水泥混凝土路面胀缝破坏的温度-荷载耦合分析研究.pdf

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1、器道路与交通工程Road&TrafficEngineering水泥混凝土路面胀缝破坏的温度一荷载耦合分析研究蒋国俊，杨建明，易灵芝，肖逸(南华大学城市建设学院，湖南衡阳421001)摘要：采用有限元法对文献《水泥混凝土道路伸缩缝的探讨》所提供的工况进行建模，分析水泥混凝土路面胀缝在不同温度和车辆荷载下的应力变化．得到温度对胀缝破坏影响较小，而车辆超载对胀缝破坏影响较大，以及车辆荷载作用下模拟结果和真实破坏相吻合的各部分的应力分布情况。分析结果补充了胀缝的破坏机理，从而为进一步深入研究胀缝的设置问题创造了条件

2、。关键词：水泥混凝土路面；胀缝；温度一荷载耦合分析；破坏机理中图分类号：U416．216文献标志码：B文章编号：1009—7767(2014)02—0022—04AnalysisofTemperature-loadCouplingforExpansionJointDestructionofCementConcretePavementJiangGuojun，YangJianming，YiLingzhi，XiaoYi水泥混凝土路面是诸多被广泛使用的路面形式之一，有着强度高，稳定性好，使用寿命长，耐磨性好等优点。

3、在水泥混凝土道路工程中，路面胀缝上部易破损问题是道路工作者研究和探讨的课题之一。水泥路面胀缝的设置将直接影响水泥混凝土道路的使用寿命以及行车的安全和舒适度。北京市1960年前后施工的水泥混凝土道路在设计年限内出现了不同程度的混凝土缝边缘破坏情况，而出现道路胀缝破坏的约占90％[1】。缝边缘的破坏导致了胀缝上部开口的扩大，进一步加大了行车的颠簸。文献[1]指出．气温变化时混凝土板会因沥青填料的老化导致膨胀受约束而发生破坏。笔者将通过有限元分析方法，对温度、车辆荷载作用下的水泥路面胀缝进行有限元分析，结合现实破

4、坏情况，分析得出水泥混凝土路面胀缝的真实破坏机理。1分析的基本原理1．1温度场分析1．1．1导热微分方程现行投入使用的水泥混凝土道路，其水泥混凝土板中的混凝土早已过了凝固期，水化热量很少且已散发殆尽，可以认为其本身无内热源，热空气向水泥混凝土传热主要通过对流和辐射，而板内部以导热方式传递热量。对于无内热源的水泥混凝土板，其二维热传导22瘩荭技木2014No．2(Mar．)V01．32方程可以表示为：pc警=叫鲁+雾]。㈩式中：P为质量密度，kg／m3；c为比热，kJ／(kg·℃)；T为温度，℃；t为时间，h

5、；九为导热系数，W／(m·℃)。1．1．2初始条件与边界条件水泥混凝土路面正常工作时，路面下层与土路基保持良好接触，路面下层一般都与土路基保持着相同的温度状态，假设环境升温前，整个构件截面均匀，且等于土路基温度，则初始条件可以表示为：T(x，Y，t=0)=To。(2)当气温升高至一定温度时，水泥混凝土板块受热面与土路基温度之间通过热辐射和对流传热，受热面温度已知，属于第三类边界条件：一九罢{=d1(r—Tf)+eo-[(T+273)4一(乃+273)4]。(3)式中：O／。为对流传热系数，取25W／(m2·

6、K)；乃为受热面温度，oC；占为综合辐射系数，取0．5；盯为Stefan—bohzmann常数，其数值为5．6x10-8W，(m2·K)。1．2热力学性能分析笔者在ABAQUS中采用相继耦合的热一应力分析对水泥混凝土胀缝的热力学性能进行研究。在进行环境温度场下混凝土板应力分析时，将调用温度场分析模型的各节点的温度，并进行热一应力计算。1．3温度一荷载性能分析完成相继耦合的热一应力分析后，在水泥路面胀缝处添加车辆荷载效应，进行温度一荷载性能分析。分别完成温度、车辆荷载变化对胀缝影响的分析。2有限元模型的建立2

7、．1问题的提出文献[1]中所提供的工况为北京市1960年前后施工的水泥混凝土道路，路面均宽151TI，分4块版。每一块混凝土板尺寸为3．5mx6ITI，路面横坡1．5％，两侧为混凝土平牙。其间不设拉杆。道路结构为16～28cm级配砂石基础，其上是5～10cm粗砂垫层，22cmC28混凝土路面。道路胀缝宽20mm，缝上部30mm为沥青填料，下部为木缝板。文中提到已破坏的道路胀缝内尚能找到残留的老化变质的沥青块，断面为三角形，长1～4cm不等，沥青内含70％的砂、砾石，非常坚硬。根据北京气象台发布的历年北京市夏

8、季气温消息，北京市夏季平均气温在35℃左右，最高温度甚至达到42．6℃(1942年6月15日)。2．2考虑温度作用的有限元建模对长6000mlTl，宽3500mill，厚220mill的水泥路面板块建立有限元计算模型时，由于道路的特殊性，故只需对道路的局部纵断面建立二维平面模型进行模拟(见图1)。图1道路水泥板块胀缝计算模型(mill)水泥混凝土采用4节点二维平面热分析DC2D4单元。并对模型采用在长度、厚度方向