基于有限元分析的水泥混凝土面板脱空的验证模型

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1、◎基于有限元分析的水泥混凝土面板脱空的验证模型汪翔，李野，吴文彪(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室；连云港市市政绿化养护管理中心)摘要：板底脱空是水泥混凝土路面的常见病害之一，但进行有效的评定相对困难。提出采用有限元分析软件ANSYS10．0建立评价水泥混凝土面板脱空的计算验证模型，并结合FWD弯沉实测数据与模型计算出的弯沉值的关系，来判定某处是否发生了脱空。最后结合黑龙江某高速公路的实测数据，验证了该模型的正确性。关键词：有限元；脱空；水泥混凝土路面；验证模型0引言(如图1)单元常用于三维固体结构的模拟。此单元板底脱空是水泥混凝

2、土路面的常见病害之一。路具有8个节点，每个节点具有三个自由度，可以在X、面板下出现了脱空，在荷载的作用下，脱空部位的边缘y和Z三个方向上移动。SOLID45单元可以用来分会产生应力集中现象。由于早期出现的脱空病害不能析塑性、蠕变、应力强度、大变形与大应变等问题。从路表得到及时的发现，且路面在使用过程中脱空会本文采用该单元模拟水泥混凝土路面板块。运用过逐步发展，再加上重车交通的荷载重复作用，最终导致程中SOLID45单元不需要额外设置参数，只需把混路面板的断裂，影响路面的行车状况。因此，判断路面凝土板的弹性模量E和泊松比同时赋予混凝土板板

3、下是否存在脱空显得尤为重要。但根据目前国内外即可。的分析研究表明，要准确有效地进行水泥混凝土路面板下脱空状况的评定是很困难的。本文应用ANSYS分析软件，依据实际需要判定的路面结构参数，建立路面及地基支撑模型。以板角为例，假定在板角或板中存在一定面积的脱空，施加的荷载与FWD实测时相同，之后在ANSYS分析软件的后处理中查看检测点的弯沉值；如果FWD的现场实测的中心处弯沉值超过或等于软件计算出的弯沉值，可以初步断定FWD的实测路面板区域下方图1混凝土SOLID45单元模型存在与假定形状面积相当的脱空，或者存在大于假定脱空面积的脱空。经工

4、程实例验证，利用该方法(2)弹簧一阻尼单元COMBIN14。本文采用温能够快速评价水泥混凝土路面是否存在板下脱空，克勒地基模型，在ANSYS建模过程中使用弹簧基并评估脱空的面积。础，类型为COMBIN14弹簧一阻尼单元(如图2)，可应用于模拟一维、二维或三维空间在纵向或扭转的1ANSYS脱空验证模型的建立弹簧一阻尼效果。该单元承受单向受拉或受压，每本研究数值分析采用有限元分析软件ANSYS个节点可具有X、y和z位移方向的自由度，不考虑10．0。现将建模过程介绍如下。弯曲及扭转。用COMBIN14不需设置单元参数中的1．1单元类型的选择阻

5、尼系数，只须设置一下弹性系数即可。本文采用(1)混凝土SOLID45单元。ANSYS的SOLID45此单元的特性来模拟温克勒地基模型的基础。收稿日期：2011-03—11No．22011土姥13◎s一⋯一sZ图4地基弹簧支撑图图2弹簧一阻尼单元COMBIN14模型(3)接触方式。除脱空位置外，水泥混凝路板1．2验证模型的建立底与路基基础的其他位置均采川完接触。本研究利用有限元分析软件ANSYS10．0创建(4)模型脱空处理方法。可以将脱卒位置处模拟验证分析模型。验证模型主要包含：混凝土路面板和Winkier地基的)MBIN14单_兀的弹

6、性系数没为0，路基基础。或建完模型后将假设脱空位置处的L’()MBINl4弹簧(1)混凝土路面板。混凝土路面板采用SOLID45单元删除。以上两种方法均可以将地基支撑为单元进行单元划分。为了增加计算精度，长、宽方向将0，从而达到模拟脱空的效果。每个单元的尺寸定位为0．05m，厚度方向划分为层。采取一边完全约束、三边自由的约束方式。2工程实例(2)路基基础。本文采用温克勒地基基础模拟，并本文采用黑龙江省工程质量道桥检测中心于采用C()MBIN14建立winkler基础弹簧。COMBIN142007年9月26日对黑龙汀省某高速公路水泥混凝土

7、弹簧单元的两端需要有节点连接，一个连接在水泥混路面的FWD弯沉检测的实际数据进行分析。凝土板的节点上，另一个的边界条件为全约束。有限2．1路面结构层材料参数元的计算中，土基只能取有限尺寸。为确定半无限体根据这条高速公路的实际设汁数据，结合现场取厚度取值问题，可以选用不同深度的均值体有限元解芯，并考虑模拟实际的路面结构。路血结构层的材料和理论计算结果进行比较。结果发现，对于静态问题，参数采用如下数据：当厚度取值大于6m，两者的挠度接近；对于FWD的混凝土板：E===30000MPa。一0．15；路面板度：冲击荷载，沿深度扩展到12m基本可

8、满足计算要求。H一0．24m，长度：j一5．0m，宽度：W一4．5ITI；地丛反因此。静态问题厚度取值应大于6m。考虑到FWD为应模量：K一500MPa／m；衙载：I一50kN。茼载作川、动态测试弯沉，本模