旧路改建复合式路面结构的三维有限元分析.doc

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1、旧路改建复合式路面结构的三维有限元分析王遐莽1仇飞剑2(1、江西省高等级公路管理局江西南昌330025)(2、西南交通大学勘察设计研究院四川成都610031)摘要：利用有限元方法来对旧水泥混凝土路面加铺计算问题进行研究是复合式路面结构的主要研究方向之一。本文通过分析受轮载作用时，不同加铺层的结构类型与加铺厚度对加铺层的内力和弯沉指标的影响，为旧路改建复合式路面结构的设计和施工提供了理论依据。关键词：复合式路面；三维；有限元分析0前言在复合式路面的研究中，有限元方法得到了广泛使用，我国广大的道路研究者在各个时期利用了各种有限元软件对加铺层问题进行了探讨。周富杰、孙立军采有三维有限

2、元(ADINA)分析方法，对反射裂缝的产生过程进行了分析；曹东伟、胡长顺采用有限元法对旧混凝土路面上AC层进行了力学分析；周志刚、张起森利用基于线弹性断裂力学的平面应变有限元方法，模拟加筋材料的薄膜单元和模拟结构层层间结合状态的界面单元，对土工加筋材料阻止沥青路面反射裂缝的桥联增韧效应进行分析；周德云、姚祖康采用三维空间有限元力学模型，分析了旧水泥混凝土路面上沥青加铺层产生反射裂缝的机理[1]。在旧水泥混凝土路面加铺计算问题中，路面板的计算问题可基于有限元理论来进行简化研究。同时在计算中还应该考虑到实际工程中的其他因素的影响，包括外部因素和内部因素，外部因素主要有交通荷载的作用

3、情况和环境因素，内部因素主要包括加铺结构类型、加铺层材料性能、加铺层的施工工艺、使用的防反射裂缝的措施、旧路面结构的状况和处理措施等。本文主要分析受轮载作用时，不同加铺层的结构类型与加铺厚度对加铺层的内力和弯沉指标的影响，为旧路改建刚柔复合式路面结构的设计和施工提供有益的帮助。1力学模型及材料参数为了从理论上分析旧水泥混凝土路面上沥青加铺层内应力的分布状况，力学模型采用通用的ANSYS有限元计算程序进行三维有限元分析，分析对象由沥青加铺层、夹层、带有接缝的旧水泥混凝土路面层和基础(基层＋土基)组成。严格的说，沥青加铺面层在力学性质上属于非线性的弹－粘－塑性体，但是考虑到行驶车轮

4、作用的瞬时性(百分之几秒)，在路面结构中产生的应力数值很小，同时，由于混凝土板与基础之间的摩阻力一般不大，在力学图式上可以将其看作是弹性地基板，因此，分析时可将整个路面加铺层结构作为弹性体，采用线性静力学的分析方法。为了反映弹性半空间体地基的特性，分析时地基采用扩大基础尺寸，如图1所示。应力分析时，对各结构层作如下假定：1、各层是连续、均匀、各向同性的线弹性体，其位移和形变是微小的；2、各层层间竖向应力和位移均连续；3、地基底面各向位移为0，地基侧面水平方向位移为0；沥青加铺层和旧水泥混凝土层在两端横截面上水平位移为0，在两侧侧面上位移自由；4、假定接缝宽度为1cm，旧水泥混凝

5、土路面在接缝处无传荷能力；5、不计路面结构自重影响。有限元模型如图1。图1　加铺层路面结构的计算模型(单位：m)路面结构各层材料的弹性模量、泊松比的取值：沥青加铺层的材料主要为沥青碎石混合料，其回弹模量的取值采用规范的推荐值，即E＝800Mpa，泊松比是根据规范中沥青混凝土的在常温下的取值为0.35，厚度先取为7cm；水泥混凝土材料根据规范中的模量范围取较小值24000MPa，泊松比为0.15；土基参考得弹性模量的取值为100MPa，泊松比为0.3，厚度取为23cm，板块尺寸为4m×5m。路面材料各层的参数见表1。表1　复合式路面材料基本参数材料沥青混凝土水泥混凝土土基弹性模量

6、/MPa80024000100泊松比0.350.150.32临界荷位及模型约束行驶车辆驶经复合路面结构的不同部位时，沥青加铺层中会产生不同的应力分布。在各种设计方法中，为了简化计算工作，通常选取一个使路面结构产生最大损坏的荷载作用位置，称之为临界荷位。文献[2]进行过沥青加铺层产生最大应力的对比分析，分析发现，对于单轴双侧四轮荷载，图2中的荷载位对加铺层的力学影响最为不利。根据文献[3]、[4]及其试验结果显示，轮胎作用于路面的形状更接近于矩形。应力分析时，采用黄河JN150标准车型，行车荷载为双轮组单轴轴载100KN，即标准轴载BZZ－100。轮胎接地压强p=0.7MPa，单

7、轮传压面当量圆直径d＝21.30cm，单轮当量圆作用范围折算为等效轮压作用范围为18.9cm×18.9cm的正方形，接地面积为357.21cm2，双轮中心距为32cm，两侧轮隙间距182cm。图2　最不利荷载位(单位:m)图3土基的约束平面考虑路面无限长，再加上道路路肩和中央分隔带的影响，土基在平面内两个方向(X，Y)的约束为铰结约束，即在X，Y方向没有相对位移，其转动不受约束，如图3所示；而沥青加铺层、水泥混凝土板在X方向的平动受到约束，转动不受约束，如图2所示。在模型的底部(也就是土基上