刚性路面中的应力构成及影响因素分析

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1、刚性路面中的应力构成及影响因素分析摘要：刚性路面中的应力构成主要可分为两方面：荷载应力和温度应力。影响荷载应力主要因素有：（1）使用年限内各级轴载在设计车道内的累计重复作用；（2）荷载作用在混凝土板的位置；（3）接缝传荷能力。混凝土板内便产生胀缩应力或翘曲应力，统称为温度应力。关键词：累计重复作用荷载作用位置传荷能力胀缩应力翘曲应力1.引言刚性路面在经受行车荷载重复作用的同时，还经受周围气温周期性变化的影响。也即，混凝土面层的损坏不仅荷载重复作用的结果，还是周期性变化的温度应力重复作用的结果。因此，刚性路面中的应力构成主要可分为两方面：荷载应力和温度应力。2.荷载应力及其影响因素分析荷载在

2、混凝土面层内产生的应力，称为荷载应力，可采用弹性半无限地基上弹性薄板的力学模型和有限元法进行分析。影响荷载应力主要因素有：（1）使用年限内各级轴载在设计车道内的累计重复作用；（2）荷载作用在混凝土板的位置；（3）接缝传荷能力。2.1使用年限内各级轴载在设计车道上的累计重复作用分析各级轴载的重复作用次数按等效疲劳断裂的原则换算为某一标准轴载的作用次数，而后计算此标准轴载的累计疲劳损坏作用。利用有限元法分析得到的应力数值回归而成的应力公式：σp=A·lomP/h2式中：P——轴载（单轴重或双轴总重）（KN）h——面层板厚度（cm）lo——相对刚度半径（cm）A、m和n——回归系数然后可推演出轴

3、载等效公式：Ns＝α（Pi/Ps）16·Ni式中：Ps和Ns——标准轴载（单轴）和作用次数；Pi和Ni——换算轴载和作用次数；α——换算系数，换算轴载为单轴时，α＝1；换算轴载为双轴时，可近似取为α＝1.46×10-5P-0.3767再利用标准轴载累计作用次数公式:N=[(1+γ)t-1]×365·N1/γ式中：N1——初始年标准轴载的平均日作用次数；t——设计年限；γ——设计年限内交通量年平均增长率（以小数表示）。并考虑轮迹横向分布的影响（见表1），便可确定设计年限内设计车道上标准轴载的累计作用。车轮轮迹横向分布系数表1交通组织纵缝边缘处高速、一级公路0.17～0.22二级、三级公路行车

4、道宽>7m≦7m0.34～0.390.54～0.621.1荷载作用在混凝土板位置分析1926年Westergaard提出了对应于三个临界荷载作用位置的应力计算公式。三个临界荷载作用位置是：板中荷载、板边荷载和板角荷载。公式中假设柏松比=0.15。三个荷载应力公式分别为：荷载作用板中时(板底拉应力)：荷载作用板边时(板底拉应力)：荷载作用板角时(板顶拉应力)：式中：σi,σe,σc=对应于板中、板边、板角荷载时的最大应力（psi）；W=车轮荷载(lbs.)；h=板的厚度(in)；a=车轮荷载的接地半径(in)；l=路面板的相对刚度半径(in)；b=断面阻力半径(in)=(1.6a2+h2)1

5、/2-0.675(h)；从上面三个公式可以看出，三个公式中都含有板厚的平方项（h2）。这说明在降低板的应力水平方面，板厚是非常敏感的因素。1.2接缝传荷能力分析混凝土路面的纵向和横向具有一定的传荷能力。混凝土路面接缝的荷载传递机构可分为三种类型：（1）集料嵌锁——依靠接缝处断裂面上集料的齿合作用传递剪力，就如不设传力杆的横向缩缝；（2）传力杆——依靠埋设在接缝处的传力杆传递剪力、弯矩和扭矩，如设传力杆胀缝和施工缝等；（1）传力杆和集料嵌锁——上述两种类型的综合。通常采用挠度表示的传荷系数评定接缝的传荷能力，而通过结构分析建立挠度传荷系数同应力传荷系数的对应关系，进而评定接缝传荷能力对路面板

6、应力的影响。1.温度应力及其影响因素分析水泥混凝土板内不同深处的温度，随气温的变化而变化。这种变化使混凝土板出现膨胀和收缩变形的趋势。当变形受阻时，板内便产生胀缩应力或翘曲应力，统称为温度应力。1.1胀缩应力分析当气温缓慢变化时，板内温度均匀升降，则面板沿断面的深度均匀胀缩。设x为板的纵轴，y为板的横轴。如有一块平面尺寸很大的板，在温差影响下板内任一点的应变为：εx＝E－1（σx－μσy）+αΔtεy＝E－1（σy－μσx）+αΔt式中：εx、εy——板纵向和横向应变；σx、σy——板纵向和横向温度应力（MPa）；α——水泥混凝土的线膨胀系数，约为1×10－5；Δt——板温差（℃）。由于板

7、与基层之间的摩阻约束，在温度升降时板中部不能移动，即εx＝εy＝0，代入上式，解得面板胀缩完全受阻时所产生的应力为：σx＝σy＝－EαΔt/（1-μ）对于板边缘中部或窄长板，则εx＝0，σy＝0，则有：σx＝－EαΔt为了减少收缩应力，在混凝土板内设置各种接缝，板被划分为有限尺寸的板块。这时板的自由收缩受到板与基础的摩阻力所约束，此摩阻力随板的自重而变。变形受阻而产生的板内最大应力出现在板长的中央，其值为：σt＝γ·f·