（道路与铁道工程专业论文）连续配筋混凝土复合式路面沥青面层及粘结层研究.pdf

摘要 复合式路面结构是公路交通可持续发展的必然产物，已引起世界各国道路界 的广泛关注，而连续配筋混凝土复合式路面( a c + c r c p ) 便是一种新型的复合 式路面。它将连续配筋混凝土板的高强度性和沥青路面的行车舒适性结合起来， 以连续配筋混凝土板为刚性基础，沥青面层起功能性的作用，整体强度高、使用 寿命长、维修费用小，是重载交通高速公路长寿命路面结构的发展方向之一。 许多国家纷纷修筑连续配筋混凝土复合式路面( a c + c r c p ) 试验路或实体 工程，但由于造价昂贵、施工复杂等原因，限制了它的推广和研究。本文以实体 工程项目为依托，依据a c + c r c p 的结构特点，利用有限元分析方法，研究加铺 沥青面层对连续配筋混凝土路面的影响，主要研究沥青面层对连续配筋混凝土路 面结构的最大主应力和温度场的影响。考虑到加铺沥青面层后，刚柔性路面破坏 的主要原因是由粘结层的受剪破坏或粘结失效引起的。本文还利用有限元分析方 法，研究各影响参数对粘结层受力的影响，并结合室内试验，分析几种粘结材料 的粘结性能，重点分析不同掺量下的橡胶沥青的粘结性能。研究的结果表明，沥 青面层厚度的变化对连续配筋混凝土板的影响较大，特别是温度场的影响。当沥 青面层厚度大于4 c m 时，能有效降低连续配筋混凝土板的温度梯度。沥青面层 厚度小于6 c m 时，对连续配筋混凝土板荷载应力的影响甚微。从提高粘结层抗 剪性能和经济性角度，建议沥青面层铺设的厚度范围为8 c m 1 4 c m 之间。1 5 掺 量的橡胶沥青与环氧沥青都具有较好的粘结性能，1 5 橡胶沥青的最佳用量大约 是2 0k g m 2 。研究的结果可进一步指导和完善连续配筋混凝土复合式路面结构 设计，具有较高的实际应用价值。 关键词：连续配筋混凝土；复合式路面；沥青面层；粘结层；有限元分析法 a b s t r a ct c o m p o s i t ep a v e m e n ts t r u c t u r eh a sa t t r a c t e dw o r l d w i d ea t t e n t i o n , b e c a u s ei t i s i n e v i t a b l ep r o d u c t sa ss u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fr o a d a n dc o n t i n u o u s l yr e i n f o r c e d c o n c r e t ec o m p o s i t ep a v e m e n t ( a c + c r c p ) i san e w , m u l t i u s er o a d i tc o m b i n e s c o n t i n u o u s l yr e i n f o r c e dc o n c r e t e sh i g hs t r e n g t ha n da s p h a l tp a v e m e n t sd r i v i n g c o m f o r t ，i th a so v e r a l lh i l g hi n t e n s i t y , l o n gs e r v i c el i f ea n ds m a l lm a i n t e n a n c ec o s t s ，i s o n ed i r e c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fh e a v yl o n g l i f ep a v e m e n ts t r u c t u r e m a n yc o u n t r i e sh a v eb u i l tc o n t i n u o u s l yr e i n f o r c e dc o n c r e t ec o m p o s i t e p a v e m e n t ( a c + c r c p ) t e s tr o a do re n t i t yw o r k s ，b u ti ti sd i f f i c u l tt op r o m o t ea n d r e s e a r c ht h es t r u c t u r eb e c a u s eo fi t se x p e n s i v ec o s ta n dc o m p l e xc o n s t r u c t i o n i nt h i s p a p e r , r e l y i n go i lp h y s i c a lp r o j e c t s ，b a s e do nt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fa c + c r c pa n du s e df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d ，s t u d y i n ga s p h a l ts u r f a c el a y e ro nt h e i m p a c to fc o n t i n u o u s l yr e i n f o r c e dc o n c r e t ep a v e m e n t ，m a j o rr e s e a r c ht h em a x i m u m p r i n c i p a ls t r e s sa n dt e m p e r a t u r ef i e l d c o n s i d e r i n go fs h e a rd a m a g e o rb o n df a i l u r ei s m a i n l yd u e t or i g i df l e x i b l ep a v e m e n td a m a g e t h i sp a p e rh a sa l s ou s e df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sm e t h o dt os t u d yt h ee f f e c t so fe a c hb o n d i n gl a y e rp a r a m e t e r so nt h ei m p a c t o ff o r c e ，a n ds t u d yt h ee f f e c t so fe a c hp a r a m e t e ro nt h eb o n d i n gl a y e re f f e c t so ft h e f o r c e b a s eo nl a b o r a t o r yt e s t ，a n a l y s i ss e v e r a la d h e s i v eb o n d i n gp r o p e r t i e so f m a t e r i a l s ，f o c u s i n go na n a l y s i so fd i f f e r e n td o s a g eu n d e rt h eb o n d i n gp r o p e r t i e so f a s p h a l tr u b b e r t h er e s u l t ss h o wt h a ta s p h a l ts u r f a c el a y e rt h i c k n e s sc h a n g e so na c o n t i n u o u sr e i n f o r c e dc o n c r e t es l a bo fag r e a t e ri m p a c t ，i np a r t i c u l a rt h ei m p a c to f t e m p e r a t u r ef i e l d w h e nt h ea s p h a l ts u r f a c el a y e rt h i c k n e s si sg r e a t e rt h a n4 c m ，c a n e f f e c t i v e l yr e d u c et h ec o n t i n u o u sr e i n f o r c e dc o n c r e t es l a bo ft h et e m p e r a t u r eg r a d i e n t w h e na s p h a l ts u r f a c el a y e rt h i c k n e s si sl e s st h a n6 c r n ，t h ep a i r so fc o n t i n u o u s l y r e i n f o r e e dc o n c r e t es l a b sh a v el i t t l ee f f e c to nl o a ds t r e s s f r o mt h eb o n d i n gl a y e rt o i m p r o v et h es h e a rp e r f o r m a n c ea n de c o n o m i cp o i n to fv i e w , i ti sr e c o m m e n d e dt h e l a y i n go fa s p h a l tl a y e rt h i c k n e s sr a n g eo f b e t w e e n8 c m 一14 e r a 15 o ft h ed o s a g eo f t h ea s p h a l tr u b b e ra s p h a l ta n de p o x ya d h e s i v eh a v eg o o dp e r f o r m a n c e ，15 o ft h e o p t i m u ma m o u n to fa s p h a l tr u b b e ri sa p p r o x i m a t e l y2 0k g m 2 r e s u l t so ft h es t u d y c o u l db ef u r t h e rg u i d a n c ea n di m p r o v et h ep a v e m e n tc o n t i n u o u s l yr e i n f o r c e dc o n c r e t e c o m p o s i t es t r u c t u r a ld e s i g n ，h a sah i g hp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：c o n t i n u o u s l yr e i n f o r c e dc o n c r e t e ；c o m p o s i t ep a v e m e n t ；a s p h a l t s u r f a c e ；b o n dc o a t ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：日期：矽f9 年够月，少日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名： 日期：纠p 年少月 指导教师签名：讯日 日期：缈9 年够月厂堋 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n i c i 系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程 规定享受相关权益。 学雠文储躲f b 指剥雠：储日 日期：，口年缈月厂钞日 i 日期：矽f 9 年中月f 咱 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着我国经济的飞速发展，交通基础建设进入了快速发展的时期，特别是高 速公路的发展非常迅猛。调查资料表明，2 0 0 8 年底，我国高速公路通车总里程 突破6 万公里，稳居世界第二。高速公路已成为经济社会发展的重要助推器，不 仅显著提高了运输能力，降低了运输成本，增强了运输安全性，节约了国土资源， 而且在改善投资环境、优化产业布局、促进资源开发利用、提高国家经济的机动 性、增强国家竞争力、以及保障国防安全等方面，发挥着越来越重要的作用。然 而，随着社会的发展，对高速公路的路面使用性能提出了更高的要求晗制。 路面一般可分为四种主要类型，刚性路面、半刚性路面、柔性路面、复合式 路面。而复合式路面中又包括水泥混凝土复合式路面和水泥混凝土+ 沥青混凝土 复合式路面，其中水泥混凝土+ 沥青混凝土复合式路面结合刚性路面和柔性路面 的特点，柔中有刚，刚柔相剂。刚性下面层部分作为路面的主要承载部分，为面 层提供了可靠的支持，使弯沉、车辙减少，并能相应减少柔性面层所需厚度。而 柔性面层能提高路面舒适性，降低噪音，缓解荷载对刚性部分的冲击，减少刚性 面层的荷载疲劳应力和温度疲劳应力，且便于维修。因此这种类型的复合式路面 是一种使用性能良好的路面结构形式。 连续配筋混凝土( c r c ：c o n t i n u o u s l yr e i n f o r c e dc o n c r e t e ) 复合式沥青路面是 将连续配筋混凝土的高强度与沥青混凝土( a c ) 的行车舒适性相结合的一种新型 复合式路面结构，c r c 作为刚性基础，主要起承重作用，表面a c 层主要起功 能作用。c r c + a c 结构整体强度高、使用寿命长、维修费用小，是重载交通高 速公路长寿命路面结构的发展方向之一。但现行规范中c r c + a c 的设计与施工 技术还不完善，需对c r c + a c 复合式路面的关键技术问题进行深入的研究巧 。 沥青面层的铺筑对原有c r c p 路面的影响很大，不仅表现为路面功能性的改 善，还对原有c r c p 路面结构的力学行为产生影响。力学行为的影响主要为荷载 应力和温度应力。路面结构力学行为的变化，将对路面结构的设计产生影响。因 此，沥青面层对c r c p 路面的影响研究就显得很有必要，能够为现行规范中 c r c + a c 的设计提供理论指导意义。 在工程的实际应用中，沥青面层的铺筑将会产生两个方面的路面问题。一方 面是连续配筋混凝土层与沥青混凝土层之间的层间粘结问题。刚柔复合式路面层 问粘结处理效果的好坏，将会对加铺后的路面强度、稳定性及耐久性产生很大的 影响。二是反射裂缝的防治问题。由于连续配筋混凝土路面一般不需要设置胀缝 2第一章绪论 和缩缝，温缩和干缩引起的裂缝宽度很小仅有0 4 m m 1 2 m m 之间，特别是设 置土工布应力吸收薄膜夹层，反射裂缝不再是路面损害的主要考虑因素阳r n 引。从 目前大多数已建连续配筋混凝土复合式沥青路面和桥面铺装等刚柔复合式路面 沥青面层的破坏形式来看，主要集中在沥青面层的开裂、沥青层与混凝土层剥离、 沥青面层的水损坏等。究其原因，主要还是由于复合式路面的层间处理不当，引 起层间粘结能力不足，层间抗剪性能下降。 综上所述，开展关于沥青面层对c r c p 的影响以及刚柔复合式路面层间粘结 特性的研究，具有十分重要的意义。为完善连续配筋混凝土复合式沥青路面的结 构设计，提高层间抗剪强度，延长道路使用寿命，减少道路维修提供重要的科学 理论依据和实践指导，为我国采用类似路面结构形式提供参考。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 由于连续配筋混凝土路面平整度高，承载力强，耐久性好，经济性也比较明 显，在国外，自美国于1 9 3 0 年修建了第一条连续配筋混凝土路面以来，连续配 筋混凝土路面已经被许多国家广泛地应用于高速公路和机场道面。到1 9 8 0 年已 建成的连续配筋混凝土路面折合成双车道，美国为2 2 6 0 0 k m ，日本为1 0 6 9 7 k m 、 比利时为5 0 0 k m 、西班牙为8 0 k m ，此外澳大利亚、瑞典、荷兰、英国、德国也 有相当多的应用和研究。n 射。 对于连续配筋混凝土+ 沥青混凝土复合式路面，在国外研究和应用也较早， 2 0 世纪三十年代英国修建了连续配筋混凝土( c r c ) 层上加铺沥青层的路面结构， 1 9 4 0 - - - 1 9 5 0 年代被应用到一些城市道路上，1 9 5 7 年在英国伦敦和法国丹地附近 修建了试验路，1 9 8 5 年修建了长达8 k m 的路面n 引。1 9 8 6 年，法国格勒诺布尔一 尼斯之间的罗纳一阿尔卑斯地区，8 5 号洲际公路修复坍方路段中，新路使用聚 苯乙烯修建轻质路堤，其上配置双层钢筋网浇筑加固混凝土板，长6 0 m ，每5 m 设置一条承压缝，混凝土板宽8 4 m ，试验路段纵坡度9 ，首先在板上喷洒沥青 乳液，并铺设土工织物，然后铺筑4 c m - - - 一5 c r n 厚的沥青磨耗层n 盯n ”。由于织物 和土工布很好的粘结在一起，因而具有很好的抵抗低温裂缝的能力。美国近年来 在高速公路拓宽中，把新铺并表面拉纹的水泥混凝土路面作为承重层，其上铺筑 沥青混凝土，收到良好效果。 碾压混凝土( r c c ) 加沥青混凝i ( a c ) 复合式路面结构的修筑是近年发展起 来的。1 9 8 5 年西班牙某高速公路拓宽车道的施工，在基层为1 5 c m 厚的水泥稳定 层上铺筑了厚2 3 c m 厚的碾压混凝土层，碾压混凝土上加铺了5 c m 厚的热拌沥青 混合料。安达卢西亚高速公路上，设置2 0 c m 的水泥稳定层，其上铺设2 5 c m 厚 第章绪论 3 的碾压混凝土，为了养生和兼作粘油层，洒布了沥青乳液，上层铺设6 c m 沥青 混合料联结层和4 c m 沥青混凝土。为了防止反射裂缝的产生，在粘结层和表层 的沥青混凝土之间，使用了起加固作用的土工材料。1 9 8 4 - - 1 9 8 6 年间，西班牙 在高等级干线公路上，将r c c 作为路面下层，上层铺筑沥青层，铺设面积已达 3 0 万平方米。1 9 8 9 - - - 1 9 9 1 年西班牙在马德里通往法国边界的高速公路上，修筑 r c c + a c 复合式路面，采用双层式a c 层厚达1 2 c m 。1 9 8 9 年1 月澳大利亚悉尼 市( p e n i t h ) 在水泥稳定基层上修筑了r c c + a c 复合式路面。巴西一些城市在市区 承受中等交通和重交通的道路上成功修筑了复合式路面。 1 9 8 8 年日本在某停车场对r c c 作为沥青混凝土下层的适应性进行了研究， 并将这种结构形式写进了1 9 9 0 年，6 月出版的碾压混凝土路面技术指南( 草案) 中，根据日本铺装杂志1 9 9 3 年报导，在山阳高速公路河内至西条段修筑了 9 k m 的水泥混凝土( c c ) + 沥青混凝土( a c ) 复合式路面试验路，共1 1 种结构类型， 路面下层为不同厚度的连续配筋棍凝土( c r c ) 或碾压混凝土( r c c ) ，上层为1 0 c m 双层式沥青混凝土或5 c m 单层式沥青混凝土瞄1 。 英国关于c r c + a c 的设计已载入道路指示2 9 号，这是目前唯一由国家 机关颁布关于此类路面的设计方法。道路指示2 9 号指出，当应用最小的沥青 面层厚度9 c m 时，等效于有缝混凝土板厚2 5 c m 。g r e g o r y 建议的相关计算法偏 于保守，对于厚1 0 c m 的沥青面层，c r c 的板厚比c r c p 路面厚减少1 7 c m - - - 2 c m 。 英国道路学者认为，在结构上保持薄的面层更为有利，因为混凝土板的刚度远大 于沥青面层，而且承担较大的汽车荷载，另一方面，他们认为应用小于1 0 c m 的 沥青面层在实践上比较困难，因而此时要省去联结层或用较小粒径的集料，这对 层间结合是不利的。薄的沥青面层减少了隔热作用，而当面层厚度小于4 c m 时， 其隔热作用则可能完全没有。在c r c + a c 结构中，较单一c r c p 路面可节省约 3 0 的钢筋量，并减少板的温度位移，从而使板的自由边位移减少，可不需锚固， 极大的减少了经费。 在美国，c r c + a c 复合式路面结构形式较多用于旧路维护，5 0 年代就用沥 青加铺层来修复p c c 、c r c p 路面，用以改善荷载承受能力，提高路面的表面性 能。另外有许多针对层间结合状态的研究，2 0 0 2 1 0 2 0 0 3 1 0 美国威斯康星州交 通部进行了一项研究课题，评估热拌沥青混凝土界面粘结性能。在新泽西州的亚 特南大市，联邦航空管理局的国家机场道路设施试验场利用f w d 来分析层间的 界面结合损害，其根据是损害和未损害的路段，表面的回弹模量相差很大，可以 用f w d 来求得回弹模量确定层间结合状态的损伤程度，但当路面较厚时，层间 结合状态对回弹模量的影响则可以忽略，因此需要寻找其他的丧失粘结性能所产 生效果。为了确定层间结合状态丧失所产生的效果，需使用界面径向应力作为比 4 第一章绪论 较的基础。利用界面上和界面下的径向应力的代数差来求得。尽管该项目原意只 是考虑沥青棍凝土内部发生层间滑移，但可以借鉴分析不同材料间的层间结合状 态。 对于连续配筋混凝土( c r c ) 复合式路面的设计理论与设计方法，国外一些公 路工作者进行了些有益的探索性计算与分析。英国g r e g o r y 曾建议将 c r c p + a c 复合式路面的c r c 层厚与a c 作相关计算，用弹性理论分析计算沥 青表层复合结构的作用。日本将沥青层表面作用的荷载按4 5 度角扩散到混凝土 板上，按阿灵顿半经验公式计算板底应力。前苏联则按应力扩散角考虑沥青层的 影响之后，用弹性地基上无限大板计算板的荷载应力。l u t h e r 等人运用线弹性断 裂理论对这一问题进行计算和分析，并进行室内试验验证，提出反射裂缝增长速 率的计算模型。m a j i d z a d e h 等人运用二维有限元法对沥青加铺层内的应力进行了 分析，认为这种路面的裂缝主要是由于温度变化而引起混凝土板水平位移和翘曲 产生的，并提出了计算面层拉应力的方法。b f r a n c k 等人分析研究了因温度变化 罩面层底部弓f 起拉应变及车辆荷载通过接缝时，两块板产生挠度而引起罩面层 剪应变。n a n j i m c h e n 等人应用三层弹性理论对此进行求解，并考虑了应力消解 层的效应。c c l a u w a o r t 利用有限差分法对沥青加铺层进行荷载和温度综合作用 下的力学分析。1 9 8 8 年，t k r a u t h a m m e t 等人用二维有限元计算了c c + a c 复合 式路面结构接缝的传荷能力，分析了沥青层中垂直与水平的拉、压应力、最大弯 沉和最大剪应力，接缝处引入杆单元和梁单元。1 9 9 0 年，m a h m o u d 等人对水泥 混凝土基层上的沥青层利用八面体进行了分析研究，提出了沥青层的临界厚度。 1 2 2 国内研究概况 在我国，“七五”期间，开展了我国水泥混凝土路面发展对策及修筑技术 研究( 国家科技引导性项目n o 0 2 5 ) 的研究，其中对水泥混凝土( 双层板) 复合式 路面设计理论与方法进行了研究；“八五 期间交通部科技立项，长安大学( 原西 安公路交通大学) 、全国水泥混凝土路面技术委员会、河南省交通厅、安徽省高 速公路管理局、江苏省公路管理局、西安公路科学研究所等单位承担了碾压混 凝土与沥青混凝土复合式路面修筑技术研究，对r c c + a c 复合式路面从设计理 论、设计方法与参数选用到施工技术进行了深入的研究，取得了一定的成果；同 时长安大学承担了碾压混凝土加铺沥青混凝土复合式路面结构设计理论与方法 研究1 9 9 3 年被列为国家自然科学基金资助项目。东南大学的俞建荣等对碾压 水泥混凝土+ 沥青混凝土复合式路面的温度梯度进行了较详细的研究。国内近年 来对r c c + a c 复合式路面研究较多，并在全国修筑了较多的工程实体，但这些 实体工程的使用情况并不理想，最近应用的工程较少瞳儿1 8 r 硷。 对于复合式路面的理论计算，我国也分为弹性层状体系法和有限元法。长安 第一章绪论5 大学采用二十给点等参单元对r c c + a c 复合式路面进行了荷载应力和温度应力 的系统分析啦。同济大学、空军工程学院等应用空间等参元、层状体系理论、断 裂力学等对r c c + a c 复合式路面结构进行了初步分析晗1 8 。 对于粘结层抗剪强度，长安大学的胡长顺教授和北京建筑工程学院的高金歧 等先后进行过粘结层的层间剪切试验，原理大体一致，只是试验的仪器，材料和 试验条件有所区别啪儿2 。 目前国内水泥混凝土路面使用情况并不理想，很多工程出现了。早期损害现 象，在重交通、雨水等因素的综合作用下，水泥混凝土板损坏严重，许多地方正 在进行旧混凝土路面的改造，其中直接加铺沥青面层是国内外的一种常用的加铺 方式，对其设计理论与设计方法也不完善。长沙交通学院与湖南省高速公路管理 局于2 0 0 2 年1 2 月完成的“旧水泥混凝土路面上沥青混凝土加铺设计及应用研究 2 0 0 2 年通过湖南省科技厅组织的课题鉴定，提出一套设计方法与修筑技术，对 全国的旧水泥混凝土路面改造具有指导意义。 对于连续配筋混凝土复合式路面结构，规范j t g d 4 0 2 0 0 2 在新建水泥混凝 土路面中提到了复合式路面，在下层混凝土中可使用连续配筋混凝土，但没有具 体的设计方法：在旧水泥混凝土路面改造中，规范对分离式混凝土加铺层结构类 型中提到加铺层可以采用连续配筋路面，但对于连续配筋复合式路面结构没有提 及。2 0 0 5 年长沙理工大学阳宏毅依托长沙至湘潭高速公路路面改造工程，对旧 路加铺c r c + a c 复合式路面结构采用b i s a r 软件对其层间最大剪应力的影响因 素进行了分析，利用便携式岩土剪切仪，测试不同类型粘结层的抗剪强度，并结 合b i s a r 软件的计算结果分析粘结层抗剪安全性系数瞳刳。 1 3 研究的主要内容 本文依托贵阳市东北绕城高速公路云关坡段连续配筋混凝土刚柔复合式沥 青路面试验路研究项目，以沥青面层和层间粘结层为研究对象，分别分析了沥青 面层对c r c p 路面的影响和层间粘结层的受力情况，并结合粘结材料的室内试验 研究，指导c r c + a c 复合式路面结构设计与施工，本文研究的主要内容包括： 总结国内外关于刚柔复合式路面结构的研究概况。 通过运用有限元分析方法，分析沥青面层的变化，特别是厚度的变化对 c r c p 的荷载应力和温度场的影响。 通过运用有限元分析方法，对层间受力情况进行分析，重点分析层间拉拔 应力和剪应力的大小，并分析了不同影响参数情况下层间的受力变化情况，以此 来指导层间粘结层的设计和施工。考虑的影响参数主要包括：不同的超载量、不 同行驶状况、不同沥青混合料面层的厚度和模量、不同粘结层的厚度和模量、不 6 第一章绪论 同层间接触状态以及其他影响参数。 粘结材料的室内试验研究。选取几种典型的粘结材料，通过室内剪切试验 和拉拔试验，研究不同粘结材料及不同混凝土表面处理方式情况下，粘结层的抗 剪强度和拉拔强度。室内剪切试验采用由重庆交通大学魏建明教授指导设计的 s l s 剪切拉拔试验仪。 在理论分析和大量室内试验的基础上，对连续配筋混凝土刚柔复合式沥青 路面结构设计进行研究，以进一步指导和完善c r c + a c 复合式沥青路面结构设 计与施工。 第二章沥青面层对c r c p 的影响分析 7 第二章沥青面层对c r c p 的影响分析 沥青面层的铺筑不仅有效的改善了原有连续配筋混凝土路面( c r c p ) 的路 面性能，还对路面的行车荷载起到缓冲作用和分担部分荷载，降低c r c p 路面的 温度梯度，防止雨水对c r c p 的侵渗腐蚀钢筋，延长路面使用寿命。本文利用有 限元分析软件，建立三维实体模型，分析沥青面层对c r c p 路面的荷载应力影响 和温度场影响。 2 1 有限元分析理论 2 1 1 有限元方法的基本原理眨3 1 早在1 9 4 3 年，数学家c o u r a n t 在分析扭转问题时就提出了有限元法的概念。 1 9 5 2 年另一个数学家s y n g e 对这个方法作了进一步的研究，并发表了专门的著 作。但是在2 0 世纪4 0 年代初到2 0 世纪5 0 年代初，数学家们的这个概念并没有 引起工程界的任何注意。到了5 0 年代中期，在生产需要的推动下，有限元法才 从结构矩阵分析方法的基础上迅速的发展起来。 有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个，且按一定方 式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且 单元本身又可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限单元 法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数 来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。 单元内的近似函数通常由未知场函数或及其导数在单元的各个结点的数值 和其插值函数来表达。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场函数或及其 导数在各个结点上的数值就成为新的未知量( 也即自由度) ，从而使一个连续的 无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。有限元法的求解对计算机的运行速 度和内存容量有很高的要求。在有限元法用于结构分析的早期，人们为了解决有 限元法在分析工程问题时对计算机硬件要求过高的问题，提出了许多卓有成效的 方法，其中十分引人注意，并在工程上得到广泛应用的是半解析半数值方法 有限元半分析法。 所谓有限元半分析法就是在有限元分析中引入正交函数( 三角级数、双曲线 函数等) ，利用函数的正交性质，把分析的问题分离为一系列独立的问题，这些 问题较原来的问题更容易求解的( 例如，三维的问题分离为一系列二维问题，二 维问题分离为系列一维问题等) 。这些独立问题解的组合就是原问题精确解得 逼近，使问题的求解得到简化。 8第二章沥青面层对c r c p 的影响分析 有限单元法是单元沿各个方向采用多项式的位移插值的函数，而有限元半分 析法在某些方向采用了解析函数解，在另一些方向采用了多项式的位移函数，两 者结合组成基函数，类似一般有限元法进行变分求解，从而建立离散方程。位移 函数中的解析函数必须预先满足化分的条、棱柱或层的边界条件。张佑启于1 9 6 8 年首先提出二维有限元半解析法，及有限条法( f i n i t es t r i p e ) ，随后j j m t o o 于 1 9 7 1 年提出了三维有限条法，即有限棱柱法( f i n i t ep r i s m ) 。各种形势的有限元 半分析法曾被广泛地应用于路面结构分析中。 完全的有限元法用于路面结构的建模是从二维问题开始的，对不同的路面结 构形式可以建立弹性地基板模型、平面应变模型和轴对称模型。弹性地基板理论 主要应用于水泥混凝土路面的结构分析。平面应变模型忽略了路面在道路纵向的 荷载、材料及几何性质的变化，路面体系被看作是单位厚度的切片，在横截面上 划分二维的单元网格，荷载被假设为无限长的条形。轴对称有限元模型把路面体 系看作是多层的轴对称圆柱体，实际上它是多个圆环单元的集合体，承受的荷载 也是轴对称的。 有限元分析方法应用于道路分析具有下述特点：将道路看作一个连续体( 或 几个连续体通过接触面相连的整体) ，其中的每一层( 或每一块) 为连续体。将 这些连续体分割成有限个单元，并在每个单元上指定有限个节点，一般可以认为 相邻单元在节点上连结构成一组单元的集合体，用模拟或逼近求解区域进行分析。 同时，选定场函数的节点值，例如取节点位移作为基本未知量；并对每个单元根 据分块近似的思想，假设一个简单的函数，近似地表示其位移的分布规律：再利 用弹塑性理论中的变分原理或其他方法，建立单元节点的力和位移之间的力学特 性关系，得到一组以节点位移为未知量的代数方程组，从而求解节点的位移分量。 一经解出，就可利用插值函数确定单元集合体上的场函数。显然，如果单元满足 问题的收敛性要求，那么随着单元尺寸的缩小，求解区域内单元数目的增加，解 的近似程度将不断改进，近似解最终将收敛于精确解。 有限元法具有很强的适用性。能够成功地处理均质、弹性问题，也能处理非 均质材料、各向异性材料、非线性应力一应变关系以及复杂边界条件等难题；而 且，随着其理论基础和方法的逐步改进和完善，还能成功的用来求解场与场的耦 合问题，可以说有限元方法几乎适用于求解所有的连续介质和场问题。 另外，由于有限元法采用矩阵形式表达，便于编制计算机程序，可以充分利 用高速计算机所带来的方便。综合考虑，为更加真实准确的模拟路面结构受力， 计算路面力学响应，在进行路面的力学分析中。本文将采用三维有限元的分析方 法进行桥面铺装结构的力学响应计算。 有限元分析过程，概括起来可以分为以下几个步骤： 第二章沥青面层对c r c p 的影响分析 9 结构的离散化 将被分析的结构分割成有限个单元体，并在单元的指定点设置节点，使相邻 单元的有关参数具有一定的连续性，并构成一个单元的集合体，以它取代原来的 结构。为分析方便，微元体六个面中的三个面的外法线方向与坐标轴正方向一致 时，称为正面；其余三个面的外法线方向与坐标轴负方向一致，称为负面。正面 上的应力分量的正方向与坐标轴正方向一致，负面上应力分量的正方向与坐标轴 的负方向一致。 位移模式选择 为了用节点位移表示单元体的位移、应力和应变，在分析连续体问题时，须 对单元中位移的分布做出一定的假定，也就是假定位移是坐标的某种简单函数， 即位移模式或插值函数。 根据选定的位移模式，可以导出用节点位移表示的单元内任意一点位移的关 系式，其矩阵形式是： p ) = 【。 式( 2 1 ) 式中： 侈j 一单元内任一点的位移列阵； 概 一单元的节点位移列阵； 【j 一形函数矩阵。 单元力学特性的分析 利用几何方程，由位移表达式( 2 1 ) 导出用节点位移表示单元应变的关系 式 话) = 陋弦。) 式( 2 2 ) 式中： p ，一单元内任一点的应变列阵： 陋j 一单元应变矩阵。 利用本构方程，由应变的表达式( 2 2 ) 导出用节点表示单元应力的关系式 p ) = d i b 缱) 式( 2 3 ) 式中： p j 一单元内任一点的应力列阵； 【d j 一与单元材料有关的弹性矩阵。 利用变分原理，建立作用于单元上的节点力与节点位移之间的关系式，即单 元的平衡方程 扩) = 医r 缱) 式( 2 4 ) 建立结构总体平衡方程 1 0第二章沥青面层对c r c p 的影响分析 集合所有单元的平衡方程，建立整个结构的平衡方程。 求解未知节点位移和计算单元应力 由平衡方程解出未知位移，用公式( 2 3 ) 和己求出的节点位移计算各单元的应 力，并加以整理得出要求的结果。 2 1 2 有限元分析方法的特点 力学分析的方法分为解析法和数值法两类。解析法是运用经典的力学理论， 建立所要求解问题的数学物理方程，通过严格的数学推导和计算，得到问题的函 数形式解答，也为解析解。然而，在窦际问题中，由于结构形式的复杂，边界条 件的模糊等，无法准确建立所求问题的数学物理方程，即使采取一定的假设勉强 建立方程，大多数情况下，是得不到闭合的解析解的。数值法便是在此情况下产 生的，简单来说，数值方法是对微分方程的近似解答，是通过将微分方程转变为 近似替代的代数方程，然后通过求解代数方程得到问题的解答，因此数值法得到 的解是近似的代数式解。目前数值分析方法有很多，如：差分法、边界元法、有 限单元法等。其中，有限元法是运用最多，适用最广的数值分析方法。其主要特 点及优越性主要有以下几点： 适合于分析复杂几何形状的连续介质问题。 和其它所有数值近似解( 如有限差分法、各种变分法和加权残效法) 一样，它 也是基于离散化概念求得了有限个离散结点处的解，再通过建立场变量模型( 位 移模式) ，就可以提供连续体结构系统所有其它各点处的解，但此法不必用分别 的插值过程，也不需要求适用于整个多维连续体的试探解。 便于引入各种要求的边界条件。 在求得整个集合体系统的代数方程之后，再引入几何边界条件，这时因边界 条件没有引入单个有限元方程，所以对于内部和边界上的所有各单元都可采用一 个同样的场变量模型；对不同的边界条件，其场变量模型并不要求改变。 能成功地反映各种复杂的材料性质及其不均匀性，因而可考虑计入岩土介 质的非均质性。这可通过对岩土各处不同特性的单元分别给定不同的材料( 岩土 介质) 性质来实现。如果希望对材料特性的变化作更精确的分析，还可以按预先 选定的多项式位移模式来改变单个单元内的性质。例如，可以把有限元法用于本 构关系中各参数或二维介质厚度呈不连续变化的情况。这是其它数值方法难以做 到的。 可编制成系统化或通用性的电算程序。 对于某一工程问题编制的程序，往往不必修改( 如由非线性改为线性) 或作较 小修改( 如由平面问题改为轴对称问题) 即可成功地应用于不同领域的问题。 易于在不同的学识水平上学习、掌握和运用计算技术。 第二章沥青面层对c r c p 的影响分析 1 l 在弹塑性力学方面，多数情况下可借助结构力学( 不用变分法) 一维杆系统的 概念( 杆系结构位移法) 来解决连续体和非线性( 将其分段线性化) 问题，不必求解 难以理解的高阶微分方程。 2 1 3a n s y s 软件介绍 a n s y s 软件是美国a n s y s 公司研制开发的大型通用有限元分析软件，能够 进行包括结构、热、声、流体以及电磁等学科的研究，在土木工程、铁道、机械 制造等领域有着广泛的应用。a n s y s 的功能强大，操作简单方便，现在已成为 国际流行的有限元分析软件阱3 。 该软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处 理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元 模型；分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、 压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏 度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、 矢量显示、粒子流进显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出 来，也可以将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 a n s y s 分析的一般流程： 建立几何模型； 建立分析模型，指定单元类型、创建材料、网格划分、施加荷载及边界条 件； 递交求解； 结果后处理。 2 1 4 计算单元 a n s y s 系统不仅提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，可以方便地 构造数学模型及有限元模型，而且还具有近2 0 0 种单元类型，这些丰富的单元类 型能使工程技术人员方便而准确地构建反映实际结构的仿真计算模型。根据计算 分析的需要，在此仅对几种单元进行较为系统的介绍。 s o l i d 4 5 单元 s o l i d 4 5 单元用于三维实体模型。该单元具有八个节点，每个节点有三个自 由度，即x ，mz 三个方向的线位移。单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化，、 大变形和大应变能力。有用于沙漏控制的缩减积分选项。 关于单元几何图形、节点位置见图2 1 。该单元可定义8 个结点和正交各向 异性材料。正交各向异性材料方向对应于单元坐标方向。该单元默认的坐标系统 同整体坐标系，你也可以通过命令e s y s 来自定义单元坐标系。 1 2 第二章沥青面层对c r c p 的影响分析 图2 1s o l i d 4 5 几何描述 f i g 2 1s o l i d 4 5g e o m e t r y j t 耐m h e c l r a lo 蹦o n n 饯r e e o m m e n o e a ( g ) s o l i d 6 5 单元 s o l i d 6 5 单元用于含钢筋或不含钢筋的三维实体模型。该实体模型可具有 拉裂与压碎的性能。在混凝土的应用方面，如用单元的实体性能来模拟混凝土， 而用加筋性能来模拟钢筋的作用。当然该单元也可用于其它方面，如加筋复合材 料( 如玻璃纤维) 及地质材料( 如岩石) 。该单元具有八个节点，每个节点有三 个自由度，即x ，y ，z 三个方向的线位移；还可对三个方向的含筋情况进行定义。 s o l i d 6 5 单元与s o l i d 4 5 单元( 三维结构实体单元) 的相似，只是增加了 描述开裂与压碎的性能。s o l i d 6 5 单元最重要的方面在于其对材料非线性的处 理。其可模拟混凝土的开裂( 三个正交方向) 、压碎、塑性变形及徐变，还可模 拟钢筋的拉伸、压缩、塑性变形及蠕变，但不能模拟钢筋的剪切性能。关于单元 几何图形和节点位置见图2 2 。 k i o 。p 气l i 。p k l j t e t r a h e d m lo p 拄o n ( h a 艚e o n m e n d e d ) 暨磷 眵如磷 m 上一 第二章沥青面层对c r c p 的影响分析 1 3 图2 3s o l l d 6 5 几何描述 f i g 2 3s o l i d 6 5g e o m e t r y p l a n e 5 5 单元 p l a n e 5 5 可作为平面单元或轴对称环单元，用于二维热传导分析。本单元 有4 个节点，每个节点只有一个自由度温度。 本单元用于二维稳态或瞬