基于薄板单元的水泥混凝土路面荷载应力分析

将刚性、半刚性基层上水泥混凝土路面结构简化为弹性地基上不等平面尺寸双层结构模型,在轴(轮)载作用下,采用薄板单元,讨论了模型网格划分和计算精度的关系.研究了移动轴载作用下路面结构最大荷载应力大小和位置的变化规律.分析了基层超宽对面层和基层自身最大荷载应力的影响,基层超宽降低了面层的荷载应力,幅度为0～33%;但基层自身荷载应力明显增大.比较了采用薄板单元及实体单元时面层和基层最大荷载应力的差异,当面、基层厚度增大时,采用薄板单元得到的面层荷载应力偏大0～20%;而基层荷载应力偏小2%～30%.给出了标准轴载作用于纵边中部荷位的荷载应力修正系数.     

考虑基层超宽的水泥混凝土路面荷载应力计算

依据Winkler地基不等尺寸双层板模型,采用有限元法,考虑基层超宽,分析了水泥混凝土路面面层和基层结构荷位临界点的位置;给出了不同轴载作用下,面层和基层结构荷位临界点的荷载应力计算式,研究发现随着基层超宽,纵缝中部面层荷载应力降幅在0~38%,横缝下基层荷载应力降幅为0~42%,纵缝中部下方基层荷载应力在垂向上由0逐渐增大,在平行方向上先增大后下降.此外,提出了当量轴重系数的概念,探讨了面层和基层多轴车当量轴重系数的变化规律.     

考虑层间粘结的水泥路面荷载应力数值模拟

为分析轴载和层间粘结程度对水泥路面荷载应力的影响,在基层和面层之间设置了反映层间粘结程度的接触单元,进而建立了车辆荷载作用下的水泥混凝土路面三维数值模型。利用模型分析了:1)标准轴载下层间粘结状态对水泥路面面层和基层应力的影响;2)轴载对水泥路面荷载应力的影响。结果表明:1)随着层间粘结程度增加,水泥路面板底拉应力减小,基层底拉应力增加,但基层底拉应力不大;2)随着轴载增加,水泥路面板底拉应力增加。随着粘结程度增加,板底拉应力增长速率越来越低;3)在超载条件下,综合考虑荷载应力和温度应力,层间完全粘结更有利于水泥混凝土路面板承载。     

连续配筋水泥混凝土路面的临界荷位

以三板系统模拟连续配筋水泥混凝土路面,计算获得了连续配筋路面的临界荷位.引入接缝混凝土板的传力杆设计理念,确定了连续配筋路面横向裂缝处钢筋的传荷刚度计算公式.同时,以有限元方法建立了CRCP横向裂缝处混凝土的传荷刚度计算公式.裂缝处传荷刚度的确定,为模拟CRCP荷载应力计算提供了关键参数.有限元数值计算表明：三板系统中,当边板长度大于4 m时,边界条件将不对应力计算产生影响.对于双车道路面,计算所得的板宽向最大应力位于左车道外侧车轮板底的轮迹中心处,此时的路面荷位为标准轴载位于路面右边边缘且靠近裂缝边缘,推荐此荷位作为路面承载力检验的核算位置.     

压浆处治对旧水泥混凝土路面板力学响应影响的数值模拟

为进行压浆处治后水泥混凝土面板力学响应分析,使用三维有限元软件建立板底压浆处治模型,根据数据绘制应力和挠度与其相关影响因素的变化关系图,系统分析了压浆尺寸、压浆厚度和压浆模量三个压浆参数,以及面层厚度、基层厚度、基层模量和荷载大小四个结构参数对压浆处治路面板力学行为的影响。结果表明:当压浆厚度和压浆尺寸较小时,对水泥混凝土面板力学行为影响较大且占主导地位的是压浆尺寸;当荷载从100 kN增加到180 kN时,水泥混凝土路面板的应力增幅在80%以上,说明荷载大小的变化对水泥混凝土路面板影响显著;在压浆处治过程中,当压浆模量大于基层模量时,其处治效果较好,但当压浆模量逐渐达到1 000 MPa,压浆处治效果作用缓慢,材料性能得不到充分利用。     

重载与轴温耦合对混凝土路面传力杆装置应力集中状态的影响

水泥混凝土路面缩缝传力杆装置在重载交通环境及大温差地区轴温耦合条件下易发生传荷失效现象。针对典型重载车辆轴载条件与大温差地区混凝土路面板内的温度梯度情况,通过模型分析法,研究了车辆轴载及轴温耦合条件下传力杆周边混凝土材料内的应力分布状态。提出了缓解荷载传递过程中传力杆与混凝土材料高接触应力水平的方法。研究发现:车辆轮胎与路面接触位置下方传力杆附近的应力集中区域是荷载传递过程中缩缝结构的最不利位置。严重超载车辆通过缩缝结构时,传力杆周边区域内的应力水平接近混凝土材料的承载极限。水泥混凝土路面板的正温梯度翘曲变形可与车辆的荷载应力相叠加,造成传力杆与混凝土在接触面附近产生较大的接触应力。增加传力杆直径,提高混凝土的承载面积,可显著缓解混凝土内的应力集中状态,有助于提高缩缝两侧混凝土路面板边的抗裂性能。     

刚性路面柔性联接层有限元分析

基于中国半刚性基层水泥混凝土路面的使用经验,通过增加柔性联接层对现有路面结构进行改良,从而改善半刚性基层水泥混凝土路面的受力状态.利用有限元方法,建立加铺柔性联接层的水泥混凝土路面结构的3D有限元模型,对不同联接层材料模量和厚度情况下的路面各结构层进行力学分析.研究结果表明:半刚性基层自身变形随联接层厚度增加而递减,面层变形基本不受影响;水泥混凝土面板板底最大拉应力随联接层模量的增大逐渐减小,而半刚性基层和联接层层底拉应力逐渐增加;以上各结构层的变形能力和力学性能随联接层厚度和模量变化而变化的规律,为确定联接层合理的层厚和材料参数提供了一定的理论基础.     

港口道路堆场水泥混凝土铺面荷载应力计算

针对港口道路、堆场水泥混凝土铺面结构的荷载应力计算问题,将其上作用的流动机械荷载、集装箱荷载简化为单轮(单箱脚)荷载、单轴(单列箱)荷载和多轴(多列箱)荷载等图式,采用不等平面尺寸双层板力学模型,提出了港口道路、堆场水泥混凝土铺面面板和基层荷载应力计算的一般式,分析了旁侧轮、旁侧轴、单列及多列箱、板平面尺寸、基层超宽以及接缝传荷等因素对面板和基层荷载应力的影响规律,比较了有限元结果和公式荷载应力的一致性和精度,结果可用于港口道路、堆场水泥混凝土铺面结构荷载应力估算.     

沥青路面结构的最大剪应力

为了减缓重载、高胎压和高速度等重交通条件所引起轮载下强大的剪应力,解决渠化交通下沥青混凝土路面的车辙问题,分析了路面实际剪应力力学,采用有限元方法建立模型,对沥青混合料抗剪切强度进行计算,对不同温度、不同层间接触情况和不同荷载情况下半刚性基层沥青混凝土面层内最大剪应力进行了分析,得出了不同温度、不同荷载条件下最大剪切应力的大小和位置。结果表明:当路面结构中层间接触条件为完全连续状态、较小水平荷载和垂直荷载、较低的温度条件下,沥青路面结构不易遭受剪切破坏。     

考虑摩擦系数的沥青路面动态轴载换算

为研究复杂工况下的动态轴载换算,分析了车辆移动荷载作用下沥青路面的动力响应,对数值计算的有效性和车辆行驶特性的影响进行了研究,并提出了动态轴载换算公式.基于二维Lamb问题验证了数值计算的有效性,并建立刚性基层沥青路面的三维动力学数值模型,分析不同车速、路面摩擦系数和轴载等因素的影响.当荷载匀速移动时,轴载和路面摩擦系数对路面动力响应的影响明显,考虑摩擦系数的动态轴载换算指数明显大于静态荷载.结合车辆和路面多种影响因素的三维有限元计算模型更符合沥青路面结构的实际受力状态,动态轴载换算公式可用来改进当前的规范设计.     

机场水泥混凝土道面脱空判定及影响

根据现场实测弯沉数据和理论计算结果,提出了适用于机场水泥混凝土道面的基于HWD(High WeightDeflector)弯沉测试的脱空判定标准.采用三维有限元软件ABAQUS,分析了不同脱空状态对道面荷载应力的影响,并给出了不同脱空程度对道面使用寿命影响的算例.研究表明,水泥混凝土道面板边脱空判定标准为"板边弯沉/板中弯沉>1.8";板角脱空判定标准为"板角弯沉/板中弯沉>3.0";道面脱空严重时,道面板的荷载应力增幅超过250%,道面使用寿命下降迅速;在脱空发展初期时,脱空面积的影响并不显著,随着脱空区域基层反应模量下降,脱空面积影响的显著性迅速增大.     

参数变化对沥青加铺层结构应力的影响分析

交通荷载及温度变化是引起旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝的两大因素.交通荷载主要引起加铺层剪切型反射裂缝,温度变化主要引起加铺层张开型反射裂缝.采用三维有限元方法分析了轴载、温度变化幅度及加铺层模量、厚度等参数变化对旧水泥混凝土路面沥青加铺层的荷载应力、温度应力及耦合应力的影响程度,为沥青加铺层的设计方法提供了依据.     

路面结构极限承载能力分析

针对某公路路面的早期损坏,进行了超载车辆的轴重及其轮胎接地面积和压力的调查.基于实际轴载的作用图式,分别应用弹性层状体系理论和弹性薄板理论有限元法分析了重荷载作用下,该公路沥青路面和水泥混凝土路面结构的力学响应.按照起决定作用的各结构层材料抗拉强度确定两种路面结构类型的极限承载能力,初步建立了分析路面结构极限承载能力的方法.分析结果表明,沥青路面早期损坏的根本原因是过大轴载对路面结构的一次性加载破坏,而不是轴载重复作用的疲劳破坏,按现行规范设计确定的水泥混凝土路面结构的极限承载能力明显高于沥青路面结构的极限承载能力.     

脱空对机场水泥混凝土道面荷载应力的影响

提出了通过建立ABAQUS三维有限元模型,将计算弯沉盆与实测弯沉盆对比,得到较为精确的计算脱空参数的方法,并计算了机场水泥混凝土道面板底不同脱空程度对道面板荷载应力的影响.计算结果表明:有限元软件计算道面弯沉中,以静载代替脉冲荷载对计算结果影响很小;脱空区域基础与面层并非完全脱离,其反应模量较原值有一定折减;在严重脱空区域,道面荷载应力较未脱空时可增大80%.     

水泥砼路面基层刚度反演分析的EBP方法

利用人工神经网络方法，对水泥砼路面基层刚度的计算进行了研究。采用有限元模态分析技术，对弹性半无限空间体上的水泥砼路面板有、无基层刚度变化情况分别进行了模拟，得到了一系列路面板自振频率与基层平面位置的映射关系，将此作为EBP网络学习样本，为加快网络训练收敛速度，采用了学习率自适应调整策略。算例结果表明，EBP人工神经网络算法可用于确定路面板基层刚度变化与其实际位置之间的映射关系。     

旧水泥混凝土路面沥青加铺层力学分析

车辆荷载作用所引起的剪切破坏是旧混凝土路面上沥青加铺层(AC)结构产生反射裂缝的主要原因之一,采用有限元法对旧混凝土路面上AC层进行了力学分析,重点考察了车辆荷载作用下接缝处AC层的剪应力与弯沉差,分析了临界荷位及计算参数的影响规律,并给出了可用于生产设计的回归公式。