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施工缺陷对混凝土路面力学性能影响的研究 研究生签字： 锄孑洛 篡纛篙嘉吲嗥 指导教师签字：胡萨硗孪l 一弛 混凝土路面是我国高级路面的主要结构形式之一。虽然混凝土路面发展较快，但有 不少公路投入使用几年后，便出现了各种各样的早期破坏，施工缺陷是造成这种早期破坏 的主要原因。本课题针对施工缺陷中振捣缺陷引起混凝土含水泥浆量不均匀对混凝土路面 的力学性能影响情况进行研究，分析这种缺陷对混凝土路面在使用前后力学性能的影响。 混凝土路面在凝结初期由于面层的收缩和与基层问的磨擦作用产生的收缩应力大于 其早期弯拉强度是路面早期破坏的原因之。本文在原有理论基础上结合复杂施工环境， 用有限元素法以含有施工缺陷引起内分层的水泥混凝土路面为模型，结合混凝土龄期7 天内的实验数据，模拟其收缩状态，计算板底收缩弯拉应力，得出龄期7 天内的正确施工 条件和含施工缺陷条件下路面板底弯拉强度曲线图，其中正确施工条件下结果与理论值基 本一致，证实了用有限元方法模拟此种问题的可行性，同时，也得出了路面板早期弯拉强 度远远小于路面缺陷处弯拉应力，即混凝土路面在投入使用前就出现了裂缝的结论。 为了进一步分析施工缺陷对路面后期使用过程的影响，本文根据损伤力学理论，借助 a n s y s 有限元软件对含有o 1 0 m m 宽裂缝分别施加汽车荷载进行模拟计算，比较得出 4 m m 宽的裂缝对路面的影响最大。为了更深入研究这种裂缝对路面的影响，本文通过对 4 m m 宽裂缝在路面上出现的不同位置和不同方向进行模拟分析比较，得出路面板边缘上 出现的裂缝对路面影响相对较大，尤其是裂缝方向垂直于路面板边缘时其影响最大。通过 分析比较可知路面的边缘是水泥混凝土路面薄弱位置，在实际工程中应对路面板边缘施工 质量进行严格控制。 关键词：混凝土路面；水泥收缩应力；施工缺陷；有限元素法 t h e s t u d y o fm e c h a n i c sp r o p e r t y f r o mf a u l ti n d i s c i p l i n e ：e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： o fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t s i t er o a d 义协也厶 4 ( 2 2 ) 这些方程还应考虑几何边界条件作适当的修改( 消除刚体位移) 之后，才能解出所有 7 西安工业大学硕士学位论文 的未知结点位移。 5 ) 求解未知结点位移和计算单元应力 由集合起来的平衡方程解出未知位移。在线性平衡问题中，可以根据方程组的具体特 点选择合适的计算方法。 6 ) 理由 s = f b l 艿 。和 仃 = d i i b j 6 。以及已经求解出的结点位移计算各个单元的 应变应力加以整理得出所需的结果。 对于水泥混凝土路面而言，属于弹塑性变形范围。因而，对弹塑性问题的求解基本 思路是采用增量法，因为弹塑性应变增量和应力增量之间的关系d o = d ，。d e 可以近似的 表示为：a 仃= d 。a ，弹塑性矩阵d 。为单元当时应力和应变水平函数，而与他们的 增量无关，因此该式可以看作是线性的。在一定应力和应变水平上增加一次荷载，而每次 增加的荷载要适当的小，使得求解非线性问题可以用一系列线性问题所代替。由此思路产 生的求解方法有增量切线刚度法、增量初应变法和增量初应力法等。 对于增量切线刚度法的主要计算步骤为1 1 2 1 ： 对结构施加全部荷载r ，进行线弹性计算； 根据屈服准则来判断单元的弹塑性状态，比如计算各个单元的等效应力，取其最大 值，判断是否大于仃r ( 仃r 为单向拉伸时的屈服极限) 如果民。 仃r ，则说明单元已经进入塑性状态，则令m = 瓦。仃r ，将r m 作为荷 载进行线弹性计算，求得相应的应变、应力等，并且以a r = l n ( 1 1 m ) r 作为荷载增量， n 为加载次数； 施加荷载增量r ，对每个单元根据其弹性区、塑性区或过渡区的不同来计算单元刚 度矩阵，最后组合整体刚度矩阵； 求解平衡方程，得到位移增量，进而求解出应变增量和应力增量； 将各个增量与前次结果进行叠加，继续加载计算，直到加到全荷载。 2 1 2 混凝土有限元分析的基本理论 在混凝土结构有限元分析中，必须考虑其组成材料的力学性能，最重要的就是混凝土 本构关系模型的建立。所谓混凝土的本构关系主要是表达混凝土在各种作用力下的应力一 应变关系。由于电子计算机的发展和计算方法的进步，在工程结构的非线性分析大多数采 用弹塑性增量理沦，并以它为核心建立非线性分析中最为本质的本构关系。 1 ) 弹塑性理论需要确定以下内容： 1 3 1 a 、屈服准则 屈服准则反映了应力状态满足什么条件时进入屈服状态。 本文a n s y s 分析采用的是v o n m i s e s 屈服准则。v o nm i s e s 屈服准则规定当材料中一点 强度达到八面体剪应力的临界值时，材料达到屈j i l t l 4 l 。其表达式为： 8 2 有限单元法及a n s y s 分析软件在混凝十结构中的应用 铲压= 居 亿3 ， 式中：f 吲八面体剪应力； 以应力偏张量的第二部变量； 七纯剪强度。 b 、流动法则 流动法则确定了材料处于屈服状态时塑性变形增量的方向。 对弹塑性材料达到屈服条件后，其变形壳分成弹性变形和塑性变形两部分。弹性变形 的大小是与应力状态有关的，易于确定。塑性变形的确定，按照m i s e s 提出的塑性位势理 论，经过应力空间任何一点m ，必有一塑性位势等势存在，它可用下式表示：g ( c r y ，h ) = 0 而塑性变形增量如? ，其变形方向与塑性位势面正交，即： , - 3 0 如? = d x ( 2 4 ) o n 。 式中：d g 非负的比例系数。 这一式子虽不能确定塑性变形的大小，却可以确定塑性变形的方向，所以叫流动法则 1 5 1 。 若塑性势面g = 0 与屈服面f = 0 相同，则称为相关联的流动法则。若g f ，则称为非 相关联的流动法则。本文采用相关联的流动法则，t i p ： d s y p ：d l 善：d g 罢 ( 2 5 ) d o yu t y y c 、硬化法则 硬化准则是材料达到初始屈服面以后，屈服条件变化的法则，相当于一维应力状态下， 材料达到初始屈服条件以后，其屈服极限是不变的( 理想弹塑性) 、还是提高( 硬化弹塑性) 或是降低( 软化) 的法则。 2 ) 强化模型 由于硬化规律较为复杂，人们根据材料的试验资料建立了多种硬化模型，其中最常用 的有等向强化和随动强化【1 6 】。本文在a n s y s 分析中采用的是等向强化模型。即假定后 继屈服面的形态与中心初始屈服面相同，后继屈服面的大小则随强化程度的增加而作均匀 的扩大。等向强化的后继屈服面只取决于单一的硬化参数石。 3 ) 破坏准则 破坏准则：混凝土是一种脆性材料，它在一定的加载条件下会发生开裂或压碎。相应 的在应力空间中，将材料到达破坏状态时的曲面成为破坏面。不过有时也将屈服面成为破 坏面。为了工程中的方便使用，一般采用等向强化准则，也就是说假定后继屈服面与初始 屈服面形态相似，仅大小不同，即具有相同的数学表达式形式，但是其中常数项大小不同。 9 西安工业大学硕十学位论文 混凝土的破坏准则是在实验的基础上，考虑到混凝土的特点而求出来的。 混凝土的破坏准则有多种形式，其中w i l l a m w a r n k e 的五参数准则( 简称w w ) 准则， 其数学表达式【 1 如式( 2 6 ) ： _ f s 0( 2 6 ) c 、j 式中：f 主应力函数，f = f ( c r i ，仃2 ，吼) ； s 与主应力面、混凝土的抗拉强度z 、单轴抗压强度正、双 轴抗压强度厶等有关的函数。 4 ) 混凝土构件裂缝模型 裂缝的处理方式有离散裂缝模型、分布裂缝模型和断裂力学模型【1 引。 a 、离散裂缝模型 离散裂缝模型是早期的常用模型，它假定裂缝是单独地发生在各单元的边界之间。 这种方法的麻烦在于计算过程中要不断计算模型的几何布局，对计算机的要求较高。随着 计算机速度的加快和网格快速自动划分的实现，离散模型有被推广的趋势。如果要分析裂 缝的实际分布及局部应力状况，可选择这个模型。 b 、分布裂缝模型 分布裂缝模型是假定开裂的混凝土还保持某种连续，俺正交各向异性材料处理，这 种模型的优点是裂缝可以随机生成，缺点是不能计算裂缝宽度，若要获得结构的荷载一位 移特性曲线，那么选择此模型是比较合理的。 c 、断裂力学模型 断裂力学模型主要应用于己经出现裂缝的混凝土研究其裂缝的扩展和失稳的规律。目 前只限素混凝土中单个裂缝的处理，对于成批出现的裂缝如何处理还在探索之中。近年来， 有的学者把断裂的发展与断裂能联系起来，引入“等效断裂变形的概念，使上述分布裂缝 模型更为完善，对于某些特殊类问题，要使用断裂力学模型。 2 2a n s y s 有限元软件 有限元软件和有限元方法是同时产生的，并随着有限元方法和计算技术的发展而迅速 发展。有限元方法是与工程应用密切结合、直接为工程设计服务的。因此，各种有限元结 构分析程序本身已经成为c a d c a e 不可分割的部分，同时使得有限元所依托的力学学 科计算力学有了更强大的生命力。现代有限元软件是一个多学科、综合技术的集成化 产品。目前世界上流行的通用有限元软件有很多，我国已经引进的几个主要有限元软件有： s a p 、n a s t 融蝌、a n i n a 、a n s y s 、i d e a s 、a l g o r 等，上述软件全从美国引进。这 些有限元软件大都是在大型计算机上开发的，都经过相当长时间的实践检验，因此功能比 较齐全可靠【1 9 j 【2 0 l 。其中，a n s y s 则是目前世界上最具有权威的大型通用有限元分析软件 之一。本文所作的计算部分在a n s y s 上完成。 1 0 2 有限单元法及a n s y s 分析软件在混凝土结构中的应用 a n s y s 程序是一个功能强大、灵活的设计分析及优化软件包，包含有多种有限元分 析的能力，包括从简单线性静态分析到复杂非线性动态分析，并且融结构、热、流体、电 磁、声学于一体。 a n s y s 软件功能的强大与其有着很多的应用模块是分不开的，其中一个大的模块又 可能包含有诸多小的模块。就a n s y s 的结构分析模块而言，它通过先进的非线性功能， 可以对工程问题进行有效的结构分析。结构分析模块又包括了诸多的模块，下面为简单的 介绍1 2 m i i2 】： 静力分析模块用于静态荷载，可以考虑结构的线性及非线性行为，例如大变形、大 应变、应力刚化、接触、塑性、超弹性及蠕变等问题的分析； 模态分析模块计算线性结构的自振频率及振形； 谱分析模块是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变( 也 叫做相应谱) ； 谐响应分析模块确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的荷载的响应； 瞬态动力学分析模块确定结构对随时间任意变化的荷载响应，可以考虑与静力分析 相同的结构非线性行为； 特征屈曲分析模块用于计算线性屈曲荷载并确定屈曲模态形状( 结合瞬态动力学分 析可以实现非线性屈曲分析) ； 专项分析模块可以进行断裂分析、复合材料分析以及疲劳分析。 a n s y s 除了具有诸多分析功能模块之外，自身界面友好又是一大特色。尽管其功能 强大复杂，由于a n s y s 采用了交互式图形界面( g u i ) 和批处理( 或命令流) 两种方式 来实现操作，使得计算工程快捷、简单。另外，a n s y s 强大的后处理器( 通用后处理器 p o s t l 和时间历程后处理器p o s t 2 6 ) 使得对计算结果的处理极为方便简单。在通用后处 理器p o s t l 中可以查看整个应用模块在某一个荷载子步( a n s y s 中称为时间步) 的结果， 可以获得等值线显示、变形形状以及检查和解释分析的结果和列表，还可以作误差估计、 荷载工况组合、结构数据的计算和路径操作等。在时间历程后处理器p o s t 2 6 中可以查看 模型的特定位置点在所有荷载步( 或时间步) 内的结果，还可以获得数据对时间( 荷载) 关系的图形曲线以及列表等【2 3 1 。 2 2 1a p d l 参数化设计语言 a n s y s 参数化设计语言( a p d l ) 是a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e 的缩写，是 一种类似于f o r t r a n 的解释性编程语言，基于a n s y s 工作平台，广泛应用于分析解决 各种行业有限元问题之中1 2 4 1 。 利用a p d l 的程序语言与宏技术组织管理a n s y s 的有限元分析命令，就可以实现参 数化建模、施加参数化荷载与求解以及参数化后处理结果的显示，从而实现参数化有限元 分析的全过程，同时这也是a n s y s 批处理分析的最高技术。在参数化的分析工程中可以 西安t 业大学硕十学位论文 简单地修改其中的参数达到反复分析各种尺寸、不同载荷大小的多种设计方案或者序列性 产品，极大地提高分析效率，减少分析成本。同时，以a p d l 为基础用户可以开发专用 有限元分析程序，或者编写经常重复使用的功能小程序，如特殊载荷施加宏、按规范进行 强度或刚度校核宏等。 另外，a p d l 也是a n s y s 设计优化的基础，只有创建了参数化的分析流程才能对其 中的设计参数执行优化改进，达到最优化设计目标。 在a n s y s 提供的2 种工作模式，即人机交互模式( g u i ) 和命令流模式( a p d l ) 。a p d l 模式，它避免了g u i 模式的不足之处，使分析问题变得更轻松愉快，方便分析者交流， 更具有大众化的特点。a p d l 的主要优点如下1 2 5 1 ： ( 1 ) 提高工作效率如网格重划分、重分析、建立参数化零件库和制作宏等。 ( 2 ) 方便交流。交流时可使用参数和程序块。 ( 3 ) 不受操作系统的限制。可在w i n d o w s 和u n i x 等系统下使用。 ( 4 )不受a n s y s 版本限制。除了极少数命令略有差别，a p d l 能在各版本a n s y s 中 直接使用。 ( 5 ) 进行g u i 无法实现的分析。如优化设计，用户子程序等。 a p d l 参数化设计语言能通过参数化变量等功能模块设计修改有限元分析过程，是优 化设计、概率分析等高级应用技术的基础。a p d l 具有如下功能： ( 1 ) 参数及变量参数 ( 2 ) 数组参数 ( 3 ) 表参数 ( 4 ) 表达式与函数 ( 5 ) 矢量与矩阵运算 ( 6 ) 宏 ( 7 ) 流程控制 ( 8 ) 用户子程序 2 2 2 混凝土单元 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【2 6 1 。 本单元与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。本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 1 2 2 有限单元法及a n s y s 分析软件在混凝土结构中的应用 不能模拟钢筋的剪切性能。 1 ) s o l i d 6 5 输入数据【2 7 j ： 关于单元几何图形、节点位置、单元坐标系见图2 1 。单元性质为八节点各向同性材 料，单元包括一种实体材料和三种钢筋材料。 另外，有关混凝土的材料定义，如拉应力、压应力、弹性模量、泊松比等按实际选用 混凝土材料定义，剪力传递系数通常为0 1 0 ，0 表示平滑的裂缝( 完全丧失剪力传递作 用) ，1 表示粗糙的裂缝( 几乎没有失去剪力传递作用) 。这就有利于对裂缝开裂与闭合进 行描述。 在单元荷载方面，压力作为面荷载作用在单元表面如“s o l i d 6 5 的几何模型图 中带 圈数字所示。主动力作用在单元内。温度和影响可在节点上作为单元体荷载输入。节点i 的温度t ( i ) 默认为t u n i f ，如其它节点温度没有被指定，则它们默认为t ( i ) 。对于 其它的输入模型未指定温度时默认值都为t u n i f 。对影响( f l u e n c e ) 的设定除用0 取代 t u n i f 外与温度的设定是相同的。 ( r e t r a h e d r a lo p t i o n n o tr e c o m m e n d e d ) 图2 1 s o l id 6 5 的几何模型 2 ) s o l i d 6 5 输出数据： 与单元相关的解答输出项有以下两方面： a 、所有节点的节点位移； b 、节点的应力、应变、蠕变、开裂等 一些细则的说明可见图2 2 。单元应力的方向平行于单元坐标系，只有当非线性特性 被考虑时才有相应的输出，当然也只有对钢筋参数进行过定义，才有关于它的输出。如可 能发生开裂或压碎，那具体情况也会在积分点上输出，因为开裂和压碎可能发生在任一积 分点上。在p o s t l 中用命令p l c r a c k 可显示各积分点的状态。 3 ) s o l i d 6 5 的假定和限制： 不允许使用零体积单元； 单元可以如“几何模型图编号，也可将图中的i j k l 面与m n o p 面的编号交换。 暨唯 两安t 业大学硕+ 学位论文 同时单元不能被扭转导致形成两个单独体，在对单元不恰当编号时这种情况最可能发生。 所有的单元应有八个节点 当k 与l ，o 与p 节点重合时单元形状便成为棱柱体形，当然也可退化为四面体。 其它的形状会被四面体自动替换。 当考虑单元的钢筋作用时，钢筋被假定分散在整个单元中，且所有钢筋的总体积 率不能起过1 0 。 图2 2s o lj d 6 5 应力输出图 单元是非线性的故要求迭代求解。 当同时考虑混凝土的开裂与压碎时，应注意要缓慢加载，以免在实际可承受荷载 通过闭合裂缝传递前出现混凝土的假压碎现象。这种现象通过泊松效应常常发生在与大量 开裂应变垂直的未开裂的方向上。同样也会在压碎的积分点上出现，输出的塑性和蠕变应 变值来自于先前子步的收敛。而且，当裂缝已经产生，则弹性应变的输出量就包含了开裂 应变。单元开裂或压碎后失去的抗剪作用将不能被传递到钢筋上，因为钢筋没有抗剪刚度。 在考虑开裂或压碎的材料非线性问题最好不要考虑：应力强化效应、大应变、大 变形。否则，结果可能不收敛或不正确，特别在有大转角情况下。 2 2 3 材料非线性本构模型 s o l i d 6 5 单元可以使用的本构关系有等强硬化模型( m u l t i l i n e a rs o t r o p i ch a r d e n i n g ) 、随动 硬化模型( m u l t i l i n e a ri n e m a t i ch a r d e n i n g ) 和d r u c k e r - p r a g e r 模型( d p 模型) m 】。在任一应 力水平情况下，弹塑性应变增量和应力增量之间的关系近似地表示为线性关系： o ) = 【d i a e 。 2 2 4 温度应力模拟收缩应力 在a n s y s 使用中，应用温度应力模拟收缩应力比较成熟的是用降温法处理预应力 1 4 2 有限单元法及a n s y s 分析软件在混凝土结构中的应用 钢筋的问题。 a n s y s 中对预应力钢筋混凝土的分析方法有三种：分离式和整体式以及组合式。对 于预应力混凝土结构，如果之进行混凝土开裂前的应力分析，可以将混凝土和预应力钢筋 束视为弹性材料，这只要用于使用荷载阶段( 部分预应力混凝土b 类构建除外) 的应力 分析。如果要进行混凝土开裂和极限承载力分析，则必须考虑二者的非线性特性。 t = f p 。 e 卑a l p 奄a 式中：卜温度荷载； ( 2 7 ) f 肌预应力筋的预加力； e 钥筋的弹性模量； a l p 钥筋的线膨胀系数； a 钥筋的横截面积。 初应变法通过对预应力筋单元的实常数设置初始应变来模拟预应力效应。 降温法比较简单，同时可以模拟由于温度收缩产生的收缩应力，并可以根据温度变化 的大小模拟不同的收缩程度，本文借鉴此种方法来处理含有施工缺陷的混凝土早起收缩。 2 3 小结 本章主要介绍了有限单元法的理论知识及分析过程，介绍了a n s y s 有限元软件的特 性，及其中对混凝土模型的处理及提供的对混凝土收缩的处理方法。 两安丁业大学硕十学位论文 3 施工缺陷对混凝土路面早期裂缝形成的影响 本章主要研究众多的施工缺陷中的振捣缺陷对路面早期裂缝形成的影响，这种裂缝的 形成是有路面板上水泥早期凝结硬化过程收缩受到约束受到制约所引起的，为了深入的研 究振捣缺陷对路面裂缝形成的影响，就要了解路面的组成及其关系，以便准确的建立有限 元模型模拟水泥凝结过程，分析收缩应力对早期裂缝形成的影响。 3 1 水泥混凝土路面层间关系 3 1 1 水泥混凝土路面的组成 一般而言，水泥混凝土路面的结构层次由上而下为：面层、基层、底基层。路面结构 的主要功能是承受汽车荷载的作用。汽车荷载在路面结构中自上而下传递，由于扩散的作 用，路面结构中的应力随着深度的增加而减小。因此，一般水泥混凝土路面各个结构层次 的强度和刚度自上而下逐渐降低。 水泥混凝土面层即路面板，是直接也是主要承受荷载的层次。路面板的厚度一般为 1 8 2 6 c m 。为了避免混凝土收缩产生不规则的裂缝，路面板一般要切缝以释放应力。通常 切缝后板块的长度为4 - 6 m 。水泥混凝土主要是由天然砂、石材料和水泥经过一系列物理 和化学反应的产物，是以水泥浆为结合料，将矿质骨料胶结在一起而形成的具有一定力学 性能的复合材料。水泥混凝土的抗压强度大、抗拉强度小、刚度大、允许变形小，常用的 路而水泥混凝土，其抗压强度一般为2 5 3 5 m p a ，抗折强度为4 8 m p a ，回弹模量为 2 7 3 0 g p a t 3 们。 基层是传递荷载的层次，其功能是把由路面板传来的应力进一步扩散并传递到垫层和 路基上。一般的基层材料有碎石、砂砾、石灰一粉煤灰稳定粒料、水泥稳定粒料、碾压混 凝土或贫混凝土等，最常用的是水泥稳定粒料和石灰粉煤灰稳定粒料。采用稳定粒料等半 刚性材料铺筑的基层被称为半刚性基层。一般半刚性基层的厚度为1 5 2 5 c m ，顶面回弹模 量为6 0 1 2 0 m p a 。当面层和基层的厚度比最小的防冻深度小，或者地下水位太高而路面结 构稳定，或者基层不能防止水分下浸而需要设置防水层时，就必须设置垫层。垫层的作用 是扩散应力、防水和抗冻。垫层的厚度通常为1 5 3 0 c m 。常用的垫层材料有砂砾、碎石、 石灰稳定土和石灰一粉煤灰等。稳定粒料、稳定土属于稳定类材料。稳定类材料是采用一 定的技术措施，在集料( 如粉碎的土、砂砾、碎石、矿渣等) 中，掺入适量的结合料( 如石灰、 水泥或沥青等) 拌和而成的建筑材料。与松散的原状土或砂石料相比，稳定类材料具有一 定的强度和稳定性，能够很好地扩散应力。 3 1 2 路面各层间施工顺序及结合关系 水泥混凝土路面是将混凝土直接浇注在基层表面。面板与基层之间的结合关系及相互 1 6 3 施工缺陷对混凝土路面早期裂缝形成的影响 之间的受力状况( 如滑动摩擦系数等) 是研究路面板温度应力、路面板滑动区和固定区长度 以及路面纵向失稳和开裂破坏的重要参数。同时，由于面板与基层接触状况复杂多变，基 层材料组成和用量的不同，温度变化的差异，导致路面板与基层之间的实际状况也比较复 杂 3 1 - 3 3 。现行路面设计计算理论是基于一种理想的层间结合关系，即假定路面面层与基 层之间为光滑平整接触。在接触界面上，面层与基层之间沿法向的位移相等，沿切向可以 相对滑动，且切向剪力忽略不记。这种假设模型认为面板与基层是两个独立的层面，层间 结合视为两个光滑构件的简单重叠。面板的弹性模量、泊松比和强度分别为e 、y 、仃， 基层的弹性模量、泊松比和强度分别为e 、y 、盯。路面板底面与基层界面光滑叠合在一 起，各自发生变形并可以相对水平运动，基层对面板无制约作用，反之亦然。然而，试验 研究表明，水泥混凝土面层和基层之间的界面接触，并不完全服从现行设计计算理论的假 设模型。 3 2 施工缺陷类型 3 2 1 材料控制 1 1 水泥 a 、水泥重量不足 虽然大多水泥袋标明5 0k g ，但是实际重量不足，使得配制的混凝土强度不足。因此水 泥进场时，监理工程师必须进行抽样称重检验，合格后方可使用。 b 、水泥存放时间太长 水泥的保质期较短，即使存储条件良好，水泥也会与空气中的水分和二氧化碳结合水 化。通常水泥正常条件下堆放3 个月强度下降1 0 2 0 。所以g b5 0 2 0 4 2 2 0 0 2 混凝土结 构工程施工质量验收规范( 以下简称规范) 规定“当在使用中对水泥质量有怀疑或水泥出厂 超过3 个月( 快硬硅酸盐水泥超过1 个月) 时应进行复验，并按复验结果使用。”另外根据 施工经验，刚出炉的水泥不宜马上使用，一般需经过1 0d 待其稳定后才能使用。 c 、水泥存放条件不合要求 为了防止水泥用错，应按不同的品种、标号、出厂日期存放，并加以标记。散装水泥 分库存放为宜；袋装水泥存放时应注意防潮，应垫起离地面大于3 0c m ，离墙也应大于 3 0 c m ，防止水分从墙体、地面渗入水泥。堆放高度不应超过1 0 包，存放时间长的应定期 翻动防止结块。水泥仓库应尽量封闭，如临时露天堆放应做好防雨工作，用防雨布包裹。 2 ) 石子 石子常见的问题有：石子表面孔洞太多，这种石子需要吸收大量水泥才能粘结，石子 表面太光滑如鹅卵石，这种石子与水泥粘结不牢，使混凝土强度下降，石子粒径太大，这 将影响混凝土的浇筑，因为构件的大小形状及钢筋的疏密限制了石子的最大粒径，因此规 范规定“混凝土用的粗骨料，其最大粒径不得超过构件截面最小尺寸的1 4 ，且不得超过 1 7 两安工业大学硕+ 学位论文 钢筋最小净间距的3 4 ，对于混凝土实心板，骨料的最大粒径不宜超过板厚的1 3 ，且不得 超过4 0m m 。” 3 ) 砂子 砂子在施工中常出现的问题是含泥量过大，有机物过多，这将降低混凝土的强度；另 外，海砂因含氯量太高，对钢筋有腐蚀，不宜用于配制钢筋混凝土。 4 ) 混凝土的施工配合比 混凝土施工配合比必须正确、合理，因为混凝土施工配合比很大程度上决定了混凝土 强度的大小。规范明确规定了“混凝土应根据实际采用的原材料进行配合比设计并按普通 混凝土拌合物。 性能试验方法等标准进行试验、试配，以满足混凝土强度、耐久性和工作性( 坍落度 等) 的要求，不得采用经验配合比。同时，应符合经济、合理的原则。”实际施工中，许多 现场人员为了方便，不到指定机构试配而采用经验配合比或试配时报送的原材料并非实际 施工采用的原材料，这都给工程埋下隐患，监理工程师应严格按规范监督配合比的试配工 作 3 4 1 。 3 2 2 混凝土的拌制 1 ) 材料重量未严格控制 施工中，操作人员为了方便，往往未对材料重量进行精确的控制。为了控制好材料重 量，应当对水泥无论袋装散装，配料前应先过秤。砂、石过秤后，留下一标准车做示范用。 在搅拌机前挂牌公示配合比，便于检查。另外，加料时应先装砂( 石) ，再装水泥，最后再 装石( 砂) 使水泥夹在砂石之间，不易飞扬和粘附在筒壁上易于搅拌。人工拌料时，应对砂、 石、水泥先进行均匀搅拌，后加水湿拌至颜色一致。加水过多也是旌工中常出现的问题， 为了让混凝土有更好的和易性，操作人员往往过量加水，这样会导致混凝土硬化后，多余 的水分会残留在混凝土中形成水泡，这些水泡蒸发后会在混凝土中形成气孔，大大降低混 凝土的强度。 2 ) 拌制时间不足 要保证混凝土拌合料均匀，必须严格地控制搅拌时间。搅拌时间是指从原料全部投入 搅拌机开始搅拌，到混凝土拌合料停止搅拌开始卸出。充分搅拌后的混凝土拌合料应具有 良好的和易性且混合均匀，颜色一致。实际施工中应根据要求规定合理的搅拌时间，以混凝 土坍落度小于3 0m m 为例，采用自落式搅拌机容积小于2 5 0l 的，最小搅拌时间为9 0s 。 3 2 3 混凝土的浇筑 1 ) 模板问题 模板的问题也和混凝土质量关系重大。施工中模板的不平、孔洞或拼缝不严密，未涂 隔离剂，模板上粘有垃圾、泥土都会造成混凝土表面蜂窝麻面。此外如果拆模时间过早， 此时混凝土强度不足，容易造成拆模时损伤混凝土，造成缺棱掉角，而且过早地拆模，会 1 8 3 施工缺陷对混凝土路面早期裂缝形成的影响 使混凝土失去支撑而不能有效地与钢筋粘结。 2 ) 振捣问题 振捣与混凝土强度关系很大。振捣时间过短，则混凝土不密实，振捣时间过长会造成 离析，石子大量下沉，水泥浆浮在面上。钢筋密集的梁柱交接处，如果不注意加强振捣， 极其容易产生空洞、露筋或蜂窝，对结构安全埋下隐患。大厚度混凝土应分层振捣，分层 振捣时每层混凝土不应超过振动棒长的1 2 5 倍，每次移动位置的距离不大于振动棒作用 半径的1 5 倍。为了消除两层间的接缝，振动上一层时应插入下层中5 0m l t l 左右。振捣 时间也要注意，振动每点时间大约为2 0s 3 0s 以保证振捣充分，且要“快插慢拔”，快插是 为了防止表面混凝土密实层下发生分层离析，慢拔是为了让振动棒拔出时不留孔洞。 3 1 混凝土养护 施工中许多工人为了省事，不注意混凝土的浇水养护，实际混凝土后期水化反应需要 大量的水，如果此时不进行浇水养护会使混凝土强度降低，因此规范规定“应在浇筑完毕 后的1 2h 以内对混凝土加以覆盖并保湿养护，混凝土浇水养护时间，对采用普通硅酸盐 水泥或矿渣硅酸盐水泥拌制的混凝土，不得少于7d ，对掺用缓凝剂外加型或有抗渗要求 的混凝土，不得少于1 4d 。 浇水养护的频率也是关键，因为水化过程是一个连续的过程， 因此浇水的次数应以能保持混凝土处于湿润状态为准0 5 1 。 3 2 4 施工缝的处理 施工中，往往不能将结构整体一次浇筑完成，因此必须设置施工缝。设置施工缝必须 严格按照规定执行，一般应设置在结构受剪力较小且便于施工的部位。浇筑施工缝前应先 将松动的混凝土除去、凿毛、钢筋除锈，并铺上一层1 0m n 1 1 5m m 厚的与混凝土内砂浆 配合比成分相同的砂浆，加强施工缝的振捣，保证施工缝处粘结牢固密实。 施工缺陷的种类虽然很多，但产生的后果基本都是造成材料不均匀，从而使混凝土强 度不均匀产生裂缝 3 6 - 3 9 】。由于振捣在施工过程中具有技术含量较高、操作程度难掌握， 且出现问题当时不易发现等特点。本文选振捣缺陷为研究对象，分析振捣缺陷对水泥混凝 土路面板初始裂缝形成的的影响。 3 3 振捣缺陷对路面早期裂缝形成的影响的仿真分析 3 3 1 收缩应力的来源 混凝土路面板在凝结过程中会产生收缩变形，同时这种变形会受到基层的制约。当 混凝土的拉伸弹性应变s 。和徐变s ，之和小于混凝土硬化过程中的自由收缩应变，的受 限制部分时，即：s 。+ s 。 o r 2 0 。设七= 0 - 2 0 - l ，实际二轴受拉试验，0 3 0 ， 损伤演化过程中，3 3 = 0 5 0 1 。 当k - l 时，由式( 4 3 5 ) 得 l + 口 口a l + a ，尼 1 ，= l l a q 七+ a 2 由( 4 3 4 ) 得 ， k yn d = 一一量 一v ( 1 + 尼) ( 1 3 2 ) 2 f l ：l ( 4 9 ) 得 ， l + b 石，。面而q 当k _ l 时，由式( 4 4 1 ) 得： l + 口 v ：( a 1 + a 2 k ) ( a l k + 吃) 由式( 4 4 0 ) 得 ( 4 4 8 ) ( 4 4 9 ) ( 4 5 0 ) ( 4 5 1 ) 4 损伤力学在混凝十裂缝中的应用 由式( 4 i o ) 得 由式( 4 4 2 ) 及式( 4 3 5 ) 得 6：一(k-v)(1-01)202 ( 1 一v k ) o d 2 ) 2d l 无= 嵩q 式中，少= 1 2 1 2 x 5 ，为y 对x 求导。 ( 4 5 2 ) ( 4 5 3 ) ( 4 5 4 ) 4 3 2 二轴受压强度 二轴受压应力状态，仃l = 0 ，仃3 c r e a t e c o m p o n e n t 将路 面下层与路基上层的接触面上的点分别创建组，并在p r e p r o c e s s o r m o d e l i n g c r e a t e c o n t a c t p a i r 中将两组点设置成切向可动，法向不可分的接触面。如图5 2 所示： 鼍i i 蕊 图52 路面板与路基之间的摩擦面 5 含早期裂缝的混凝土路面的仿真分忻 5 1 3 施加荷载 本文选取荷载轴重1 3 t 的汽车单个轮胎对路面的压力为研究对象，轮胎与路面接触 面0 2 r e x 03 m 俐m l ，单轮压力为6 5 0 0 0 n 00 6 m 2 施加于裂缝位置，并对路基底部施加位 移约束，如圉53 所示。 图53 水泥混凝图路面约束及施加的荷载 5 1 4 计算结果 中心位置含有2 m m 裂缝的水泥混凝土路面在汽车荷载作用下的有效应力如图54 图5 6 。 图5 4 路面在单轮荷载作用下的等效应力 阿安上业 学硕十学位论文 图55 路面板底裂缝处的等效应力 图5 6 路面板庭裂缝处有效应力详圈 通过观察图5 4 图5 6 可知，在2 m m 的裂缝上施加荷载后，裂缝尖端说产牛的有 效应力最大。本文用a n s y s 软件以相同的方法模拟了在水泥混凝土路面中心位置上含有 4 r n m ，6 m m ，8 m m ，1 0 m m 4 种不同宽度的裂缝，将其裂缝端部有效应力最大值汇总如表51 ： 5 含甲期裂缝的混凝土路面的仿真分析 表5 ，1 各种宽度裂缝的有效应力最大值 从表5 1 中可以看出，裂缝为4 m m 的裂缝在0 1 0 m m 裂缝这个范围内是产生应力最 大的，也就是破坏最为严重的，接下来本文以4 m m 的裂缝为研究目标，对裂缝出现的位 置及荷载最用的不同位置分别进行模拟分析，得到一组最不利的组合。 5 2 裂缝位置对路面的影响 为了更全面的分析裂缝对路面的影响，本文分别模拟水泥混凝土路面不同位置处的裂 缝在施加汽车荷载时的受力情况。由于路面的对称性取路面1 4 的9 个代表位置如图5 7 ， 在这9 个位置处分别设置4 m m 的裂缝，裂缝方向垂直于汽车行驶方向，此处简称x 轴方 向裂缝。并在每一个含有这种横缝的路面9 个代表位置分别施加汽车荷载，得到8 1 种组 合。应用a n s y s 有限元软件模拟，计算得出此8 1 种组合的应力应变情况，通过这些数 据的比较，得出路面的不利位置。 图5 7 路面板的9 个代表性位置 以在位置4 处含有x 轴方向裂缝为例，说明应用a n s y s 软件模拟含有裂缝路面板 在荷载作用的过程及其受力及变形情况。 路面模型如图5 8 ： 3 9 塑兰! ；! ! 奎童堡! ：兰堡堡圣 丽s y s = = ( a ) 路面模型 ( b ) 单元网格 图58 路面模型殛单元的划分 荷载作用在位置1 处的路面的应力应变如图5 9 蚕= 一麓：司 r 目 ( a ) 路面的应变云图 ( b ) 路面等效应力云图 5 古早期裂缝的混凝土路面的仿真分析 ( c ) 裂缝周围单元等效应力 图59 在位置l 处施加荷载的路面应力应变图 荷载作用在位簧2 处的路面应力应变如图51 0 ( a ) 路面的应变云图 ( b ) 路面等效应力云图 西安工业人学硕士学位论文 r - f 荷载作用在位置3 处的路面应力应变如图51 1 _ 匀f ( b ) 路面等效应力云图 5 含早期裂缝的混凝十路面的仿真分忻 景气嘉。忑了。忑一i 二忠。 ( c ) 裂缝周围单元等效应力 图51 1 在位置3 处施加荷载的路面应力应变图 荷载作用在位置4 处的路面应力应变如图51 2 ： 2 1 。一j ( b ) 路面等效应力云图 两宜r 业大学硕+ 学位论文 ( c ) 裂缝周围单元等效应力 图51 2 在位置4 处施加荷载的路面应力应变图 荷载作用在位置5 处的路面应力应变如图5 1 3 詹j 飞 熟：z l , l ( a ) 路面的应变云图 ( b ) 路面等效应力云图 5 音早期裂缝的 m 凝土路面的仿直分析 r f 囟，二1 1 荷载作用在位黄6 处的路面应变如图51 4 ( a ) 路面的应变云图 ( b ) 路面等效应力云图 堕兰，二些查兰至圭兰堡丝苎 ( c ) 裂缝周围单元等效应力 图51 4 在位置6 处施加荷载的路面应力应变图 荷载作用在位置7 处的路面应力应变如图51 5 霞1 图 _ = = i ( a ) 路面的应变云图 ( b ) 路面等效应力云图 5 禽甲期裂缝的混凝f 路面的仿真分析 ( c ) 裂缝周围单元等效应力 图51 5 在位置7 处施加荷载的路面应力应变图 荷载作用在位置8 处的路面应力应变如图5 1 6 ： ( a 潞面的应变云l 刳 丽s y s ! ! ! ! j e 兰薹主篁二主：! ! ! 。， ( b ) 路而等效麻力云阉 西安_ _ r = 业大学硕士学位论史 ( c ) 裂缝周围单元等效应力 图5 6 在位置8 处施加荷载的路面应力应变图 荷载作用在位置9 处的路面应力应变如罔51 7 r 臼i ( b ) 路面等效应力云图 5 含早期裂缝的混凝土路面的仿真分析 ( 0 裂缝周围单元等效应力 图51 7 在位置9 处施加荷载的路面应力应变围 本文取每种情况的裂缝处最大等效应力来比较裂缝位置和荷载位置对裂缝的影响 裂缝处等效应力如表二和图5 1 8 ： 表52 各个位置上x 轴方向裂缱处最大等效应力 i1 4 6 0 0 0 02 9 9 9 5 87 1 2 6 7 82 6 2 0 0 8 3 0 9 9 0 36 4 5 5 1 6 2 6 2 6 5 6 3 6 1 6 5 2s 0 6 6 1 3 22 8 3 5 9 31 3 1 0 0 0 09 6 7 2 0 92 7 0 2 3 4 3 4 0 4 4 59 8 6 0 3 2 2 5 5 5 6 83 8 2 8 0 88 9 6 6 2 9 37 9 8 23 1 4 2 9 71 6 2 0 0 0 05 5 5 4 4 5 7 3 6 43 5 1 8 8 41 6 3 0 6 22 7 4 8 1 85 2 5 2 9 0 43 3 7 0 8 72 8 0 7 9 65 5 1 7 3 51 0 2 0 0 0 02 6 5 3 9 07 7 2 3 3 4 5 6 7 5 5 97 6 0 9 3 31 0 7 0 0 0 0 裂缝 位置5 2 2 s 7 9 62 2 2 9 4 57 7 9 4 0 8 1 8 7 9 5 59 4 2 2 3 71 0 2 0 0 5 4 6 7 5 75 7 2 9 2 31 8 3 0 0 0 0 6 6 0 6 7 35 7 3 8 63 0 3 8 8 76 5 4 2 52 8 3 8 3 58 9 1 2 9 i 2 9 4 1 8 64 0 1 7 8 4 8 5 5 2 , 4 2 71 5 5 5 7 31 7 4 4 6 64 7 2 4 6 63 9 0 3 8 08 2 9 7 78 1 3 2 6 43 5 7 0 0 0 01 2 2 0 0 0 0 1 7 2 0 0 0 0 81 4 2 4 1 61 2 1 0 1 56 9 3 7 4 62 1 6 0 2 4 2 5 8 3 0 99 8 3 0 3 5 8 7 0 5 2 14 8 0 0 0 0 04 6 7 0 0 0 0 96 6 2 21 2 9 1 93 8 5 2 15 7 1 l2 2 4 1 2 5 t 0 8 34 0 2 8 14 3 8 3 21 2 0 0 0 0 0 西安工业大学硕士学位论文 襄2 0 0 0 0 0 0 舯 荷载位置 23456789 囤51 8 裂缝附近最大等效应力 裂缝位置 口i 2 口3 4 口， 6 7 口8 口9 如图5 1 8 可直观看出，各个位置上的裂缝处最大等效应力太多是在其正上方施加荷 载时所受的等效应力，裂缝处于7 ，8 位置，荷载在7 ，8 ，9 位置上时所产生的等效应力 咀显大于其他部位。观察这几个位置均分布于路面板的边缘，且裂缝的方向正好与板边缘 垂直，如图5 1 9 。 匀 图51 9 垂直于汽车行驶方向裂缝的最不和i 位置 5 3 裂缝形式对路面的影响 沿汽车行驶方向的裂缝，以下简称z 方向裂缝，路面模型为囤52 0 5 古早期裂缝的涅凝 j 路面的仿真分析 图52 0z 轴方向裂缝模型 n s y s 应用与x 轴方向裂缝相同的分析方法，模拟计算出荷载作用下台有竖缝路面的裂缝 处最大等效应力值，如表三和图52 l ： 表53 各个位置上z 轴方向裂缝最大等效应力值 西安。r 业人学硕士学位论文 2 5 0 0 0 0 0 捌2 0 0 0 0 0 t 1 凝 神1 5 0 0 0 0 6 荷载位置 li1i 仰1 lli d b酬删脚刷吲 图52 1 各个位置上z 轴方向裂缝处最大等效应力 裂缝位置 口l 2 r _ 3 厂_ 4 j 口6 7