设传力杆的刚性道面板接缝力学性能研究

基于Winkler地基模型,建立考虑传力杆与混凝土接触的机场刚性道面三维有限元模型。采用单因素分析法,讨论了五种不同水平的道面板厚度、传力杆直径、间距及地基刚度各因素对接缝处水泥混凝土道面板应力、接缝传荷能力、传力杆与道面板间界面拉应力以及传力杆剪应力的影响。结果表明:同一荷载条件下,混凝土板厚由250 mm增大到450 mm,板底水平弯拉应力降低68.4%,传荷系数降低8.8%,界面拉应力降低52.4%,传力杆剪应力降低28.2%,影响显著,而传力杆间距和直径的影响次之。此外,地基刚度参数对传力杆剪应力的影响很小,可以忽略。同时,基于相似理论,设计接缝设传力杆的道面板室内模型试验,并将实测结果与数值模拟结果进行比较,结果表明两者的位移传荷效率与传力杆内力分布规律基本吻合。     

考虑机场道面结构损伤的传力杆设计修正方法

为了减少机场道面结构损伤对接缝传荷性能的影响,基于相似理论,分别对传力杆松动和板底脱空2种损伤形式下,道面板受荷性能进行了模型试验研究。同时,采用ABAQUS有限元软件建立了接缝设传力杆的机场水泥混凝土道面结构三维有限元模型,对道面结构损伤模型试验进行了模拟。进一步,针对不同尺寸的传力杆松动、板中脱空和板角脱空,采用有限元方法分析了道面板在7种水平的传力杆长度、直径和间距下的传荷性能,以及2种结构损伤形式下传力杆参数对传荷性能的敏感性。在此基础上,以接缝剪力传递系数、关键传力杆分配系数、板底弯拉应力幅值以及界面应力为控制指标,分别分析了当道面板存在传力杆松动和板底脱空损伤时,相对于未损伤工况,提高传力杆参数尺寸对上述指标增长率的改善程度,进而提出了考虑道面结构损伤的传力杆参数设计范围,并与《民用机场水泥混凝土道面设计规范》(MN/T 5004—2010)(简称规范,下同)进行比较。结果表明:位移传荷系数L_(TEδ)随脱空尺寸的增加先减小后增大,随着松动尺寸的增大逐渐降低,且2种结构损伤模型试验结果与有限元模拟规律一致;传力杆直径对松动损伤最敏感,而传力杆间距对板底脱空的敏感性最大;随着传力杆直径和间距的增加,控制指标增长率均呈现先减小后小幅增加并趋于稳定的趋势,说明当考虑道面结构损伤时,增加传力杆直径和减小其间距只能在一定范围内改善传荷性能。因此,对应不同板厚,考虑松动损伤的传力杆直径建议值为规范值的110%～130%,而考虑板底脱空损伤时传力杆间距建议值为规范最大值的70%～98%。     

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.     

脱空对刚性道面板应力分布的影响及临界脱空状态

基于层间弹簧模型提出支承状态模拟方法,构建刚性道面板数值仿真模型。考虑不同飞机荷载和接缝状态,分析脱空影响下的道面板荷载应力增幅、位置偏移及重分布规律。结果表明:层间弹簧模型可准确地模拟脱空导致的刚性道面板支承损失以及不同脱空状态;随着脱空加剧,脱空区边缘的荷载应力增大,最大荷载应力在板厚方向上的位置由板底转移至板顶;当脱空区内最大荷载应力超过健康状态(即无脱空)下临界荷位的峰值应力时,该脱空状态即为临界脱空状态。相比传统弯沉指标,临界脱空状态能够更准确地反映脱空对道面结构的影响。     

基于实测数据的机场水泥道面变温效应分析

利用上海浦东国际机场"道面状态监测系统"实测的温度、应变和弯沉,分析了水泥道面温度以及温度作用下道面翘曲变形、弯沉、接缝传荷能力的变化.结果表明,土基和基层温度日变化较小,但季节性变化较大;道面板温度沿板厚分布呈非线性,下午时段更显著;全年正、负温度梯度占比基本相同,零温度梯度集中在7:00～10:00和19:00～22:00,且全年呈周期性;此外,在横缝(假缝)和纵缝(企口缝)板边中部以及板角,温度翘曲变形呈同步周期性变化,板角处最大,纵缝(企口缝)板边中部最小,向上(下)翘曲变形的全年最大值均分布在12月～1月(7月～8月);板中最大弯沉基本保持不变,而板角和横缝(假缝)板边中部最大弯沉日变化和季节性变化显著;假缝和企口缝的传荷能力随平均温度的增大而增大,具有良好的二次曲线关系.建议在道面设计和评价中考虑温度作用的影响.     

水泥混凝土机场道面板角脱空判定分析

针对机场水泥混凝土道面板角脱空问题，把道面板划分为弹性地基上的梁，得出道面板板中及板角的弯沉公式．根据接缝的传荷性能，提出了应用板角弯沉值与板中弯沉值之比判定板角脱空的方法；通过某机场水泥混凝土道面实测弯沉数据及现场钻芯取样验证了该法的正确性；详细讨论了影响板角脱空的几个主要因素，为实际工程中板角脱空的判断及防止提出了一些有益的建议．     

水泥混凝土路面板角脱空判定指标

以ANSYS有限元计算软件为基础,利用FWD(Falling weight deflectometer)板中板角实测弯沉值,建立以板角弯沉为判定指标的板角脱空范围估算方法.对均匀支承的无限大板板角理论弯沉值修正平面尺寸效应和板间接缝传荷能力,求解理论板角弯沉值,将其与FWD实测板角弯沉值相比较以评定路面板角脱空状况;提出板角脱空指数λ,并分析λ与脱空尺寸、面板模量、面板厚度和地基反应模量的相关性,建立λ与脱空尺寸的回归关系式估算脱空尺寸.对湖南耒宜高速公路试验段板角脱空识别结果与实际钻芯结果进行对比,发现最大相对误差为6.32%,与检测结果较吻合,表明该方法具有较高的可靠性,能为水泥混凝土路面板底脱空的识别提供合理、可行的新思路和手段.     

板角断裂机理及厚型混凝土路面的应用研究

分析了水泥混凝土路面易于产生板角断裂的原因,用数值模拟方法分析了完全接触和脱空条件下板角的应力变化规律,结果表明:板角的实际工作状态与设计的状态不相符是导致其断裂破坏的主要原因;不同接触条件下,混凝土路面板角的应力变化规律不同,脱空后的板角应力呈抛物线变化,增加板厚可以显著减小脱空板角的应力。基于脱空板角应力随板厚的变化规律,铺筑了厚度达46 cm的混凝土路面,测试了厚板和薄板混凝土路面板角和临界荷位的应力,研究了厚型混凝土路面的施工工艺,分析了厚型混凝土路面的经济性。结果表明,厚板对于减小临界荷位处和板角的应力效果明显,厚型混凝土路面施工工艺简便,使用寿命长,性价比远高于沥青路面。     

水泥混凝土路面接缝传荷能力模型试验研究

为研究正常使用状态下水泥混凝土路面接缝传力杆的传荷性能影响因素及其衰减规律,进行了3组10块带接缝水泥混凝土路面板的室内疲劳试验。试件分别采用不同的传力杆直径、长度和混凝土板厚度,考虑了3种不同因素对传荷能力的影响,后续建立的ANSYS有限元模型也对试验结果进行了验证。通过分析不同工况下路面板接缝两侧的弯沉值及传荷系数表明:水泥混凝土路面板的传荷能力在最初加载的7万次过程中衰减明显,之后衰减缓慢;传力杆直径、长度及混凝土板厚度的增加,能够提高接缝的传荷效率,但十分有限。     

基于板底脱空的水泥混凝土道面结构理论分析

地基的不均匀沉降将使水泥混凝土道面处于不利受力状态,当板下产生脱空时,板在自重作用下将产生相当于恒载的附加应力,影响道面结构的疲劳寿命.针对盾构穿越机场水泥混凝土道面导致板底脱空的现象,构建了自重作用下水泥混凝土道面板底脱空的力学模型,并利用板壳力学有关理论推演了面层板的应力和挠度公式     

机场刚性道面接缝传荷能力的评价

基于ABAQUS有限元软件,按照"贡献面积"刚度分配原则,通过在相邻混凝土板侧面的对应结点设置弹簧单元,建立了考虑接缝传荷能力的机场刚性道面3维有限元分析模型.以重型落锤式弯沉仪(HWD)弯沉测试为基础,针对不同地基强度上的典型道面结构,考虑基层对接缝传荷能力的影响,应用有限元模型,分析了HWD承载板、单轴双轮起落架、双轴双轮起落架和三轴双轮起落架等荷载形式作用在接缝一侧板边中部时道面结构的板边应力和挠度,建立了HWD承载板测试得到的挠度传荷系数与接缝刚度之间的相关关系,以及与不同荷载形式作用的应力折减系数之间的相关关系,成果可用于评价机场刚性道面的接缝传荷能力,以及道面板边应力分析.     

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。     

水泥混凝土路面传力杆应力分析力学模型

应用三维有限元模型分析水泥混凝土路面中传力杆与水泥混凝土的接触状况,并基于弯曲刚度等效原则将传力杆和水泥混凝土面层系统简化为双层梁结构.计算结果表明,弹性地基上双层梁结构可很好地描述水泥混凝土路面的挠曲效应,而接缝处的双层梁相对位移、转角、以及挤压应力合力与三维有限元解的差异,只需对双层梁层间竖向反应模量进行修正即可;随后,总结归纳了相对位移、转角及挤压应力合力修正系数的回归式,讨论给出了接缝传力杆的抗剪刚度与抗弯刚度的计算式,并指出传力杆的传递弯矩的能力很小可忽略.最后,计算分析了梁端部作用集中荷载时,有基层的地基梁接缝传荷问题,指出在接缝抗剪刚度相同条件下,基层存在可使接缝两侧挠度比增大,接缝传递的剪力减小.     

重载作用下沥青路面结构动态响应敏感性分析

采用三维有限元动力分析模型,分析了重载移动作用下轴载重量、轴载速度、路面结构参数等因素变化,对沥青路面动态响应的影响.结果表明:路面动态响应随着轴重的增加呈线性显著增加;轴载速度对路面动态响应有一定的影响,路面结构动态响应随轴载速度的增加呈现先增加再降低的趋势,重载车辆以常见速度运行时,对路面结构产生的疲劳破坏影响显著大于静载产生的疲劳破坏;路面结构参数中,面层厚度对路表剪应力、路表竖向压应力影响特别显著,路基模量对路表弯沉、底基层拉应力、路基顶面压应变影响特别显著.     

冲击荷载作用下机场刚性道面动力响应与影响因素分析

机场刚性道面受飞机着陆冲击荷载的影响较大。为研究机场刚性道面在飞机着陆瞬态冲击荷载作用下的动力响应,基于主起落架单自由度振动系统,用半波正弦曲线模拟冲击荷载,采用有限元分析的方法研究了B737-800机型在粗暴着陆条件下机场道面的动力响应,并分析了道面板在不同冲击速度及不同道面结构参数下动力响应变化规律。结果表明:单自由度振动系统能很好的表征垂直速度与法向加速度的关系;道面板产生最大应力的临界荷位处于板纵缝中部;冲击荷载作用时间内道面弯沉影响深度持续增加,绝大部分由土基承担;循环冲击作用下,板底弯沉随冲击荷载作用次数的增加而增加,作用100次后增幅明显减小;板底弯沉与板底峰值应力均随垂直速度的增加而增加,相比面层模量,面层厚度对板底弯沉的影响显著,板底峰值应力随面层模量的增大而增大,但随面层厚度的增加呈先减小后增大趋势。     

荒漠地区耐久性沥青路面结构设计指标与路面结构力学分析

通过分析荒漠地区恶劣自然环境下的重荷载交通沥青路面使用状况,采用有限元分析,提出了采用路面性能指数PCI、路表面弯沉与路面车辙作为路面结构的设计指标;得出了荒漠地区耐久性沥青路面结构受力分布.结果表明:不同轴载作用下路表最大竖向变形与轴载近似成线性关系,随着轴载的增大,最大竖向变形逐渐增大;路表最大拉应力以轮轴线呈现对称分布;路面结构层内的剪应力随着深度增加而增大,在距路表5 cm处剪应力达到峰值.研究成果可为荒漠地区耐久性沥青路面选材与结构设计提供科学的理论支撑与技术指导.     

典型沥青路面动态应变响应特性及疲劳寿命分析

针对半刚性路面(S1)、倒装式路面(S2)、组合式路面(S3)开展三维有限元计算,分析其面层底动态应变的空间分布特性及车辆荷载参数对沥青路面动态应变响应的影响规律;同时,基于应变响应及沥青层疲劳预估方程,对比不同类型路面的疲劳寿命.结果表明:行车荷载在沥青路面面层层底平面所引起的拉应变主要集中在轮印作用区域,其由应变值所表征的最不利位置出现在轮印面积中心;车辆动载条件下的应变响应量小于静态荷载模式,其中,S2的动、静力差异性表现尤为显著;随着轴质量的增加,面层底动态应变逐渐增大;而随着车速的提高,应变响应量逐渐减小;随着轴质量的增加,沥青层疲劳寿命急剧减小;在行车安全的前提下,合理提高车辆行车速度有利于提高沥青路面使用寿命,3种路面的面层疲劳寿命排序为S1>S3>S2.