玄武岩纤维筋在水泥混凝土路面中的应用研究.doc

玄武岩纤维筋在水泥混凝土路面中的应用研究 分类号密 级单位代码玄武岩纤维筋在水泥混凝土路面中的应用研究姜杉指导教师 周纯秀 职称 副教授学位授予单位大连海事大学申请学位级别工学硕士 学科专业 道路与铁道工程论文完成日期 年月 答辩日期 年月答辩委员会主席一:大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明:本论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,:。除撰写成硕士学位论文: 玄武蚩红维筮查丞渥遏趟路面虫的廑用婴窒论文中已经注明引用的内容外,对论文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名: 姜盘学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规定,即:大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库中国学术期刊光盘版电子杂志社、 中国学位论文全文数据库中国科学技术信息研究所等数据库中,并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。本学位论文属于: 保密口在?年解密后适用本授权书。不保密/请在以上方框内打、/,导师签名:同键秀论文作者签名:姜弗日期: 年 月 日中文摘要摘 要水泥混凝土路面破坏形式主要分为断板、错台、接缝啃边等,而板间荷载传递能力差是一个不容忽视的原因。故对传力杆进行研究为提高路面耐久性的主要任务之一。我国现阶段道路设计以钢质传力杆为主,但其存在着易腐蚀等诸多弊端。世纪年代至今,国内外诸多学者致力于钢制传力杆的替代技术方面的研究。玄武岩纤维筋以其自身的诸多优点,得到普遍关注,在土木工程结构中应用前景较为广阔。本文采用新型的玄武岩纤维筋,系统地分析研究玄武岩纤维筋增强水泥混凝土路面的性能,以解决传统钢筋混凝土中的钢筋锈蚀等问题,提高道路建设中水泥混凝土路面的路用性能、抗腐蚀能力和耐久性。本文利用有限元软件对设有传力杆的水泥混凝土路面进行三维有限元数值模拟,分析传力杆采用不同直径、长度、布置间距的情况下,水泥路面板的力学响应;研究传力杆与混凝土界面间不同的接触特性对接缝传递能力以及路面板受力的影响;研究设传力杆接缝在车轮荷载作用下的传荷能力有关规律,分析传力杆的路用性能及其与水泥混凝土路面问的接触应力。对比分析玄武岩纤维筋与钢筋作为传力杆的路用性能,验证玄武岩纤维筋取代钢筋作为传力杆的可行性。根据荷载作用下玄武岩纤维筋水泥混凝土路面应力、传力杆应力等,开展玄武岩纤维筋传力杆的几何尺寸、在路面结构中的布置方案设计等研究。关键词:玄武岩纤维筋;传力杆;荷载传递系数;数值模拟英文摘要, . ., . . 。, , . ., .英文摘要 ,。:,目 录目 录第章绪论.研究背景.国内外研究现状及分析.传力杆研究现状一.复合材料研究现状?一.玄武岩纤维筋研究现状一.本文主要研究内容第章理论基础.地基假定理论?.弹性薄板的定义与假定”.温克勒地基与弹性均质半空间地基?.弹性层状半空间地基?.传力杆的内力分析.梁单元假设.弹簧单元假设?.混凝土本构模型?.界面本构模型.本章小结?第章有限元模型的建立及参数确定?.有限元简介.车辆荷载模型的简化.最不利荷载位置的确定?”.路用材料参数的确定.接缝传递荷载能力的评定.面层材料参数的确定?.基层材料参数的确定?.土基材料参数的确定?.传力杆材料参数的确定.接触属性的确定.对接触属性的定义?.不同接触状态的影响分析?目 录.传力杆与混凝土路面间接触状态的影响分析.本章小结?”第章荷载作用下路面力学响应分析?一.全局模型的建立?一.子模型的建立一.应力在传力杆与混凝土接触面间的分布情况?”.传力杆布置间距变化对路面力学响应的影响分析“.传力杆直径变化对路面力学响应的影响分析?一.传力杆长度变化对路面力学响应的影响分析?一.本章小结?“第章结论与展望?一.结论.进一步研究建议?一参考文献致 谢研究生履历?玄武岩纤维筋在水泥混凝土路面中的应用研究第章绪论.研究背景二十世纪八十年代起,水泥混凝土路面以其较强的抗灾害能力以及适应性,取得了快速的发展。在我国已建的水泥混凝土路面中,大部分都没有达到其设计使用寿命便已失效。路面的使用寿命如此之短,致使我国在道路建设方面的投资效益很大程度降低。水泥混凝土路面的破坏形式主要以断板和错台为主。由钻芯取样及落锤弯沉试验可推断,大部分路面板的材料强度及路基支承强度都处在正常的范围内?。故可得出结论,路面板除超载导致破坏外,板间荷载传递能力较差也是一个不容忽视的原因【。路面板对大气温差周期变化较为敏感,这种环境下路面板会产生内应力。当拉应力超限时,路面板便产生裂缝;压应力超限时,路面板便被挤碎。由此可知,对水泥混凝土板做切缝处理十分必要,此种做法可以消除温差造成的内应力,并且能够保持路面的整齐美观。但是路面板接缝构造会使其工作环境进一步恶化,会使行车颠簸,影响行驶的舒适性,又会影响路面的质量。实际上,接缝的荷载传递能力决定了接缝设置效果。可通过设置传力杆来提高其荷载传递能力。传力杆将车轮荷载由一块板传递到下一块板,可避免板端的过度弯沉,如此可避免或者减轻板端附近横向折裂或者板角开裂,并能避免接缝处出现相对垂直运动【】。我国现阶段道路设计以钢质传力杆为主,但对此种传力杆的大量使用不但会提高建造成本,也存在诸多弊端。国外相关研究指出,传力杆采用钢材制造并不是很明智的选择。主要因为钢材存在如下方面:钢材的锈蚀无法避免,待其使用多年后,便会出现锈蚀现象,影响其工作性能。钢材表面硬度大,当受车轮荷载作用时,传力杆会在与混凝土接触界面产生较大接触应力。当该应力超出极限时,二者之间便会出现较大间隙,致使其失去传递荷载的能力。热膨胀系数差距较大,其在外界环境温度变化时,二者之间会存在较大温度应力,当该值超第章绪论限时,钢筋便发生断裂。施工过程中,钢筋自重较大,会给施工带来不便,同时安装位置存在偏差也无法避免。经上述分析可知,钢筋在连续配筋路面及接缝水泥路面中存在较多有待解决的问题。故新材料应用于传力杆,研究出新型的传力杆,对降低工程造价、提高使用寿命、提高投资效益等存在较大意义。世纪年代到现在,国内外学者一直在这方面进行研究。通过长期研究与分析,由纤维增强复合塑料,简称代替钢筋,由此能够解决重载路面、路面、桥梁路面和腐蚀环境恶劣及寒冷地区钢筋混凝土结构中钢筋耐久性问题。和传统钢筋对比可知,材料质量轻且强度高。其质量为普通钢筋/左右,强度是普通钢筋的倍之多,且其具有非传热、非电磁性、其热膨胀系数和普通水泥混凝土相差不多,材料凭借上述优点及施工性能好、耐腐蚀等得到工程界的认可。其在工程界的研究与应用已成为焦点。筋由多股连续长纤维及基底材料胶合而成,通过特制模具的挤压及拉拔后成型【】。筋按所使用纤维类型可分为碳纤维塑料筋筋,玻璃纤维塑料筋冲筋及芳纶纤维塑料筋筋等。三者力学性能基本相近,差别在于与结构相关的其他性能上。三者之中,筋凭借其广泛的材料来源及较低的成本得到较为广泛的应用。但其耐碱性差,不利于在碱性的水泥混凝土中使用。而筋不受碱性环境影响,可以在碱性的水泥混凝土中使用;筋因其价格昂贵,应用较少。我国纤维供应普遍趋紧,碳纤维则严重短缺,在一定程度上阻碍了筋的应用与推广。而最新研制出的玄武岩筋,价格低廉、原料储量丰富,同时具有其它筋材料所具有的诸多优点,其得到了普遍研究与关注,在土木工程结构中的应用前景较为广阔。与碳纤维、玻璃纤维及芳纶等其它高性能的纤维相比,玄武岩纤维不但力学性能好,而且耐高温、耐酸耐碱极强、吸湿性低、抗紫外线能力强,有更强的耐环境能力,而且其抗辐射、高温过滤性佳、绝缘性能好。玄武岩纤维筋在水泥混凝土路面中的应用研究.国内外研究现状及分析.传力杆研究现状接缝耐久性和传递荷载能力对接缝的使用性能起着决定性作用。接缝传递面板上荷载的途径主要有:传力杆;接缝两侧榫槽;接缝断裂面上集料嵌锁作用;大剐度基层的支承作用。国外对水泥混凝土路面接缝传荷能力的研究较早。 年,.等人以挠度和应变为评价指标,对试验路进行了评定。年,.等通过试验测定了不同条件下重复荷载作用万次后接缝的传荷能力,以评定荷载传递的耐久性【。胡伟指出随着混凝土对传力杆支承模量的增加,荷载传递能力逐步增强,但当支承模量足够大时,几乎就不再有影响。混凝土面板与传力杆之间的粘结缝隙对传力杆的荷载传递能力也有一定的影响。当缝隙宽度较小时,荷载传递系数随着宽度的增加而明显下降;当缝隙宽度较大时,它的变化对荷载传递系数影响不明显。荷载传递系数沿着缝隙长度方向呈二次曲线下降,表明它对传荷能力影响较大【。李侠对不同条件下传力杆与混凝土接触面的应力以及接缝传荷能力进行研究,指出路面板厚度和传力杆直径对受力板影响较大。面层厚度的增加有利于降低界面处混凝土的最大主应力,面板厚度增加时,最大剪应力先增大后减小。传力杆直径增加时,传力杆界面位置的混凝土最大剪应力以及最大主拉应力先增大后减小。传力杆松动情形下,最大主拉应力和最大剪应力变化幅度较小,但接缝传荷能力下降明显】。陈旭华对传力杆与混凝土接触界面的应力分析,发现由于传力杆的存在,使得接缝处混凝土出现应力集中现象。接缝端面处比其他位置承受的更大的应力,这一小部分混凝土因应力过大易被过早挤碎。沿着传力杆长度方向,受荷板和非受荷板的应力削减都很快。第章绪论丘概新对传力杆采用不同直径以及不同的布置间距进行了研究。根据数值分析可知,传力杆直径的增大有利于减小水泥混凝土面层弯沉差,可以把作为传力杆直径对接缝传荷能力的临界值。直径小于时,接缝传荷能力随着直径的增大有明显的提高;直径大于等于时,面板的传荷系数以及沉降差变化不明显。传力杆间距的减小可有效提高接缝传荷能力,以及减少错台和断板病害等嘲。高伟研究了传力杆间距与路面板厚度的关系,指出当路面板厚度较大时, 可以设置较大的传力杆间距。采用合理的间距,选择合适的直径,可有效降低钢筋用量,节约公路建设成本【。混凝土路面作为车辆荷载的直接承载体,长期暴露于自然界中。蒋应军指出在荷载与温度耦合作用下,传力杆与混凝土界面在较小范围内存在应力集中现象。在均匀降温作用下,主应力发生在接缝面和杆两端位置附近。在温度梯度作用下,最大主应力均接近材料的破坏极限,故在界面处容易引起混凝土开裂,降低荷载传递能力【】。蒋应军等研究了在翘曲效应和胀缩效应影响下的路面翘曲变形,指出负温度梯度对接缝传荷能力是有利的。因此,在分析路面接缝传荷能力时,应重点考虑正温度梯度的影响。对某些特定的路面结构来说,某一时刻面板内部的温度分布对荷载传递系数起决定作用。荷载传递系数在一年或一天内不同的时刻,均有着周期性变化。即使在路面接缝处在非常完好的状态下,传荷系数也存在非常低的可能性【。.复合材料研究现状钢筋锈蚀、物理化学作用以及冻害是引起混凝土破坏的主因,其中钢筋锈蚀主要影响混凝土耐久性。钢制传力杆同样存在锈蚀问题。尤其在我国北方地区,用于道路除雪的氯盐类物质对钢筋的影响尤为重要。钢筋发生锈蚀后,体积会增大为原来的?。倍,从而引起内应力,致使钢筋周围混凝土出现裂纹,降低了传力杆的传荷能力。玄武岩纤维筋在水泥混凝土路面中的应用研究年美国威斯康星州交通局研究员 一利用不锈钢代替传统钢质传力杆。强度高于传统钢质传力杆,且具有抗锈蚀性能,无需涂环氧防护层。美国爱荷华州立大学结构实验室尝试研究利用铜或者铝代替钢质传力杆【】,但材料费用昂贵。同时,不能解决由传力杆的表面硬度大导致的接触面存在较大应力问题。教授课题组对该地区年以来的路面传力杆美国爱荷华州立大学使用情况作了大量调查,同时对不同材料路面传力杆性能与经济性进行对比,发现当实芯复合材料的传力杆直径加大%时,便可取得与钢制传力杆同样的荷载传递系数。在设计合理的前提下,复合材料的传力杆性能可超越钢质传力杆,但实芯复合材料棒材造价较高。年于美国明尼苏达州立大学的 教授,研究采用灌浆不锈钢管代替纯钢质传力杆。结果显示,二者性能几乎相同。在加速加载试验中,灌浆不锈钢管荷载传递系数下降较快。故前者在野外具有长期的、足够的传荷能力。用复合材料来替代钢筋作为路用传力杆,在国外应用较为广泛。以纤维加筋聚合物复合材料为代表的复合材料,具有强度高、耐久性好、抗腐蚀能力强等优点,在交通及工民建行业应用前景广阔。.玄武岩纤维筋研究现状玄武岩连续纤维原料为玄武岩矿石,将其破碎后加入熔窖,在 。的高温状态下熔融后,经过拉伸等工序而形成的连续纤维【】。玄武岩纤维,简称筋增强材料为玄武岩连续纤维,基体材料为合成树脂,加入适量的辅助剂,通过拉挤成型及表面处理等工序而形成的一种新型复合材料】。和钢筋比较而言,筋强度较高、绝缘性好、质量较轻、抗疲劳性好,在土木工程领域应用前景广剐】。从玄武岩纤维筋与钢筋的物理力学性能对比分析可知,筋的抗拉强度约为普通钢筋的倍,而抗拉弹性模量仅为普通钢筋的五分之一。应力应变曲线有第章绪论良好的线性关系,不存在屈服阶段,筋材的破坏为脆性破坏。筋的抗拉弹性模量随直径增大而减小,抗拉弹性模量主要与玄武岩纤维的含量有关,玄武岩纤维含量越高,筋的抗拉弹性模量越大【”】。在筋掺入钢丝后,可显著提高筋材的抗拉弹性模量,达到】。玄武岩连续纤维的化学性能要高于钢筋。该特性为玄武岩连续纤维在桥梁、隧道、堤坝等水泥混凝土结构,以及在沥青混凝土路面、飞机起落跑道等经常受。到高湿度、酸碱类介质作用的建筑结构中的应用,开辟了广阔的前景【迄今为止,玄武岩纤维筋在水泥混凝土路面中主要应用在连续配筋路面,对。于连续配筋混凝土路面,应采用“小直径筋材,小间距设置”的设计思路【配筋率增大会引起裂缝间距、宽度以及纤维应力的减小。配筋率一定的前提下,纤维筋直径的增大会引起裂缝间距、宽度等的增大,纤维筋应力不受纤维筋直径的影响;直径一定时,配筋率的增加会引起裂缝间距、宽度以及筋材应力的减小。为提高配筋路面的使用性能与耐久性,同时考虑到施工方便与经济性,应选取较小的裂缝宽度和纤维筋应力,以及较大的纤维筋间距和合适的裂缝间距【引。玄武岩纤维筋与混凝土的粘结破坏形式主要有两种:拔出破坏和劈裂破坏。通过对试件的粘结滑移曲线分析,可将筋与混凝土粘结锚固受力过程主要。归纳为以下几个阶段:微滑移阶段、滑移阶段、拔出阶段、下降阶段和残余阶段【筋的极限粘结强度随着保护层厚度的增加而增大,当保护层达到一定厚度时,粘结强度不再增加【。筋与玄武岩纤维混凝土的粘结性能,随着筋在混凝土中的锚固长度增大,与玄武岩纤维混凝土的平均粘结强度随着纤维筋直径的增大而减小【。玄武岩纤维筋在水泥混凝土路面中的应用研究.本文主要研究内容研究目标采用新型的玄武岩纤维筋,系统地分析研究玄武岩纤维筋增强水泥混凝土路面的性能,以解决传统钢筋混凝土中的钢筋锈蚀等问题,提高道路建设中水泥混凝土路面的路用性能、抗腐蚀能力和耐久性。研究内容设置玄武岩纤维筋传力杆的水泥混凝土路面数值分析模型的建立及参数确定。玄武岩纤维筋传力杆与水泥混凝土界面荷载传递特性研究。分析传力杆与混凝土界面间不同的接触特性、结构层参数、传力杆几何尺寸及布置形式变化情况下,玄武岩纤维筋传力杆与水泥混凝土界面间的荷载传递特性。荷载作用下设置玄武岩纤维筋传力杆的水泥混凝土路面力学响应分析分析传力杆采用不同直径、长度、布置间距的情况下,水泥路面板的力学响应,开展玄武岩纤维筋传力杆的几何尺寸、在路面结构中的布置方案设计等研究。研究方法和技术路线通过理论研究、有限元软件的模拟分析,建立设置玄武岩纤维筋传力杆的水泥混凝土路面的三维有限元模型,研究设传力杆接缝在车轮荷载作用下的传递荷载能力的相关规律,分析传力杆的路用性能及其与水泥混凝土路面间的接触应力【。技术路线图如图.所示。第章绪论图.技术路线图.玄武岩纤维筋在水泥混凝土路面中的应用研究第章理论基础.地基假定理论结构分析的目的在于确定路面结构承受行车荷载及环境因素作用时的力学响应。对路面结构求解时多采用数值分析法以及解析法。此时常将路面结构转换成弹性地基板及弹性层状体系。对于刚性路面的应力分析,目前多以弹性地基上的薄板作为力学分析的模型【。.弹性薄板的定义与假定将两个平行平面以及垂直这两个面的棱柱面或柱面所围成的结构即为板,垂直并平分平板厚度的平面为板的中面。设板面的最小尺寸为,若远小于,则此板即为薄板。当薄板受到垂直板面荷载作用时,会发生弯曲,此时中面弯曲成弹性曲面。中面各点沿板厚度方向所发生的位移为薄板挠度。若远小于,此时便为薄板的小挠度理论。鉴于混凝土为脆性材料,该种类型的路面厚度远小于其平面尺寸,面板不宜产生过大挠度,故刚性路面工作状态符合薄板的小挠度理论基本假定。弹性地基板理论通常把刚度大的水泥混凝土面层看作是支承于弹性地基上的小挠度弹性板。采用弹性地基板模型分析荷载应力时,对于面层板通常作如下假设【】:板为等厚度弹性体,属性以弹性模量以及泊松比表征;荷载作用在板上时,若施压面直径或者最小边长比板的厚度大时,其竖向压缩应变以及剪应变的影响可不考虑,利用薄板弯曲理论对其进行计算与分析】;板厚大于施压面尺寸时,则采取厚板理论进行计算,抑或以厚板理论为依据对利用薄板理论进行求解所得结果进行修正;弹性地基的地基与板之间不存在摩阻力;荷载作用下,板与地基间的接触完全连续,地基顶面挠度即为板挠度。第章理论基础.温克勒地基与弹性均质半空间地基路面工程中,通常将路基视作弹性半空间体,即以无限平面为界,深度方向为无穷大。的弹性介质,弹性半空间体为弹性层状体系中最为简单的情况之一。以弹性理论方法分析路基于各种荷载作用下的位移和应力。温克勒地基对刚性路面采用弹性地基上的薄板模式进行应力状态分析,地基假定主要分为两类,分别为弹性均质半空间地基和地基【。地基假定是于年在研究铁路路基上部结构时提出的【。该假定内容为地基单位面积上承受的压力与地基的沉陷量成正比。威斯特卡德在地基假定的基础上创建了刚性路面应力分析模式,他指出地基的反力仅有垂直力,和板挠曲成正比【。可用公式来表示,代表地基顶面某一点的反力,系数为“地基反应模量”,为常数,与挠曲无关。如果用公式来表示,即:.式中:?地基顶面某一点的反力;?地基反应模量/;?竖向挠度。地基模型如图.所示,位于地基顶面的任意点挠度仅仅与作用在该点压力成正比,与其它点没有关系,犹如图.中所示的由较多密集且互不关联的线性弹簧组成一般。而在实际受力过程中,面板上一部分受力,也会引起相邻部位发生沉陷。图.温克勒地基.玄武岩纤维筋在水泥混凝土路面中的应用研究弹性均质半空间地基人们对地基假定的不足进行补充,提出符合弹性体假设的弹性均质半空间地基假设,弹性均质半空间地基力学性质同样用泊松比及弹性模量表示。该假设中假定地基为均质的、完全弹性的、连续的、各向同性的半空间体图.。地基顶面每个点的挠度与该点及其它点上的压力有关。地基的表面垂直位移与荷载关系可用均质半空间体表面受轴对称荷载作用时的位移计算公式.来表示:.厶多孝缈,.:塑与箬盈式中:,?位移函数;烈?地基表面轴对称荷载厂零阶享格尔变换式;山纠?第一类零阶贝塞尔函数;,.?离开荷载作用点的距离;孝?任意参数。图.弹性均质半空间地基. 巴斯特纳克地基巴斯特纳克提出了介于上述两种假定之间的过渡模型?巴斯特纳克地基模型图.。该模型假定地基中每个弹簧单元之间都存在某种程度的剪切阻尼作用,犹如弹簧顶部和不可压缩的板单元或者梁单元组合而成的剪切层相联结,层内部的各个单元发生横向剪切变形。利用地基剪切模量与地基反应模量来表征地基的性质。剪切模量等于零时,此模型便为地基模型;增大时,横向联系的增加可调整地基的反应【,从而趋近半空间地基。第章理论基础图. 地基.不同的地基假说会产生不同的计算方法,上述几种假说相应的计算方法均有各自的发展。但以地基假说为依据的计算方法在多数国家广泛应用,尽管此种方法低估了地基侧向联系,但所得的计算结果偏安全。目前广泛应用于诸多领域的威氏应力计算公式尽管是在地基假说之上建立的,但威斯特卡德本人更倾向采用弹性半空间地基。他认为应当用弹性模量及泊松比描述深层弹性固体地基。.弹性层状半空间地基除直接铺设在土基上的水泥混凝土路面之外,对于设置基层的混凝土路面均应视为弹性层状半空间地基上的板体。.于年提出弹性层状体系中的应力与位移的理论解。此后,人们便可按照弹性层状半空间地基假定描述层状地基。层状地基和半空间地基的区别在于,层状地基沿深度方向可分为若干层,层次之间又符合一定连续条件。层状地基的每个层次具有不相同的弹性特性,且符合弹性相关理论基本假定。基本假定如下:各层材料均为各向同性、均匀的线弹性体】;假设土基在水平方向和向下的深度方向均为无限,其上的路面各层厚度均为有限,但水平方向上仍为无限【】;假定垂直荷载作用于路面上层,二者接触面形状为圆形,接触面上压力为均匀分布;层与层的接触面假设呈完全光滑亦或完全或者部分连续。玄武岩纤维筋在水泥混凝土路面中的应用研究、 , , ,、, 、巨,如,玎晶,伽/图.弹性层状半空司地基.经过长期实践,人们发现,刚性路面的地基工作状态实际上不完全符合弹性理论基本假定,尤其是重型车辆反复作用时地基所表现出的某些非弹性性质和某些非线性性质等【。人们曾尝试将反复荷载作用下地基弹性模量随地基应力与应变状态发生的变化、土基的塑性变形累积等计入刚性路面的应力分析数学模式中,但这些问题的复杂性不言而喻,而大量实验证实温克勒地基和弹性半空间地基所计算得到的面板应力基本上符合实际情况,致使地基假说以及弹性半空间地基假定仍然被人们视为刚性路面应力分析的基础。.传力杆的内力分析.梁单元假设缩缝中传力杆的应力状态非常复杂,往往存在由荷载引起的弯曲、剪切以及支承压力等。可用解析方法对这些应力进行分析,目的在于确定传力杆几何尺寸、布置方式以及传力杆接缝荷载传递能力【】。目前日本、印度等一些国家以解析法作为传力杆设计基础,但多数国家仍依据路面板厚度确定传力杆尺寸和布置。传力杆的内力分析以铁木辛柯理论为依据,认为混凝土路面接缝位置的传力杆受到力的作用后,会发生弯曲变形,其受力情况如图.所示。第章理论基础图.传力杆的受力状态 . 从图.可以看出,由相邻路面板传递来的轮压,作用在传力杆端部,此时,传力杆整体全部承受支撑反力。假定传力杆为埋在弹性均匀介质里的一根悬臂梁,梁体于弹性介质内弯曲呈波浪形。假设梁埋置长度无限长,可理解成一定长度以外,梁的变形和应力均趋于零。弹性介质对于梁体的支承反力和介质的压缩程度成正比,且符合温克勒地基假定。埋置于混凝土内的传力杆的相对刚度可按式.确定:亿,剖式中:?混凝土弹性介质的地基反应模量;?传力杆直径;?传力杆弹性模量;,?传力杆惯性矩;?传力杆相对刚度/。由铁木辛柯理论可知,只所引起的传力杆挠度方程为:南.。啦“酬式中:?自然对数的底;?传力杆的计算截面与混凝土板端部距离;玄武岩纤维筋在水泥混凝土路面中的应用研究%?混璇土椒躏邵传力材所承党的芎矩;?传力杆相对刚度/;尸?由相邻路面板传来的荷载。根据材料力学知识可知,荷载引起的传力杆的弯矩方程与剪力方程分别为弯矩方程.一日窘等峪唯一肚“咄眺】剪力方程.:?:一一厨。一只。啦】假设缝宽度为,因为混凝土刚度比钢筋刚度大,故传力杆与混凝土端部位置的弯矩如下:.。:譬由式.可得出混凝土板端部的挠度,即:沪,。:了. 【?劲。志励。硒【膨在处,混凝土和传力杆间的支承压力最大:仃.嚣励剪力为零位置存在最大弯矩值,。:,由计算可知,最大弯矩位于.,.为传力杆埋置长度。故可求得传力杆最大弯矩%嗽为:.。一而第章理论基础式.、式.可以直接应用于传力杆的应力验算及设计之中。一般混凝土地基反应模量由试验确定,通常可取/。.弹簧单元假设传力杆接缝位置的荷载传递,可以采用于对应节点间设置梁单元与弹簧单元的方式。前者可代表传力杆传递荷载的作用,后者代表混凝土对于传力杆支承的传递荷载的作用】。梁单元剪切刚度瓯可用产生单位竖向位移时的抗力/来表征,可按下式确定:.驴焉塑 ? .式中:,?传力杆截面惯性矩;仁传力杆剪切模量/;卜传力杆弹性模量/;?接缝缝隙宽度;彳?传力杆的有效横截面积,为.倍的截面积。传力杆相对混凝土产生单位竖向位移时所传递的剪力/可用来表征混凝土与传力杆相互作用的弹簧刚度,可按下式确定:.吾十筹式中为传力杆与混凝土系的相对刚度/。随着混凝土的弹性模量和泊松比、混凝土板厚度、传力杆直径以及松动量而变,其值为亿四乙筹式中:?混凝土相对传力杆的支撑模量/;?传力杆直径。玄武岩纤维筋在水泥混凝土路面中的应用研究包含有两部分刚度的传力杆接缝可用组合剪切刚度表征,其定义为. 古?.混凝土本构模型有限元软件中,混凝土损伤塑性模型的非弹性行为由混凝土各向同性损伤弹性与各向同性拉伸、压缩塑性模式相结合的形式来表示。本模型基于线弹性,为连续的混凝土损伤模型。假定混凝土主要破坏形式为拉伸开裂及压缩破碎。屈服以及破坏面的演化主要受两个硬化变量控制,分别表示拉伸及压缩等效塑性应变。单轴拉伸及压缩荷载该模型假定由损伤塑性描述混凝土单轴拉伸及压缩性状,如图.、图.所不。叼图.混凝土单轴拉伸下的应力应变关系图 .第章理论基础与图.混凝土单轴压缩下的应力应变关系图.达到破坏应力之前,单轴拉伸的应力与应变为线弹性关系。达到该破坏应力时,出现微裂缝。超出破坏应力之后,随着微裂缝群的产生,材料的宏观力学性能发生软化,从而导致混凝土结构应变局部化。单轴压缩时,达到初始应力值之前处于线弹性阶段,屈服后为硬化段,超出极限应力时发生应变软化。此种方法虽然简单,但能够体现混凝土主要变形特征。.界面本构模型摩擦属性中经常使用罚函数摩擦模型、摩擦模型、库仑摩擦模型以及动力学摩擦模型等。罚函数摩擦公式允许接触表面存在“弹性滑移”,对于大多数接触问题均适用。计算摩擦时,收敛难度增大,且摩擦系数与收敛难度成正比。故摩擦对计算结果影响不大时,可将摩擦系数设为零。小滑移与有限滑移用小滑移以及有限滑移公式描述接触面之间的滑动。采用小滑移公式时,从最开始所建立的主、从面节点关系,在整个过程会一直保持;有限滑移允许接触面间存在任意相对滑动。应用有限滑移公式过程中,不断判断主、从面节点的接触位置,计算成本远远高于小滑移公式。玄武岩纤维筋在水泥混凝土路面中的应用研究本文接触单元本构模型采用弹性库仑摩擦模型,剪切应力和法向应力函数关系为: , 、亿四仁 三: .式中:?剪切应力;尸?法向应力;?接触面间相对位移;?接触面间摩擦系数;?弹性极限相对位移。由图.可知,剪应力与摩擦系数以及法向应力有关。故分析考虑接触效应的路面结构时,须考虑初始应力场影响。图.为经典接触问题本构模型,有两个参数,分别为界面摩擦系数以及法向刚度。帆 图.库伦摩擦示意图 . .本章小结本章对地基假定理论,包括温克勒地基与弹性均质半空间地基,弹性层状半空间地基等假定理论内容做了简要介绍,对其应用及发展前景做了简要分析。结构分析时,通常将路面结构转化为弹性地基板或弹性层状板体系并采用数值分析或解析法进行求解。本文采用弹性层状半空间地基作为地基的假定形式。第章理论基础对传力杆内力分析假设理论作以概要介绍,包括梁单元假设及弹簧单元假设,并做了简要分析。对混凝土本构模型、界面本构模型做简要介绍,通过对比分析及工程实际,本文模型采用罚函数界面本构关系。玄武岩纤维筋在水泥混凝土路面中的应用研究第章有限元模型的建立及参数确定.有限元简介力学分析方法归结起来分为两大类,分别为数值法与解析法。实际工程中物体形状和承受的荷载比较复杂,只有少数简单问题可用解析法求解,而此种方法工程量较大,计算过程复杂,且不能进行透彻分析。计算机仿真数值分析的优势在于,速度较施工过程快,且得到的数据较为齐全,成本低,可进行高度仿真,同时可对施工进度进行随时模拟,对设计及施工过程能起到指导作用。仿真技术对人类社会发展具有重要意义,近年来仿真技术在众多领域得到广泛应用【】,计算机仿真技术使对复杂结构的计算与分析成为可能。数值模拟的方法主要分为离散元法、边界元法、有限元法以及有限差分法。其中有限单元法在实际工程中的应用较广。随着、技术的发展,有限元相关软件已经在各个领域得到广泛应用。采用有限元软件能够求得满足工程要求的数值解。可以缩短设计周期、解决工程中的诸多问题、降低设计成本等。有限单元法的基本思想为,将所求解对象划分成一系列的单元,各个单元之间仅仅依靠节点来连接。单元待求量可通过节点由函数关系插值后求得。因为单元的形状简单,容易通过平衡方程形成总体代数方程组,随后计入边晃条件便可对该方程组进行求解。有限单元法从年第一次被提出以来已近年,其已经从弹性力学的平面问题拓展到了结构稳定性、动力计算与分析及波动等问题,分析对象的材料类型也己从弹性材料发展到塑形、弹塑性、粘弹性以及复合材料等。到目前为止,大型通用有限元软件主要有、等。本文以为基础,对设有传力杆的水泥混凝土路面进行数值模拟分析。被人们视为功能强大的有限元软件之一。能够分析复杂结构力学系统、固体力学,尤其能够对庞大复杂问题以及高度非线性问题进行模拟分析。年月,全部的产品和服务通过.质量认证。是经美国核安全局认证的可应用在核电站方面的首选分析软件。拥有一个第章有限元模型的建立及参数确定可模拟任意形状、非常丰富的材料模型库。能够模拟分析多种工程材料性能,主要有钢筋混凝土、橡胶、金属、复合材料等。同时能够自主选择相应的荷载增量以及收敛限度,可以选择适宜的参数,同时可以连续调整参数从而保证分析过程中得到有效精确解。通过准确定义参数,用户能够很好控制数值的计算结果。本文模型采用三维实体单元,此单元为节点的六面体线性减缩积分单元。与其它高次等参元相比,这种单元能得到较好的位移结果,而且能减少较多自由度,能够有效节省计算时间,减小计算规模。而且当网格发生扭转变形时,模型的计算精度不会因此受到太大影响。承受弯曲荷载时,不易发生剪切自锁现象。用进行有限元分析的一个重要环节就是确定网格划分密度,网格划分形式与计算精度和计算时间有着直接联裂。进行网格划分时要注意增加网格密度的经济性。对于可能存在应力集中的部位、截面尺寸突变的部位等计算数据梯度变化较大的部位,适当增加网格密度,这样可以较为精确的反映结构的受力情况。.车辆荷载模型的简化作用在路面上的汽车可分为行驶状态及停驻状态。汽车为静止状态时,其对路面作用力是静态的压力,其大小主要受以下因素的影响【】:汽车轮胎内压力;轮胎刚度以及轮胎与路面接触形态;轮载大小。一般货车的轮胎标准内压力,在.至.范围之内。实际上,轮胎和路面接触压力与其内压相比略小,二者约为.关系。轮胎新旧程度影响其刚度,与此同时轮胎花纹以及接触顽形态对接触压力分布也有影响,实际上接触面上压力分布并非均匀。路面设计中常不考虑上述因素影响,假设接触面上为均布压力,以内压力为接触压力。玄武岩纤维筋在水泥混凝土路面中的应用研究路面和轮胎接触面的形状接近椭圆形,由于其长、短轴较为接近,通常工程设计中将其等效为圆形接触面积。此时以轮胎内压力为轮胎接触压力,当量圆半径,.可以按式.确定。. 、 、卢括式中:?作用于车轮上的荷载;?轮胎的接触压力;,.?接触面的当量圆半径。 , ,九形、/凯易,芍夺五.,一/图.双圆垂直均布荷载.对于双轮组车轴,可采用双圆荷载图.对路面荷载进行简化。双圆荷载当量圆直径按式.计算.庙.? .矽我国现行路面设计规范】中规定的标准轴载.的轮载/,用式.计算,可分别得到相应的当量直径为【:.。由相关研究可知,行车荷载作用面的形状处于椭圆形与矩形之间。车辆超载严重时或轮胎接地压强较大时,行车荷载作用面的形状接近矩形。由于超载情况较为普遍,现有公路常常承受超标的行车荷载作用。与此同时,我国交通量组成第章有限元模型的建立及参数确定中重载车辆占有比例较大。因此在等级公路路面力学分析中,采用矩形的轮胎与地面接地形状是比较合乎实际的。本文在分析时,计算轮胎接地面矩形的边长时采用波特兰水泥协会【法,接触面矩形长.,宽.,面积.,其中为:矿一 ./历轮胎和路面接触面积咖根据轮胎承受荷载除以轮胎和路面接地压强求得。本文采用路面模型尺寸,为.,坐标规定如下:道路纵向为轴,道路横向为轴,垂直于道面方向为轴。荷载采用矩形双轮垂直均布荷载形式。由于双轮间距为固定值,依据公路沥青路面设计规范?,双轮中心间距采用,即.。在标准轴载作用下,轮胎的接地压强为.,故矩形荷载作用面的尺寸为.。.最不利荷载位置的确定车辆荷载作用于刚性路面的加载位置分为三种工况,均作用于中板上,工况一:位于纵向板边中线;工况二:位于板角;工况三:位于横缝板中。如图.所不。工况三 工况二图.车辆荷载加载工况图.玄武岩纤维筋在水泥混凝土路面中的应用研究通过数值计算可得到三种不利加载下,水泥混凝土路面位移及应力分布,同时也给出了界面张开量。三种工况的对比结果见表.所示。表.不同加载工况下位移与应力对比表.对不同加载情况下刚性路面受力分析计算结果如表.所示,从表中可以看出,工况二加载情况下水泥混凝土板的位移与应力非常大,属于荷载作用极不利位置,但是其面层最大弯拉应变是最小的,这是因为荷载作用在整个板块的角点处,由于整个板块的刚度非常大,导致对称角点发生刚性翘曲。本文采用工况三作为车辆荷载作用位置。.路用材料参数的确定传力杆接缝位置的荷载传递,可以采用于对应节点间设置梁单元与弹簧单元的方式。前者可表征传力杆传递荷载的作用,后者代表混凝土对于传力杆支承的传递荷载作用。由此可见,路面材料性质的不同,对传力杆的荷载传递能力亦有一定的影响。在分析路面材料的影响时,对路面结构分三组情况进行比对,分别是不设传力杆的路面结构、设钢制传力杆的路面结构、设传力杆的路面结构。对路面结构采用不同的弹性模量,来模拟多种情况下接缝的传荷能力。其中,设定基层和底基层具有相同的弹性模量。路面结构平面尺寸长为,宽为,混凝土面层、水泥稳定碎石基层,水泥稳定砂砾底基层。采用不同传力杆几何参数、不同布置间距建立水泥混凝土路面三维有限元模型。结构层如图.所示。第章有限元模型的建立及参数确定图.路面结构图.接缝传递荷载能力的评定接缝对于水泥混凝土路面来讲属于薄弱环节。水泥混凝士路面使用性能直接受到接缝的传荷能力与耐久性的影响。国外学者对该类型路面接缝传递荷载能力做过相关研究。接缝两侧承担的荷载比值是判定荷载传递能力的直接标准。实际上荷载分配很难测量,故以间接的指标来反应接缝的荷载传递能力,现在应用较为普遍的有挠度法和应变法。荷载作用点在水泥混凝土路面接缝的附近时,荷载会在两个板之间传递,二者均有变形。应力与变形增量取决于荷载传递系数。荷载传递系数计算形式多种多样,应用最广泛的是基于衡量弯沉和应力的荷载传递效率五。较为普遍的基于位移的传递率是:.觋等%其中甜和,分别是非受荷板与受荷板的垂直位移,由板接缝位置顶点测得。考虑应力时,传递率定义为:.。:墅%这里,和分别为受荷板与非受荷板在接缝处底部所测得弯曲应力。玄武岩纤维筋在水泥混凝土路面中的应用研究表.水泥混凝土道面接缝传荷能力等级评定标准.若接缝传递荷载能力较低,则受荷板变形将远大于非受荷板变形,此时接近;相反,若接缝的传递荷载能力很好,则接缝两边变形便很接近,此时趋于%。在本文中选取式.定义传荷系数,此种方法应用最为广泛。.面层材料参数的确定采用不同的面层材料,以荷载传递系数为评价指标,考量面层材料对接缝传荷能力的影响。有限元模型中面层弹性模量设为变量,基层弹性模量,底基层弹性模量,土基模量。传力杆直径,长度,布设间距,荷载传递系数如表.所示。表.不同面层材料对荷载传递系数的影响. 由表.及图.可知,接缝荷载传递能力随着面层弹性模量的提高而增强;面层材料对荷载传递系数并不明显,且三种条件下荷载传递系数均能达到优良使用状态。在后续的分析中,面层弹性模量取为。第章有限元模型的建立及参数确定装“朵贰垛刺透柩,悼, 面层弹性模景图.面层弹性模量与荷载传递系数关系图. .基层材料参数的确定采用六种不同的弹性模量对基层材料进行模拟,有限元模型中基层、底基层弹性模量为变量,面层弹性模量,土基模量。传力杆直径,长度,布设间距,荷载传递系数如表.所示。表.不同基层材料对荷载传递系数的影响. 玄武岩纤维筋在水泥混凝土路面中的应用研究装蒸浏笃替尊基层弹性模魁.图.基层弹性模量与荷载传递系数关系图. 由表.及图.数据可知,三种条件下荷载传递系数均随着基层弹性模量的增大而提高,三者均能达到良好的使用状态。由变化趋势可以看出,基层弹性模量对荷载传递系数的影响不明显。在后续的分析中,将基层、底基层的弹性模量取为。.土基材料参数的确定采用三种不同的弹性模量对土基材料进行模拟,有限元模型中土基弹性模量设为变量,面层弹性模量,基层、底基层。传力杆直径,长度,布设间距,荷载传递系数如表.所示。表.不同土基材料对荷载传递系数的影响. 第章有限元模型的建立及参数确定/、装、/耘鞠迎柩枢土基弹性模量图.土基弹性模量与荷载传递系数关系图. 由表.及图.数据可知,土基性质对接缝荷载传递系数影响较大。荷载传递系数随着土基弹性模量的升高而降低。综上所述,传力杆同钢制传力杆一样,均能较好的提高接缝传递能力。对于不设传力杆的路面,当荷载传递系数较低时,两者都能将系数提高%以上,使荷载传递能力达到优良的等级。表.基层与路基有限元计算参数. 结构层材料 模量 泊松比密度/对于路面板结构,面层模量的变化对荷载传递系数不明显,而不同的土基性质导致荷载传递系数出现较大变化。当基层弹性模量较高时,即使不设置传力杆,玄武岩纤维筋在水泥混凝土路面中的应用研究也能达到良好的传递能力,可见良好的结构设计方案,对保证路面接缝传递能力至关重要。在后续的分析中,各结构层计算参数如表.所示。.传力杆材料参数的确定分别采用钢制传力杆与传力杆对水泥混凝土路面的路用性能进行数值模拟。计算参数见表.。表.传力杆有限元计算参数.接触属性的确定.对接触属性的定义/采用主从接触算法。要求从面不可侵入到主面的任何部位,而没有限制主面,致使经常产生侵彻现象,从而对求解精度产生较大影响,重者致使求解中断。故合理选择主、从面至关重要,其应符合以下原则:从面网格相比主面要更精细;若二者网格密度较为接近,主面的材料刚度要相对大些;接触部件中若存在刚体,则刚体的表面应为主面;在应用有限滑移的分析过程中,从面的节点尽量落在主面内。基层和地基的层间接触状态比较复杂,与多种因素相关,如基层的材料组成、类型以及使用过程等等。基层一般以无机结合料稳定粒料类材料为主,其中粒料 袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅