脱空状态下水泥混凝土路面汽车荷载下动态力学指标响应分析.pdf

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1、中外公路第32卷第1期982012年2月文章编号：1671-2579(2012)01—0098一O3脱空状态下水泥混凝土路面汽车荷载下动态力学指标响应分析阳宏毅(长沙理工大学交通科学研究院，湖南长沙410076)摘要：通过采用有限元动力分析软件ANSYS／LS—DYNA建模，计算水泥混凝土路面在脱空因素影响下的应力和挠度状态，并分析路面在动态荷载作用下弯拉应力和挠度随时间变化的历程曲线，分析弯拉应力和弯沉的动态力学响应，为水泥路面动态疲劳分析提供参考。关键词：水泥混凝土路面；脱空；有限元方法；ANSYS／LS—DYNA软件水泥路面在汽车荷载作用下的受力

2、状况是一种瞬水泥混凝土路面板的尺寸按4m×5m计算，基本荷态作用过程，即在较短的时间内承受波形变化的荷载，载采用标准单轴双轮组，标准轴载为100kN，轮压为其应力和挠度状况与静态有较大的差异，尤其对于脱0．7MPa，轮压形状采用正方形，长宽均为18．9cm，两空状态下的水泥混凝土路面，其动态应力、挠度因为承轮间距为32cm，轴宽为182cm。各结构层基本厚度、载状态的不同而产生较大的变化。笔者以ANSYs／模量及泊松比取值如表1所示。LS-DYNA显式动力仿真软件为依据，分析脱空状态表1水泥路面结构层基本力学计算参数下的水泥混凝土路面板动态响应。1动态

3、响应有限元分析的基本理论根据Hamiton原理，路面结构动力学有限元基本方程为：EM]·{u}+[C]·{}+[K]·{)={F(￡)}(1)式中．[M]为路面质量矩阵．[C]为路面阻尼矩阵；[K]为路面刚度矩阵；{F()}为外力等效移置到节点的等2．2荷载与时间的关系曲线效节点力列阵；{“)、{}、()分别为节点位移、速度和车辆动荷载的确定比较复杂，可采用高精度的光加速度向量。纤光栅(1000Hz以上)应力应变传感器进行测量。求解阻尼矩阵时，常采用瑞利阻尼假设：C=aM+为便于研究，车辆荷载采用三角形波加载，其表达flK。其中a、为阻尼系数，一般采用

4、经验公式确定。式如式(2)及图1所示：在ANSYS软件分析中，瞬态动力学计算通常可采用完全法、缩减法和模态叠加法。f+2路面结构分析模型、基本参数及脱空1什

5、．5m，脱空深度为2era(图2)。利用该模型计算最大弯拉应力、挠度的位置。在该文假定的脱空状态下，得知在脱空区域纵向靠近边缘板顶处弯拉应力最大，达到1．063MPa，与非脱空板相比，水泥混凝土板的最大弯拉应力点已转移到脱空区域，且其值大大增加。弯沉图I三角形波加载则是脱空板角处挠度最大，挠度值达到0．673mm。2．3脱空范围的分析确定混凝土板长板底脱空的范围和程度通过路用雷达结合钻芯法确定。对雷达检测的脱空区域进行钻芯检测，与雷达的检测结果进行比较，并对雷达的检测结果进行修正。根据雷达检测和钻芯的结果，较常见的板角脱空范围为与板角断裂形状相似的三角

6、形，板角处的脱空深度锥形脱空为5～40mm。在计算过程中可将脱空区域近似地简化成一个三角形锥体。3模型的设置及计算结果分析图2板底脱空混凝土路面模型及脱空形状示意图(单位：mm)3．I计算模型简介考虑脱空的尺寸，脱空深度等影响因素作用下的该分析建立三维模型，采用弹性半空间地基，为便应力和挠度变化如表2、3所示。于动态分析，采用ANSYS／LS—DYNA进行动力分表2脱空尺寸及脱空深度对弯拉应力的响应析，土基、基层和面层均选用动态单元Solid164。脱空脱空不同脱空深度(em)T的弯拉应力／MPa的位置为基层，首先建立一个完整基层矩形体，然后建尺寸／c

7、m0．5i1．52立一个与脱空区域对应的三角形锥体，通过基层体减去脱空区域锥形体形成一个具有脱空区域的基层(ANSYS中对应的布尔操作命令为“VSBV”)，模拟混凝土板底脱空状态。在动态分析中要考虑结构层的密度，才能形成质量矩阵。表3脱空尺寸及脱空深度对板角最大挠度的响应3．2计算过程简介脱空不同脱空深度(cm)T的板角最大挠度／ram利用建立的ANSYS有限元模型计算静态荷载作尺寸／m0．51．0i．52．0用下板底脱空状态下的最大应力和挠度，找出最大应力和挠度应变的位置，分析脱空深度和脱空范围对最大弯拉应力和挠度的影响，然后利用ANSYS／LS—D

8、YNA计算最大应力和挠度位置在荷载变化状态下的应力及挠度变化。3．3静态作用下最大应力和挠度点