隔离式双层水泥混凝土道面板的温度应力

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1、隔离式双层水泥混凝土道面板的温度应力　　通过ANSYS软件分析隔离式双层水泥混凝土道面板的温度应力，以加铺层的厚度、弹性模量为控制变量进行分析，为道面加厚补强工程提出理论参考。　　水泥混凝土道面板内不同深度处的温度，随气温的变化而变化，这种变化使混凝土板出现变形的趋势，如果变形受到约束，将会产生温度应力。由于混凝土板、基层和土基的导热性能较差，当温度变化较快时，使板顶面和底面产生温度差，这种温差致使道面板白天隆起，夜晚下凹的现象称为温度翘曲，温度翘曲变形如果受到约束将导致道面板产生应力，称为温度翘曲应力。温度应力是促使混凝土道面板破坏的直接原因之一，因而研究隔离式双层

2、刚性道面的温度应力具有重要的工程意义。本文通过ANSYS软件对隔离式双层刚性道面板进行温度应力分析。　　　　1道面温度场分析　　道面温度的周期限性起伏，同大气温度的变化几乎是同步的，由于部分太阳辐射热被道面所吸收，所以道面的温度较气温高。道面板内温度沿深度一般呈曲线分布；顶面和底面的温度差，在一天内经历了由负到正再到负的循环变化。其周期与气温变化的周期几乎同步。水泥混凝土板内温度状况的不断变化，会使板发生位移和变形，板温一天或一年内的变化，也会产生一定的板长变化；板截面上温度的不均匀分布，则会使板产生翘曲变形。当板长变化或翘曲变形受阻时，板内便产生伸缩应力和翘曲应力。

3、　　　　2有限元模型的建立　　在用ANSYS计算道面结构温度应力的热分析时，隔离层采用shell57单元，其它部分采用solid70单元进行分析。热单元中每个结点上都只有一个温度自由度，首先要将热单元转换成相对应的结构单元，才可以进行热-应力耦合计算。在水泥混凝土道面结构中，基层及土基的温度梯度很小，在此忽略不计。假设道面各结构层为各向同线性弹性体，弹性模量、泊松比随温度变化而变化，但在一般情况下这种变化值很小，因此视道面各结构层材料参数为常数。　　结构层比热导热系数线膨胀系数　　水泥混凝土加铺层9001　　隔离层12002　　旧水泥混凝土道面9001　　基层8001

4、　　土基7001　　为了将问题简化，分析中作了以下几点假定：各层材料均匀、完全弹性且各向同性；层间接触良好，温度函数满足连续条件；温度只沿道面厚度方向变化，等深度下道面内部任一位置温度值相同；温度变化范围内，各结构层材料热学性能参数保持恒定。　　　　3道面结构参数变化对道面温度应力的影响分析　　为了研究各因素对道面温度应力的影响作用，分别选取加铺层厚度和材料弹模作为计算变量来逐一进行分析。　　加铺层厚度变化对道面温度应力的影响　　为分析水泥混凝土加铺层厚度对道面温度应力的影响作用，建模时水泥混凝土加铺层和旧道面板材料弹模保持36GPa和300GPa不变，旧道面板厚度为

5、，加铺层厚度分别取：、、、、、、、。　　由图2可知，当加铺层厚度一定时，加铺层板底温度翘曲应力要明显大于旧道面板板底温度翘曲应力；加铺层的最大竖向位移最大，隔离层和旧道面板的最大竖向位移基本相同。　　加铺层厚度对道面温度应力的影响很大，随着加铺层厚度的增加，加铺层板底温度翘曲应力逐渐增大，增大趋势由快到慢逐渐平缓；旧道面板板底温度翘曲应力逐渐减小，减小趋势由快到慢逐渐平缓。加铺层厚度由增加到，加铺层板底温度翘曲应力增加15%；旧道面板板底温度翘曲应力减少65%。　　加铺层厚度由增加到，加铺层、隔离层和旧道面板的最大竖向位移逐渐增大，增大趋势由慢到快逐渐加大，分别增大3

6、2%、%、%；加铺层X方向最大位移基本上无变化，旧道面板X方向最大位移基本上呈线性减小，减少39%。　　加铺层弹模变化对道面温度应力的影响　　为分析加铺层水泥混凝土弹模对道面温度应力的影响作用，建模时水泥混凝土加铺层和旧道面板厚度保持和不变，旧道面板材料弹模为30GPa，加铺层水泥混凝土弹模分别取：30、33、36、39、42GPa。　　　　由图2可知，当加铺层水泥混凝土弹模一定时，加铺层板底温度翘曲应力要明显大于旧道面板板底温度翘曲应力；加铺层的最大竖向位移最大，隔离层和旧道面板的最大竖向位移基本相同。　　加铺层水泥混凝土弹模对道面温度应力影响很大，随着加铺层水泥混

7、凝土弹模的增加，加铺层板底温度翘曲应力基本上呈线性增大；旧道面板板底温度翘曲应力基本上呈线性减小。加铺层水泥混凝土弹模由30GPa增加到42GPa，加铺层板底温度翘曲应力增大35%；旧道面板板底温度翘曲应力减少9%。　　加铺层水泥混凝土弹模由30GPa增加到42GPa，加铺层、隔离层和旧道面板的最大竖向位移基本上呈线性增大，且幅度一致，均增大11%；加铺层和旧道面板X方向最大位移基本上无变化。　　　　结语　　利用ANSYS有限元软件建立道面结构的有限元模型，并进行道面结构热应力分析。　　分析了加铺层厚度及弹性模量对道面温度应力的影响作用。当道面各参数