重载作用对混凝土路面板的弯沉及应力分析

运用ANSYS有限元软件建立路面结构三维实体模型,用正弦荷载模拟车辆随机荷载运动,分别就路面结构竖向位移及应力变化进行重载作用模拟分析;并分析超载率与脱空尺寸的影响。研究表明:动荷载作用下面板产生的弯沉值及板底最大拉应力值随着水泥混凝土路面板板底脱空区的面积增大而增大;超载率越大且脱空面积越大,板的竖向位移和拉应力增幅越大。     

密布弹簧单元支承模型的水泥混凝土路面板脱空分析

该文对传统块状地基模型进行改进,采用ANSYS建立密布弹簧单元支承的水泥混凝土路面板模型,假设路面板下地基局部脱空和地基初始反应模量不均匀下降,对不同脱空位置和脱空面积下路面板应力应变的变化进行分析。分析得出:当重载作用时,随着脱空区域的扩大,路面板的竖向弯沉及拉应力均会出现不同程度的增加,板角脱空时比板边脱空时的情况更加敏感,板角脱空时路面板的最大拉应力更容易突破极限抗拉强度。     

超薄白色罩面(UTW)脱空应力分析

采用ANSYS软件对UTW路面结构的脱空进行了分析,探讨了板底未脱空时板受力特性及板分别出现不同程度的纵缝边缘脱空、横缝边缘脱空和板角脱空情况下的混凝土板受力特性,并结合直道疲劳试验的应变观测及芯样观测结果对有限元分析的结论进行验证,指出在设计及施工时应采取措施切实保证UTW层间粘结,保证UTW在荷载下不过早破坏.     

冲击碾压动荷载下水泥混凝土路面结构的力学行为

为了揭示冲击碾压动荷载下水泥混凝土路面结构的力学行为, 基于动力三维有限元分析方法, 考虑材料的弹塑性, 拟定纵横板边、板中及板角4种典型荷载位置, 在四楞冲击压路机冲击碾压水泥混凝土路面时, 分析了路面各层结构的受力和变形特征。研究发现, 各工况下混凝土板底部承受纵、横向弯拉应力是旧面板破裂的主要原因, 基层与旧面板一起处于双向弯拉状态, 土基三向受压, 不同工况存在不同的有效影响深度。冲击碾压板角时, 路面板竖向位移最大, 影响深度最深; 而冲击板中位置时, 板竖向位移最小, 分布最均匀, 此时板体以纵向弯拉为主, 易形成横向裂缝; 当冲击纵向板边时, 板体以横向弯拉为主, 易形成纵向裂缝。可见, 路面破碎效果是地基刚度、冲击能量与冲击位置的综合函数, 建议基于具体路况选择相应的施工方案。     

超薄白色罩面板脱空的模拟及分析

对超薄白色罩面(UTW)结构采用变尺寸接触模型模拟板底未脱空时及板分别出现不同程度的纵缝边缘脱空、横缝边缘脱空和板角脱空情况下等不同情况,基于ANSYS软件分析了脱空下罩面板的受力特性及路面破坏的原因和破坏模式,并通过试验观测对分析的结果进行了验证,指出设计及施工时应采取措施保证UTW层间粘结,避免罩面过早破坏.     

超薄白色罩面板脱空的模拟及分析

对超薄白色罩面(UTW)结构采用变尺寸接触模型模拟板底未脱空时及板分别出现不同程度的纵缝边缘脱空、横缝边缘脱空和板角脱空情况下等不同情况,基于ANSYS软件分析了脱空下罩面板的受力特性及路面破坏的原因和破坏模式,并通过试验观测对分析的结果进行了验证,指出设计及施工时应采取措施保证UTW层间粘结,避免罩面过早破坏.     

基于有限元计算的水泥路面板底脱空评定指标研究

采用PFWD检测了水泥混凝土路面板不同位置处的实际弯沉值,根据横缝不设传力杆的高速公路水泥混凝土路面板脱空发展的一般规律,确定了板中不脱空对应的弯沉值。通过三维有限元模拟计算,分析了在不同脱空尺寸下不同位置的理论弯沉,得到脱空面积与弯沉值的回归计算式,最终确立了板边、板角脱空的弯沉指标。     

传力杆对水泥混凝土路面的影响

针对水泥混凝土路面常见的破坏形式,在路面接缝处设置长度为0. 41m的传力杆,通过模拟水泥混凝土路面设置传力杆与不设置传力杆,研究路面受荷板与相邻不受荷板在受力与竖向位移上的区别。结果表明:在标准轴载作用下,设置传力杆能够减小约受荷载板14%的竖向位移、10%的层底最大压应力,能够减小荷载作用的影响范围的大小;未受荷板能够有效地接收到相邻受荷板传递的力,而引起自身竖向位移以及应力变化;设置传力杆后,随着荷载的增大,相邻未受荷板的压应力、竖向位移均随着荷载的增加呈线性增加,可见传力杆对水泥混凝土路面板分散受力有积极作用。     

水泥混凝土路面路基永久变形预估

结合修正后的路基永久变形预估模型和应变分层总和法,在考虑粘土、粉土和砂土3种不同土质状态下,分别预估了荷载作用于板边、板中及板角时路基产生的永久变形．计算表明,对于一定的路面结构和交通轴载,粘土路基的永久变形量最大,粉土次之,砂土最小;对于同一种土质,板角受荷时路基的永久变形最大,板边受荷次之,板中受荷最小;当荷载作用在板边时,板的尺寸越小,路基的永久变形越大;板角受荷造成的路基永久变形对水泥路面的受力状况是最为不利的．     

基于铺装受力的钢箱梁斜拉桥纵隔板位置优化

为改善钢桥面铺装受力状况,针对国内某斜拉桥钢箱梁纵隔板位置,建立了全断面钢箱梁节段和铺装的力学计算新模型,分析了两种纵隔板设置方案在荷载作用下铺装层最大拉应力、铺装与钢板层间最大剪应力等技术指标的变化及分布规律。结果表明,由于纵隔板的竖向刚度很大,在荷载作用下,纵隔板上方的铺装产生较大的横向拉应力,具有明显局部效应;荷载处于桥面板与U型加劲肋焊接点的正上方时,横向拉应力在距横隔板0～0.2m范围内快速增加,在0.2m处出现峰值;采用纵隔板设置方案二进行钢箱梁结构设计,优化了铺装的受力状况,横向荷位3为铺装最不利荷位。     

波音747型飞机跑道滑行力学响应

根据丹佛国际机场跑道大量实测的道面应变与弯沉, 分析了波音747型飞机滑行时道面不同位置弯沉和应变的主要特征, 研究了不同接缝传力特性、不同位置的残留变形与应变率。分析结果表明: 板边与板中有2个应变峰值, 对应于轮轴个数; 板横缝方向(与飞机滑行方向垂直)不存在反向应变, 而纵缝方向(与飞机滑行方向平行)存在2次拉压应变, 纵缝板边底部轮轴间的应变峰值回复量显著, 易发生开裂和疲劳破坏, 其底部应变峰值和应变峰值回复量分别是板边顶部的1.2倍和2.5倍; 飞机滑行时接缝处的应变率最大, 最大拉伸和压缩应变率分别为9.1×10^-4 s^-1和7.6×10^-4 s^-1, 在混凝土板中引起的应变率属于准静态应变率, 忽略其对混凝土板变形的影响; 板中弯沉为单峰值曲线, 而板角与横缝板边弯沉为双峰值曲线; 在同一板中, 板角处的相对残留变形最大, 板中处最小, 板角处的相对残留变形率是板中处的2.60~4.59倍, 相比于其他位置, 板角更容易与基层发生脱空; 铰缝传力系数接近1, 假缝与铰缝相比传力效率较低, 其传力特性具有明显的方向性, 而铰缝传力没有明显的方向性。     

结合面底部带门式钢筋的铰接空心板破坏模式分析

以在空心板与铰缝构造结合面底部布设门式钢筋的深铰缝构造为研究对象, 参照2007年交通运输部颁布的装配式空心板桥标准图, 设计了一跨8 m足尺模型, 通过试验和非线性有限元法分析了车辆荷载作用下铰接空心板破坏类型、破坏位置与开裂荷载等破坏模式。分析结果表明: 试验验证了铰接空心板非线性有限元模型能较好地模拟铰接空心板在车辆荷载作用下的受力性能; 在空心板与铰缝结合面的三个方向的黏结滑移关系中, 应以竖向相对滑移量作为结合面黏结破坏失效的指标; 在车辆荷载作用下, 空心板与铰缝结合面是最薄弱的受力部位, 当荷载达到69 kN(0.99倍车辆荷载)时, 空心板与铰缝结合面底部开裂, 但当荷载达到85 kN(1.21倍车辆荷载)时, 空心板跨中截面底部才出现横向裂缝; 与在结合面底部不设门式钢筋的空心板相比, 在结合面底部设置门式钢筋后虽不能明显提高铰缝构造的开裂荷载, 但可以将铰缝通缝荷载从140 kN(2.00倍车辆荷载)提高至199 kN(2.84倍车辆荷载), 且不出现贯通的纵桥向裂缝。     

双线性黏聚区模型在混凝土路面损伤开裂分析中的应用

为了揭示混凝土路面的损伤开裂机理及其对承载力的影响, 考虑混凝土材料的弹塑性, 应用非线性断裂力学中的双线性黏聚区模型, 结合ABAQUS有限元软件, 在预计开裂部位布设黏结单元, 模拟了四点加载小梁试件从弹性响应到断裂失效的全过程, 以验证双线性黏聚区模型在混凝土损伤开裂分析中的适用性; 应用双线性黏聚区模型分析了Winkler地基上混凝土板的断裂特性和损伤后的承载力衰减。分析结果表明: 在加载小梁受荷全过程中, 梁底应力经历了线性增大、达到混凝土极限强度后减小、最大点上移与变为0等阶段, 作用力-加载位移变化与已有研究一致; 在加载全过程中, 混凝土板的截面应力分布变化与小梁类似; 混凝土板在损伤阶段承载力会持续增大, 但由于板的支承条件与四点加载小梁不同, 板的断裂近似于脆性断裂, 无明显承载力衰减过程, 板断裂时的极限承载力与弹性阶段临界状态承载力之比为1.32;混凝土板发生初始损伤后, 极限承载力最大会衰减至未损伤板的87%, 且随着初始损伤程度的增加, 极限承载力衰减速率变大。     

镐头机拆除刚性道面动力损伤分析

为合理确定刚性道面的拆除工艺参数,采用ABAQUS软件,建立了刚性道面的实体有限元模型,对镐头机钎杆半正弦波冲击荷载作用初期刚性道面的动态响应进行了模拟,系统分析了镐头机荷载参数和道面结构参数对刚性道面竖向位移和板底拉应力响应的影响规律.模拟结果表明:镐头机冲击荷载的大小及其作用位置对刚性道面动态响应有显著影响;板底最大拉应力受面层厚度影响较大,而道面竖向位移对面层厚度变化不敏感.在算例条件下,当接缝传荷能力小于80%时,结构动态响应才发生显著变化;为减小对保留板的动力损伤,拆除板板边30 cm范围内不宜使用镐头机拆除.      

水泥混凝土路面脱空判别研究与工程应用

针对目前水泥混凝土路面脱空现象的普遍存在和判别手段、判别方法的局限性,重点介绍了多级荷载回归法,并提出基于落锤式弯沉仪（FWD）的脱空临界线判别法,结合Winkler地基上的多块板有限元体系和非线性最小二乘优化方法,较好地反映了接缝传荷、现场基础强度对板角弯沉的影响。工程应用表明,该方法可以较好地反映现场实际情况,并适合于现场指导施工或大量数据的批量处理。     

刚性路面传力杆接缝传荷能力评价新方法

在考虑传力杆松动量的基础上, 建立了重复荷载作用下刚性路面传力杆接缝模型, 提出了以第一传荷状态临界荷载为特征的传荷能力评价指标和方法, 研究了荷载大小、荷载作用位置及传力杆松动量对传力杆接缝传荷能力的影响, 分析了重复荷载作用下弯沉传荷系数指标的适用性, 并与考虑传力杆松动量的接缝传荷能力指标进行了对比研究。发现重复荷载作用下, 接缝两侧的荷载-弯沉关系曲线具有分段线性的特征, 存在多级传荷状态临界荷载, 实测与计算第一传荷状态临界荷载误差仅为4.2%;重复荷载作用4×10⁴次后, 弯沉传荷系数变化范围为57.3%~71.5%, 而考虑传力杆松动量的传荷能力为0~51.9%。结果表明考虑松动量影响的传力杆接缝力学模型是可靠的, 以第一传荷状态临界荷载为特征的传荷能力评价指标和方法, 能够反映刚性路面传力杆接缝的实际传荷状况, 是评价其传荷能力的有效方法。     

交叉路口水泥路面板厚及接缝设计

水泥路面十字路口的综合寿命成本要比沥青路面低,使用寿命长。参照美国水泥路面铺面协会（ACPA）水泥路面十字路口的设计方法,提出设计上一些特殊的考虑,对旧路面进行评估并给出物理区和功能区图示及介绍,提出了功能区的概念。做板厚设计时,依据双车道日交通量、汽车类型、最大轴载计算得到面板厚度,并按照街道类型制成表格。接缝设计包括接缝间距、接缝类型、接缝布置。介绍横向接缝、纵向接缝、隔离接缝这三种接缝的施工工艺。接缝布置依靠于经验,同时要考虑分隔带、车道、设备孔、排水孔的布置。     

路基不均匀沉降下无砟轨道受力与变形传递规律及其影响

针对路基上CRTSⅠ和CRTSⅡ型板式无砟轨道的结构特点, 分别建立了相应的有限元模型, 研究了路基不均匀沉降作用下不同板式无砟轨道受力与变形的传递规律及其影响。分析结果表明: 路基不均匀沉降发生后, 上部轨道结构的垂向变形具有一定跟随性, 变形与沉降曲线相近但不完全重合; 底座板伸缩缝的存在对轨道结构的受力和变形有较大影响, 在20 mm/20 m沉降条件下, CRTSⅠ、CRTSⅡ型板的垂向位移分别达沉降幅值的90%和60%, 相对CRTSⅠ型板而言, 沉降对CRTSⅡ型板的垂向位移影响较小, 但后者更易形成较大范围的离缝, 离缝长度达6.52 m, 为CRTSⅠ型板离缝长度的1.92倍; 当沉降幅值位于底座板中心时, 离缝主要集中在伸缩缝、沉降端部和沉降中心, 但当沉降幅值位于伸缩缝处时, 离缝主要集中在伸缩缝两侧和沉降端部; 沉降波长或幅值改变时, 会导致最大离缝位置出现偏移; 在路基不均匀沉降作用下, CRTSⅠ型板的底座板纵向最大拉应力均大于轨道板的纵向最大拉应力, 而CRTSⅡ型板的情形则相反; 从混凝土强度考虑, CRTSⅠ型板沉降控制标准应以底座板的拉应力控制为主, 而CRTSⅡ型板应以轨道板和底座板的拉应力综合控制。     

紧急制动条件下地铁车辆与钢弹簧浮置板轨道动力相互作用

为了优化坡道上钢弹簧浮置板轨道的设计, 在考虑轮轨纵向作用关系与钢弹簧浮置板轨道特点的基础上, 运用多体动力学理论和有限元法建立了紧急制动条件下地铁车辆与钢弹簧浮置板轨道动力相互作用模型, 利用多体动力学软件UM验证了模型的有效性, 分析了车辆与轨道的动力响应。研究结果表明: UM软件与本文模型计算得到的车体纵向加速度和轮轨纵向力平均相对误差分别为1.3%、2.8%;在紧急制动过程中, 车体始终处于向前点头和纵向振动的状态, 导致前轮增载, 后轮减载; 由于板与板之间不连续, 钢轨和浮置板之间会产生纵向相对错动, 须注意钢轨与浮置板之间不协调的纵向变形; 间隔2组扣件布置一对隔振器方案(方案1) 所得板端钢轨垂向位移比板中大0.2 mm, 间隔2组扣件布置一对隔振器, 再间隔3组扣件布置一对隔振器方案(方案2) 所得板端钢轨垂向位移比板中小0.5 mm; 2种布置方案下, 轨道纵向变形相差不超过5%, 扣件和钢弹簧受到的纵向作用力相差不超过15%;短波轨道不平顺显著加剧了钢轨和浮置板的垂向振动效应, 不平顺状态下钢轨最大垂向加速度可达15g左右; 钢弹簧浮置板轨道可以降低传递到基础底部的垂向振动, 加速度降幅约为0.2 m·s^-2, 但会显著放大低频段钢轨、浮置板的垂向振动, 振动量增幅约为15 dB。