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水泥 混凝土 路面 破坏 温度 荷载 耦合 分析研究

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器道路与交通工程 R o a d T r a f f icE n g in e e r in g 水泥混凝土路面胀缝破坏的温度一荷载耦合分析研究 蒋国俊 杨建明 易灵芝 肖逸 南华大学城市建设学院 湖南衡阳4 2 1 0 0 1 摘 要 采用有限元法对文献 水泥混凝土道路伸缩缝的探讨 所提供的工况进行建模 分析水泥混凝土路面胀缝在不同 温度和车辆荷载下的应力变化 得到温度对胀缝破坏影响较小 而车辆超载对胀缝破坏影响较大 以及车辆荷载作用下 模拟结果和真实破坏相吻合的各部分的应力分布情况 分析结果补充了胀缝的破坏机理 从而为进一步深入研究胀缝的 设置问题创造了条件 关键词 水泥混凝土路面 胀缝 温度一荷载耦合分析 破坏机理 中图分类号 U4 1 6 2 1 6文献标志码 B文章编号 1 0 0 9 7 7 6 7 2 0 1 4 0 2 0 0 2 2 0 4 A n a l y s iso fT e m p e r a t u r e l o a dC o u p l in gf o rE x p a n s io nJ o in t D e s t r u ct io n o fC e m e n tC o n cr e t eP a v e m e n t J ia n gG u o j u n Y a n gJ ia n m in g Y iL in g z h i X ia oY i 水泥混凝土路面是诸多被广泛使用的路面形式 之一 有着强度高 稳定性好 使用寿命长 耐磨性好 等优点 在水泥混凝土道路工程中 路面胀缝上部易 破损问题是道路工作者研究和探讨的课题之一 水泥 路面胀缝的设置将直接影响水泥混凝土道路的使用 寿命以及行车的安全和舒适度 北京市1 9 6 0 年前后 施工的水泥混凝土道路在设计年限内出现了不同程 度的混凝土缝边缘破坏情况 而出现道路胀缝破坏的 约占9 0 1 缝边缘的破坏导致了胀缝上部开口的扩 大 进一步加大了行车的颠簸 文献 1 指出 气温变化时混凝土板会因沥青填料 的老化导致膨胀受约束而发生破坏 笔者将通过有限 元分析方法 对温度 车辆荷载作用下的水泥路面胀 缝进行有限元分析 结合现实破坏情况 分析得出水 泥混凝土路面胀缝的真实破坏机理 1 分析的基本原理 1 1 温度场分析 1 1 1 导热微分方程 现行投入使用的水泥混凝土道路 其水泥混凝土 板中的混凝土早已过了凝固期 水化热量很少且已散 发殆尽 可以认为其本身无内热源 热空气向水泥混凝 土传热主要通过对流和辐射 而板内部以导热方式传 递热量 对于无内热源的水泥混凝土板 其二维热传导 2 2 瘩荭技木2 0 1 4 N o 2 M a r V 0 1 3 2 方程可以表示为 p c警 叫鲁 雾 式中 P 为质量密度 k g m 3 c为比热 k J k g T 为 温度 t 为时间 h 九为导热系数 W m 1 1 2 初始条件与边界条件 水泥混凝土路面正常工作时 路面下层与土路基 保持良好接触 路面下层一般都与土路基保持着相同 的温度状态 假设环境升温前 整个构件截面均匀 且 等于土路基温度 则初始条件可以表示为 T x Y t 0 T o 2 当气温升高至一定温度时 水泥混凝土板块受热 面与土路基温度之间通过热辐射和对流传热 受热面 温度已知 属于第三类边界条件 一九罢 d 1 r T f e o T 2 7 3 4 一 乃 2 7 3 4 3 式中 O 为对流传热系数 取2 5W m 2 K 乃为受 热面温度 o C 占为综合辐射系数 取0 5 盯为S t e f a n b o h z m a n n 常数 其数值为5 6 x 1 0 8W m 2 K 1 2 热力学性能分析 笔者在A B A Q U S 中采用相继耦合的热一应力分析 对水泥混凝土胀缝的热力学性能进行研究 在进行环 境温度场下混凝土板应力分析时 将调用温度场分析 模型的各节点的温度 并进行热一应力计算 1 3 温度一荷载性能分析 完成相继耦合的热一应力分析后 在水泥路面胀缝 处添加车辆荷载效应 进行温度一荷载性能分析 分别 完成温度 车辆荷载变化对胀缝影响的分析 2 有限元模型的建立 2 1 问题的提出 文献 1 中所提供的工况为北京市1 9 6 0 年前后施 工的水泥混凝土道路 路面均宽1 51 T I 分4 块版 每一 块混凝土板尺寸为3 5m x 6I T I 路面横坡1 5 两侧 为混凝土平牙 其间不设拉杆 道路结构为1 6 2 8cm 级配砂石基础 其上是5 1 0cm 粗砂垫层 2 2cmC 2 8 混凝土路面 道路胀缝宽2 0m m 缝上部3 0m m 为沥 青填料 下部为木缝板 文中提到已破坏的道路胀缝 内尚能找到残留的老化变质的沥青块 断面为三角 形 长1 4cm 不等 沥青内含7 0 的砂 砾石 非常 坚硬 根据北京气象台发布的历年北京市夏季气温消 息 北京市夏季平均气温在3 5 左右 最高温度甚至 达到4 2 6 1 9 4 2 年6 月1 5 日 2 2 考虑温度作用的有限元建模 对长60 0 0m l T l 宽35 0 0m il l 厚2 2 0m il l 的水泥路 面板块建立有限元计算模型时 由于道路的特殊性 故 只需对道路的局部纵断面建立二维平面模型进行模 拟 见图1 图1道路水泥板块胀缝计算模型 m il l 水泥混凝土采用4 节点二维平面热分析D C 2 D 4 单元 并对模型采用在长度 厚度方向均为1 0m m 的 网格 以便后期估计应力的影响范围 在温度场模拟过 程中 需对下底面添加约束 假定路面各层结构间无 相对侧移 最底层级配砂石基础与土路基构成良好接 触 各部件约束设定步骤参照文献 2 分别对受热面施加2 0 4 0o C 间隔为5 的空气 道路与交通工程器 R o a d T r a f f icE n g in e e r in g 温度 统计并比较各温度下各部分应力值 温度分析设 定步骤参照文献 3 此外 图1 中阴影部分为混凝土 板应力值监测区域 该区域为距胀缝中心线4 0 0m m 范 围内 同时对木缝板的受压情况建立位移监测 2 3 考虑车辆荷载作用的有限元建模 在使用阶段的水泥路面 使其破坏的最大因素便 是车辆荷载的作用 根据文献 4 标准车辆荷载为 垂直压力0 7 M P a 两荷载圆半径为1 0 6 5m m 圆心距 3 1 9 5m m 当垂直荷载增至0 8 4 1 1 1 2 1 3M P a 时 即分别代表超载2 0 4 3 6 0 和8 6 时的情形 图2 确定了O P Q R 和S 点相应位置 并于P Q R S 处 施加相应的均布荷载 Q 0 RS 车辆荷载施加区域示意图 2 4 考虑温度一荷载耦合作用的有限元建模 分析前读人之前的各热一应力分析结果 不同等级 荷载作用的分析结果 并对各温度 荷载效应进行耦 合分析 对胀缝的应力 位移监测位置的布设同热一应 力分析 3 数据分析结论 3 1 热一应力分析结论 图3 表明环境温度导致胀缝5 0m m 内出现一定 程度的应力集中现象 最大应力值随温度的增加而增 大 最大应力值出现在4 0 时 为1 4M P a 5 0m l n 外的 区域应力值随温度增加均出现了增大 但幅值不大且 趋于平稳 同时 根据图4 可知各温度下对木缝板的 压缩值均较小 芒1 毒 R 崔 一环境温度2 0 单独作用 环境温度2 5 单独作用 一环境温度3 0 单独作用 一环境温度3 5 单独作用 一环境温度4 0 单独作用 图3 温度改变时胀缝两侧的应力分布情况 随着水泥混凝土道路工作时间的增加 尘砂的不 断积累及沥青填料的老化会使得填料压缩系数越来 越小 然而木板可以任意压缩 胀缝原本是一个自由 端 在这样的变化下 混凝土板升温膨胀出现下部的 2 0 1 4 卑 2 期 3 一 第3 2 巷辛荭故木 2 3 器道路与交通工程 R o a d T r a f f icE n g in e e r in g 毒 蓄 一r 2 02 22 42 62 83 03 23 43 63 84 0 温度 图4 温度改变时木缝板压缩量的变化 大部分尺寸可以胀 而上部小部分不允许胀的不平衡 环境温度场升温时 胀缝两侧的应力值也逐级增大 但胀缝上 下部相对位移小 温度变化所产生的应力 集中范围小 应力增值低 胀缝此时不会出现破坏性 损害 3 2 荷载作用分析结论 由图5 可以看出荷载单独作用时 随着荷载的变 化 胀缝两侧的应力值随荷载的增加而梯度增大 距胀 缝3 0 0m m 处是混凝土板应力来源的分界点 8 6 超 载作用时最大应力值达到1 9 1 0M P a 木缝板最大压缩 量为7 1 0m m 见图6 7 0 0 6 0 0 鲁5 0 0 蜘4 o o 蓄30 0 一标准车辆荷载单独作用 r 超载2 0 单独作用 一超载4 3 单独作用 一超载6 0 单独作用 一超载8 6 单独作用 图5 荷载改变时胀缝两侧的应力分布情况 图6 荷载改变时对木缝板压缩量的变化 3 3 温度一荷载耦合作用分析结论 3 3 I 耦合条件下荷载变化对胀缝的影响分析 2 4 辛荔敖术2 0 1 4 N o 2 M a r V 0 1 3 2 图7 中 环境温度保持3 5 恒定 随着车辆荷载 的加大 胀缝两侧3 0 0m l T l 内应力集中更加显著 各部 分应力值均接近最大值 故各梯度温度导致的应力增 值没有图5 显著 此外 荷载变化时胀缝两侧3 0 0m m 外的区域应力受影响较小 最大应力值出现在8 6 超 载时胀缝周围已有区域达到3 0 6 8M P a 此处附近混凝 土板的应力值已超过了混凝土的抗压强度极限 混凝 土路面在此荷载之前就已经破坏 温度场下胀缝所受荷载变化时 水泥混凝土板附 近的应力激增 此外 车辆轴载与混凝土路面胀缝的 破坏是相关的 咏缝板在荷载作用下受压程度随车辆 荷载的增大而增大 超载8 6 时木缝板压缩量达到 7 0 2I l m 见图8 与文献 1 给出 部分路段胀缝的木 缝板已经由原2 0m m 厚压缩到8 1 0m m 相吻合 3 5 0 0 一 3 0 0 0 2 50 0 童2 0 0 0 葛 0 0 l O o o 一环境温度3 5 和标准 车辆荷载共同作用 一环境温度3 5 和超载 2 0 共同作用 一环境温度3 5 和超载 4 3 共同作用 一环境温度3 5 和超载 6 0 共同作用 一环境温度4 0 和超载 一 上 上 一一 L 啊一 8 6 共同作用 5 01 1 1 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0 距胀缝中心线 r a m 图7 耦合条件下荷载变化对胀缝两侧应力分布的影响 一 j 7 卜一 一 一 一 L J 一 标载2 0 超载4 3 超载6 0 超载8 6 超载 荷载大小 图8 耦合条件下荷载变化对木缝板的影响 3 3 2 耦合条件下温度 荷载同时变化对胀缝的影响 分析 当温度与荷载同时变化时 无论是木缝板的压缩值 还是两侧混凝土板的应力值 均出现了大幅的升高 4 0 时8 6 超载作用下的最大应力值达到3 3 0 6M P a 同3 5 时相比增加2 3 8M P a 木缝板最大压缩量为 7 1 0m m 见图9 1 0 温度一荷载耦合作用使得温度和应力的作用呈现 放大效应 温度的增加使得胀缝上 下部分不一致变 加埔 宝 他m吣 叫吧 O O 0 0 O O 0 0 0 O 0 二 一载二赢 一l 磊 二一 三一 二曩 一们加 二赢 昌 二r 二 椭二赢 姗 哪 3 50 0 3 0 0 0 2 50 0 童2 00 0 j 旮1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 0 0 0 O1 0 02 0 03 0 04 0 0 距胀缝中心线 r a m 一环境温度1 0 和标准 车辆荷载共同作用 一环境温度2 5 和超载 4 3 共同作用 l 环境温度4 0 和超载 8 6 共同作用 图9 耦合条件下温度与荷载同时变化对胀缝两侧应力 分布的影响 7 5 0 0 70 0 0 6 5 0 0 6 0 0 0 5 5 0 0 5 0 0 0 4 5 0 0 4 0 0 0 3 0 0 0 1 0 标准车辆荷载2 5 4 3 超载4 0 8 6 超载 图1 0 耦合条件下温度与荷载同时变化对木缝板的影响 形更加明显 应力集中范围较大 此时的胀缝两侧薄 弱环节易发生破坏 薄弱环节指操作时的弱点 材料 不均匀性导致的弱点和几何图形的弱点 应力云图 见图1 1 中应力集中的峰值区域与混 凝土板上部真实破坏缺1 3 一致 在胀缝两侧混凝土板 角上部最先发生破坏 见图1 2 混凝土板破坏的裂缝 走向与应力等值线走向一致 4 结语 通过上述研究 得出水泥路面胀缝破坏的机理如下 1 水泥混凝土路面因沥青填料老化 受温度应力 而破坏的可能性很小 2 耦合作用使得温度和应力在一定区域范围内出 现放大效应 此时温度或荷载的变化会导致胀缝两侧 道路与交通工程昌昌 薹r 蠢 囊 t j 暮 j 嚣iil 孽蓥f l 魏妻 薄弱环节易发生破坏 3 超载车辆会造成胀缝两侧混凝土出现过大的 应力集中而发生脆性破坏 4 在设计胀缝时需对胀缝两侧混凝土板进行斜截 面承载力计算 并按要求配置腹筋和拉杆以防止胀缝 破坏 参考文献 1 李麟 水泥混凝土道路伸缩缝的探讨 J 市政技术 1 9 8 1 3 3 0 3 4 2 杨建明 李子龙 李明 等 某改建公路水泥路面板荷载应力与 数值研究 J 南华大学学报 自然科学版 2 0 1 2 2 6 2 8 0 8 4 3 张洋 唐贵和 火灾下钢筋混凝土结构的温度场分析 J 山西 建筑 2 0 0 8 3 4 8 1 1 0 1 1 1 4 中交公路规划设计院有限公司 J T GD 4 0 2 0 1 1 公路水泥混 凝土路面设计规范 S 北京 人民交通出版社 2 0 1 1 收稿日期 2 0 1 3 1 0 0 6 作者简介 蒋国俊 男 在读本科生 主要学习研究道路与桥梁工程 专业 河北 石港高速纳入国家高速公路网 从石家庄市发改委了解到 经国家发改委 交通运输部同意 石港 津 高速公路项目被正式纳入国家高速公路网 据悉 石港 津 高速公路经石家庄 保定至沧州沿海高速 与大广高速 沧廊高速 京沪高速等相贯通 全长2 6 0k m 预计投资 约1 2 0 亿元 建成后 石家庄到天津等地的交通将更加便捷 十二五 期间 除石港高速外 石家庄市还将积极建设西柏坡高速 西阜高速 京昆高速石太北线 京港澳高速改扩建 平赞高 速 衡昔高速 南绕城高速 G 1 0 7 石保界至正定段 太行大街北延 东石环北延等项目 十二五 末 石家庄市高速公路总里程将达 到10 0 0k m 普通干线达到20 0 0k m 2 0 1 4 年2 期 3 一 第3 2 拳席荭故东2 5

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