水泥混凝土道面面层结构影响因素的有限元分析

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[摘 要] 利用ansys12.0有限元软件建立考虑层间接触条件的水泥混凝土道面三维实体模型，主要分析了面层厚度、宽度、弹性模量等因素对道面板在车辆荷载作用下的影响规律，研究结果表明道面板厚度和弹性模量对板底最大拉应力和板面最大位移具有较大影响，而面板宽度的影响则是十分有限的。

[关键词] ansys；水泥混凝土道面；面层结构；有限元分析

[中图分类号] U416.217 [文献标志码] A [文章编号] 1003-1324（2012）-05-0097-03

0 引言

随着我国国民经济的快速发展，道路建设正处在一个新的发展时期。目前，在我国高等级公路、城乡道路建设中，水泥混凝土道面占有很大比重。于此同时与道路相关的研究也已广泛展开，研究的重点主要集中在荷载和温度作用对道面性能的影响、旧道面加厚设计、沥青混凝土加铺层反射裂缝控制、道面病害机理与防治等方面[1～4]。本文中主要利用有限元软件ansys12.0建立水泥混凝土道面三维实体模型，分析混凝土面层在车辆荷载作用下应力应变的变化规律，以便为水泥混凝土路面的设计和后期使用提供参考。

1 有限元模型

有限元模型主要有水泥混凝土面层、水泥稳定碎石基层和土基三部分组成。假定各部分均是由各向同性的线弹性材料，其特性可以用弹性模量、泊松比、厚度等表征。混凝土板尺寸采用5m×4m的板，同时为反映半空间体的特征，基垫层和土基采用扩大尺寸：8m×6m（如图1所示），各部分材料参数见表1所示。

在路面温度应力分析中，各结构层均采用8节点solide45单元建立三维实体模型，层间采用3D面-面接触单元Contal174和Targe170单元建立连接。网格划分时为获得较精确的计算结果，对面层和基层网格进行了加密。同时，模型中x方向为路面的前进方向，y方向为路面的宽度方向，z方向为路面的厚度方向，并在土基底面施加三个方向的固定约束，对于基础的四个侧面，在以x轴为法线的两个侧面上施加x方向的约束，在以Y轴为法线的两个侧面上施加y方向的固定约束。车辆荷载采用单轴双轮组标准轴载Bzz-100，胎压为0.7MPa，单个轮压作用范围18.9cm×18.9cm，接触面积为357.21cm2，双轮间距为32 cm，两侧轮隙间距为182 cm，在计算时仅考虑对称轴上的单侧荷载作用，荷载作用在板角。建成的三维有限元模型如图2所示。

2 计算结果分析

2.1 面层厚度对道面结构的影响

在其他参数不变的条件下，选取面层厚度分别为20cm，24cm，28cm，32cm四个水平，面板长度分别为4m，5m，6m进行对比分析。图3和图4给出不同板厚条件下板底最大拉应力和面层竖向位移的变化规律。

从图3的结果看，随着板厚的增加，水泥混凝土道面面板底部最大拉应力逐渐减小，而板长从4m增加到6m时，板底拉应力逐渐增加，但增幅相对较缓。从图4的结果看，随着面板厚度的增加，板顶最大竖向位移逐渐减小，并且板长从4m增加到6m时，板顶最大竖向位移也逐渐降低，但降幅越来越小。所以一定范围内增加面板的厚度可以降低面板板底最大拉应力和板顶最大竖向位移，可以提高道面的使用寿命。

2.2. 面层宽度对道面结构的影响

选取道面板宽度分别为4m，4.5m，5m，6m四个水平，在道面板厚度分别为25cm，28cm，30cm的情况下进行分析，图5和图6分别给出不同面板宽度条件下板底最大拉应力和板顶最大竖向位移的变化规律。

从5和图6的结果看，随着面板宽度的增加，板底最大拉应力和最大竖向位移变化幅度都不大，一般都在0.5%以内，可见面板的宽度对水泥混凝土道面的影响十分有限。因此，在通常的设计中，为减少模板工程量及过多设置接缝而造成的地基失稳等病害，道面板宽度宜以6m为基准。

2.3. 面层弹性模量对道面结构的影响

选取面层弹性模量分别为28GPa，30GPa，32GPa，34GPa四个水平，在土基弹性模量分别为40MPa，60MPa，100MPa情况下进行对比分析，图7给出了不同面层弹性模量板底最大拉应力变化规律。

由图7可以看出，当面板弹性模量不变时，随着土基弹性模量的增加，水泥混凝土面板的板底拉应力随之减小；而当土基弹性模量不变时，随面层弹性模量的增加，面板板底最大拉应力不同程度地都有所增加。所以在水泥混凝土路面设计中，适当增加土基的弹性模量、降低面层材料的弹性模量，有利于减小板底拉应力，提高道面使用性能。

3 结论

（1）一定范围内，增加面板的厚度能够降低面板板底最大拉应力和板顶最大竖向位移，有利于道面寿命的提高。

（2）面板宽度对板底最大拉应力和板顶最大竖向位移的影响并不显著。

（3）提高土基的弹性模量，降低面层材料的弹性模量，有利于减小板底拉应力。

参考文献

[1] 王红伟. 车载和温度应力下水泥混凝土路面板结构性病害三维有限元分析[D].吉林：吉林大学， 2008： 17～30.

[2] 郝航程， 周正峰， 樊建良等. 机场沥青混凝土加铺层防反射裂缝结构分析[J]. 机场工程， 2010（3）：22～25.

[3] 刘红坡. 层间接触对半刚性沥青路面力学响应的影响[D]. 成都：西南交通大学， 2006：44～53.

[4] 杨斌.旧水泥混凝土道面沥青加铺层结构研究[D]. 西安：长安大学， 2005：58～70.

[5] 李艳，张林春，张文君等. ANSYS在道路路面结构计算中的应用[J]. 城市道桥与防洪， 2005（3）：101～104.

作者简介 朱生盛，男，（1984-）。