié)果看，隨著面板厚度的增加，板頂最大豎向位移逐漸減小，并且板長(zhǎng)從4m增加到6m時(shí)，板頂最大豎向位移也逐漸降低，但降幅越來(lái)越小。所以一定范圍內(nèi)增加面板的厚度可以降低面板板底最大拉應(yīng)力和板頂最大豎向位移，可以提高道面的使用壽命。

2.2. 面層寬度對(duì)道面結(jié)構(gòu)的影響

選取道面板寬度分別為4m，4.5m，5m，6m四個(gè)水平，在道面板厚度分別為25cm，28cm，30cm的情況下進(jìn)行分析，圖5和圖6分別給出不同面板寬度條件下板底最大拉應(yīng)力和板頂最大豎向位移的變化規(guī)律。

從5和圖6的結(jié)果看，隨著面板寬度的增加，板底最大拉應(yīng)力和最大豎向位移變化幅度都不大，一般都在0.5%以內(nèi)，可見面板的寬度對(duì)水泥混凝土道面的影響十分有限。因此，在通常的設(shè)計(jì)中，為減少模板工程量及過(guò)多設(shè)置接縫而造成的地基失穩(wěn)等病害，道面板寬度宜以6m為基準(zhǔn)。

2.3. 面層彈性模量對(duì)道面結(jié)構(gòu)的影響

選取面層彈性模量分別為28GPa，30GPa，32GPa，34GPa四個(gè)水平，在土基彈性模量分別為40MPa，60MPa，100MPa情況下進(jìn)行對(duì)比分析，圖7給出了不同面層彈性模量板底最大拉應(yīng)力變化規(guī)律。

由圖7可以看出，當(dāng)面板彈性模量不變時(shí)，隨著土基彈性模量的增加，水泥混凝土面板的板底拉應(yīng)力隨之減小；而當(dāng)土基彈性模量不變時(shí)，隨面層彈性模量的增加，面板板底最大拉應(yīng)力不同程度地都有所增加。所以在水泥混凝土路面設(shè)計(jì)中，適當(dāng)增加土基的彈性模量、降低面層材料的彈性模量，有利于減小板底拉應(yīng)力，提高道面使用性能。

3 結(jié)論

（1）一定范圍內(nèi)，增加面板的厚度能夠降低面板板底最大拉應(yīng)力和板頂最大豎向位移，有利于道面壽命的提高。

（2）面板寬度對(duì)板底最大拉應(yīng)力和板頂最大豎向位移的影響并不顯著。

（3）提高土基的彈性模量，降低面層材料的彈性模量，有利于減小板底拉應(yīng)力。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 朱生盛，男，（1984-）。