四楞冲击压路机破碎旧水泥混凝土路面力学机理研究

结合新型四楞冲击压路机在316国道福州段旧混凝土路面改建工程中的应用,采用三维有限元方法对冲击压实过程中旧路面结构及土基的受力、变形特征进行了研究.分析了冲击压实荷载位于路面板不同位置对板体破裂及土基受压效果的影响,探讨了冲击压实荷载在板下路基中的传递规律及作用深度等问题.研究结果可为冲击压实改建旧混凝土路面施工技术提供理论参考和指导.     

冲击碾压改建水泥混凝土路面时基层的受力特性研究

基于三维动力弹塑性有限元分析方法,对冲击压路机沿面板纵向中线及板边两种行驶路线,冲击碾压破碎旧水泥混凝土板时,路面板下基层的变形、受力及破坏特征等力学响应进行了分析.研究发现,冲击碾压施工时基层对于路基有应力扩散作用,基层整体上与路面板一起处于纵、横弯曲状态,变形特点与面板一致,不利于面板破碎.沿边线路的基层竖向变形明显大于板中线路,基层顶面水平应力基本为压应力,底部为拉应力.两种线路下基层底面均出现塑性破坏,呈底部弯拉破坏模式,表面应力变形最大值位于板角或板边缘下方.随着冲击遍数的增加,底部塑性破坏区域逐渐增大.冲击初期基层先于面板破坏,从而使面板逐渐破碎,同时路基受到更大压实功.建议在冲击能量较小和基层较刚时,先沿板边冲击破坏基层,然后逐步沿中部移动,将可获得更高的施工效率.     

基于水-热-力耦合作用的冻土区CRCP路面应力特性

为了研究多年冻土区地基融沉效应对路面结构应力状态的影响,基于水-热-力耦合作用理论,利用COMSOL有限元软件建立了冻土区连续配筋混凝土路面(CRCP)有限元模型,研究了基层与底基层材料参数、面板厚度与模量、配筋率对CRCP路面结构组合应力的影响,提出了适用于多年冻土区CRCP路面的合理结构形式.结果表明,地基融沉效应对于CRCP路面结构应力影响显著.融沉效应和车辆荷载耦合作用下,板内最大主应力随时间推移逐渐变大.板内最大主应力随面板、基层和底基层的厚度增加而减小,随各层模量的增加而增大,但配筋率的变化对其无影响.考虑融沉效应时,CRCP路面板+水泥稳定碎石+石灰土的路面结构较适宜于多年冻土区,可为多年冻土地区CRCP路面结构设计提供参考.     

复合材料路面板弹性等效模型

利用弹性力学的刚度等效原理,将结构复杂的复合材料路面板简化为材料均匀的正交异性板,建立弹性等效模型,为此类问题的具体分析提供一种简明规范的方法。利用弹性力学理论,首先计算出中间方形管粘结板的各向刚度,将其等效为相同尺寸的正交异性板,由刚度相等,推导出了等效板的杨氏模量、切变模量和泊松比等结构属性的计算公式;在此基础上,将整个路面板等效为正交异性板,建立了等效板的材料属性公式化计算模型;最后,选用一块具体的路面板,利用有限元分析软件ANSYS,建立路面板和等效板的有限元模型。结果表明:从均布荷载作用下两模型的变形比较图可以看出,路面板模型的最大变形为-14.73 mm,等效板模型最大变形为-13.97mm,两者相差5.2%。由于等效板模型对变形作了一定假定,引起板刚度增大,所以计算出的位移减小,其误差是可以接受的,由此证明了弹性等效模型是正确的。     

车路耦合作用力特性及混凝土路面动态响应

应用1/4车-路耦合动力学模型及直接积分法,分析车辆以一定速度匀速移动时,车辆参数(集中质量、悬挂系统弹簧刚度和轮胎弹簧刚度)、路面板参数(路面板厚度、接缝宽度、接缝错台和接缝传荷等)以及地基参数(地基刚度、地基阻尼及地基弱化指数等)对车-路耦合作用力的影响;给出了动荷系数(动静荷载比)随各参量变化的影响曲线及其统计特征;探讨了有接缝混凝土路面板动弯沉和动应变的变化规律.结果表明,随着车速的提高,车-路耦合作用力的变异性增大,路面板动弯沉和动应变的波动性增强;因此,在水泥混凝土路面设计时,车-路耦合引起的动态效应应予以考虑.     

薄面板复合材料蜂窝夹层结构冲击穿透试验与失效机理

为研究薄面板复合材料蜂窝夹层结构冲击穿透损伤的失效机理,对具有3层平面编织复合材料面板的蜂窝夹层板试验件进行了多种能量的冲击试验.并在考虑了面板材料的渐进失效以及面内剪切非线性应力应变关系基础上,运用LS-DYNA有限元分析软件建立了夹层板的数值模型,用以分析失效过程.结果 表明,数值模拟结果与试验结果一致.上面板穿透或整体贯穿时面板均呈花瓣状裂开,前者蜂窝以压溃损伤为主,后者则额外产生蜂窝芯体与下面板间的界面脱粘以及蜂窝壁的断裂损伤.无面板穿透时,冲击接触力将保持纤维断裂损伤阈值力大小直至冲头回弹;面板穿透则使冲击区域刚度下降,接触力随之下降,其中板整体贯穿时接触力会出现两个峰值.薄面板复合材料蜂窝夹层结构冲击穿透过程中的主要能量耗散在复合材料面板的纤维拉伸断裂,蜂窝的压溃和断裂过程也消耗部分能量.     

蜂窝夹层复合材料小质量冲击接触力的分析

研制了多角度小质量冲击试验机,可对蜂窝夹层复合材料进行不同角度、不同冲击能量的冲击。使用冲击加速度传感器测量冲击接触力。在已有仿真模型的基础上,使用降低面板抗弯刚度的方法来模拟分层损伤的产生,从而预测分层发生后的冲击接触力。实验结果表明,仿真得到的冲击力与前者吻合较好。通过仿真分析夹层板参数对冲击力的影响,发现面板的等效抗弯刚度和芯材的压缩强度对冲击周期和最大冲击接触力具有较大的影响,而芯材的厚度和模量则对冲击周期和冲击接触力的影响较小。     

动荷载作用下刚性路面动力响应特殊函数分析方法

本文将车辆轮胎的接地形状简化为矩形，将刚性路面视作弹性地基上的板，将行车荷载视为瞬间冲击作用，使用特殊函数描述。刚性路面受到冲击荷载作用产生的应力以空间波动的形式传播，建立三维波动方程，将振动波在刚性路面中传播过程简化为波动方程的初值问题。根据边界条件和初始条件，采用数学和力学方法对冲击荷载作用下刚性路面的动力响应进行了分析，得到刚性路面任意一点的运动规律。考虑材料的力学性质，可以得出路面中各点的位移的应力，同时可以得出任何一点达到最大应力时所需的时间，以及应力在刚性路面的消散过程。从而得到行车速度对刚性路面各点应力的影响。结果表明使用特殊函数法分析行车荷载作用下刚性路面的应力是合理的，车速越高对下层路面影响越小，结果比较符合实际，计算简单，便于应用。     

基于弯沉指数的水泥混凝土路面板角脱空识别

采用弹性地基板模型，分析了落锤式动态弯沉仪（FWD）荷载作用下水泥混凝土路面的弯沉规律，回归得到了板角脱空范围与地基类型、地基板相对刚度半径、路面板弯沉指数（FWD荷载作用于板角和板中时的荷载中心点弯沉之比）以及邻板传荷能力之间近似关系式．建立了通过板角和板中的FWD实测弯沉盆数据，对比理论计算结果判别水泥混凝土路面板角脱空状况的方法．     

冲击压裂缩尺混凝土试件室内实验研究

通过对缩尺混凝土板体在冲击荷载作用下的破坏行为进行研究分析,实现对室外冲击的模拟。试验以几何相似为准则,采用类落锤装置提供冲击荷载,通过控制落锤冲击次数,对缩尺板体进行固定位置的冲击破坏,并运用动态观测技术对试件上不同测试点进行观测,以达到研究板体破坏特性的目的。实验表明,冲击压裂合适尺寸的缩尺混凝土板体能够很好地模拟冲击破碎情况;在板体未破坏之前,测试点最大应变响应值与冲击次数呈现出线性的增长;当板体区域刚开始发生结构变化时,变化区的测试点应变响应就会达到其测试峰值;板角,板边和板中对角线上的测试点的应变响应增减量变化与测试区域的破坏状态有关。     

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。     

脱空对机场道面板接缝传荷能力影响分析

采用有限元分析方法和多组模型试验,对考虑板中脱空和板角脱空两种情况的机场刚性道面板接缝处的应力及传荷能力进行分析。结果表明,道面板接缝处的传荷效率、道面板板底最大弯拉应力随着板底脱空面积的增大而增大。对于相同的脱空面积,接缝传荷效率和板底最大弯拉应力随着地基反应模量的增大而减小;而且板中脱空状态下的传荷效率略高于板角脱空状态下的传荷效率,板中脱空对脱空面积的反应比较敏感,这说明板中脱空对道面板产生的危害比板角脱空对道面板产生的危害要严重。     

湿度影响下的重载交通沥青路面动力响应

考虑地下水和雨水入渗的影响,运用ABAQUS软件建立重载交通沥青路面动力分析模型,分析地下水上升和降雨入渗引发路基湿度变化后的路基动态回弹模量分布规律,以及三轴双轮移动重载作用下沥青路面的动力响应.分析结果表明,地下水距路基顶面越近,对路基模量的分布影响也越显著,降雨入渗与动载共同作用处的路基模量折减更明显;地下水位距路基顶面高度从6 m减至2 m时,面层层底拉应变由70×10~(-6)增至173×10~(-6);降雨强度增大对外侧车道处的面层层底拉应变影响巨大,对中间车道的影响较小;降雨天数增加,两侧车道的面层层底拉应变反而减小,而中间车道的趋势相反,拉应变随着降雨天数增加而增大.     

考虑飞机制动力的机场沥青道面力学响应分析

针对飞机在降落制动过程中所产生的制动力对道面结构产生显著影响,并借助ABAQUS三维有限元软件,建立了柔性道面结构和半刚性道面结构有限元模型,分析在常用的民用飞机和新一代大型飞机荷载作用下,考虑水平制动力作用时对道面结构产生的力学响应.同时分析了以B777-300ER、A380-800为代表的新一代大型飞机,在考虑不同的水平制动力、土基模量、面-基层接触状况条件下时对道面力学响应的影响.计算结果表明:考虑制动力后,面层最大拉应力出现在道面表面;水平制动力超过0.5倍单轮荷载后,使得面层内部的拉应力急剧增大;层间的不良接触对半刚性道面结构影响较大,当面-基层的接触系数大于0.5后,对面层内部的最大剪应力和面层底部的拉应力影响不显著.     

横观各向同性的半刚性基层沥青路面结构

为了分析土基和沥青面层材料的横观各向同性特性对半刚性基层沥青路面结构的影响,基于建立的横观各向同性沥青路面设计理论,运用编制的基于该理论解的路面结构分析程序ANISOLAYER,利用沥青面层及土基横观各向同性特性,对半刚性基层沥青路表(路表面)弯沉进行了研究。同时运用ANISOLAYER程序分析了在不同厚度沥青面层及不同半刚性基层弹性模量情况下,土基横观各向同性特性对路面结构关键性设计指标的影响(路表弯沉、半刚性基层底部拉应力及路基顶部压应变,沥青层底应变为压应变或较小的拉应变,故未考虑)。研究结果表明:无论是面层还是土基,其各向异性度(水平弹性模量与垂直弹性模量之比)对路表弯沉的影响曲线变化趋势是一致的;随着土基水平模量的增加,延长了路面的寿命;随着半刚性基层弹性模量的增大,土基水平模量的变化对路表弯沉及基层底部拉应力的敏感性将降低,对路基顶部压应变的敏感性更加显著,但其绝对值较小。     

多轮荷载作用下的高模量沥青道面力学响应特性

飞机起落架多轮荷载作用下,道面内部应力应变等力学响应将产生叠加与干涉。本文针对高模量沥青机场道面,通过ABAQUS有限元软件开展道面结构力学响应计算,分析飞机多轮荷载对道面力学响应敏感性,研究高模量沥青混合料在机场道面中的应用效果。结果表明：在飞机主起落架的六轮荷载作用下,道面结构层中产生的应力与路表弯沉的峰值最大,且道面的疲劳寿命最小,在进行道面结构计算与材料组成设计时,应以六轮荷载作为最不利荷载工况;机轮荷载分布的对称性越强,结构内应力与路表弯沉的峰值点位置越靠近荷载包围区域中心;沥青道面变形有一定的时间滞后,卸载后路表弯沉不能立即恢复并存在残余变形,且主起落架轮数越多,滞后时间越长,保留的残余变形越大;中面层采用的高模量沥青混合料可降低道面各层拉应力、压应力、剪应力的应力水平,进而有效地减少机场沥青道面轮辙与疲劳开裂。     

加铺层厚度对冲击压实改建路面力学性能的影响

 采用三维有限元方法研究冲击压实技术改建后的白加黑路面的受力机制,讨论加铺的水泥稳定基层和沥青砼面层的厚度分别对改建路面的受力性能和使用性能的影响。计算结果表明：冲击压实改建路面在轮载作用下加铺层与破裂水泥砼板块间会出现脱空,是此种路面结构所特有的工作模式;在交通荷载下,加铺的沥青砼底面较容易产生横向疲劳裂缝,从而在沥青砼面层中形成由下而上的反射裂缝,而受轮载直接作用的沥青砼表面并不容易损坏;面层所受的应力极值随加铺层厚度的增加呈线性减小;增加加铺层厚度能够明显减少由交通荷载引起的路面开裂,并且增加水稳层厚度比增加面层厚度更为经济有效;但增加加铺层厚度对改善沥青砼面层抗车辙能力的效果不显著。     

公路隧道高强地基水泥路面轴载换算研究

现有《水泥混凝土路面设计规范》中轴载换算公式仅适用于基层顶面模量不超过212MPa的情况，不能解决公路隧道基岩强度较高下的轴载换算问题．利用三维有限元方法计算公路隧道水泥混凝土路面的板底临界拉应力，根据疲劳损伤原理推导了轴载换算公式．得出了公路隧道高强度地基下的单轴双轮、双轴和三轴双轮的轴载换算公式，可用于公路隧道水泥混凝土路面的厚度设计与寿命预估．     

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.