移动荷载作用下水泥混凝土路面结构响应分析

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发布时间：2021-09-03

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移动荷载作用下水泥混凝土路面结构响应分析
鹿青，孙吉书，王艾迪，秦川阳
(河北工业大学土木工程学院。天津300401)
【摘要】在施加荷载后水泥混凝土路面板板底将承受较大的弯拉应力，导致路面表层出现过大变形。本
文根据有限元理论，通过ANSYS软件建立水泥混凝土路面三维有限元模型，对移动荷载作用下水泥混凝土路面结
构响应进行分析，比较不同超载率下水泥混凝土路面各结构层的弯沉和应力状况，以确定超载对路面损伤的
影响。
【关键词】移动荷载作用；水泥混凝土；响应分析
【中图分类号】TU311．3 【文献标识码】 B 【文章编号】 1001—6864(2014)08—0085—03
当汽车匀速行驶在路面上时，在车轮与路面的接触面
上，车轮受到来自路面的滚动摩阻力，作用力与反作用的原
理，路面也会受到车轮施加给它的一个与摩阻力方向相反
的水平力，本文主要研究在忽略路面不平整度影响因素时，
对水泥混凝土路面施加移动均布荷载和水平荷载，分析了
汽车在匀速状态下，水泥混凝土路面结构的动力响应。
1 水泥混凝土有限元模型
与通过试验分析结构相比，利用大型通用分析软件AN—
SYS对结构进行仿真模拟是一种更为简便而且经济的方法。
它通过建立结构有限元模型，施加运行荷载及计算分析结
果，来研究结构的物理力学响应，如位移、应力、温度分布
等。本文运用ANSYS动力学分析中的瞬态动力分析，来确
定结构在承受随时问变化荷载作用时的响应。采用完全
法，选用完整的系统矩阵来计算结构的瞬态响应，包括结构
的各类非线性特性(如大应变、大变形和塑性等)。通过一
次性分析就可以计算得到结构的所有应力和位移，而且可
以对结构施加所有类型的载荷”J。 t
(1) 路面结构参数。参考相关文献和现行的JT．
GD40—201 1《公路水泥混凝土路面设计规范》 J，取一块水
泥混凝土路面板进行分析，其结构由普通混凝土面层、水泥
稳定粒料(其中水泥含量5％)基层、级配碎石和土基四层组
成。其中普通混凝土面板的平面尺寸取为长5m、宽4m，各
结构层的计算参数见表1所示。
表1 路面结构与材料参数
(2) 建立路面结构有限元模型。对于动荷载作用下
的水泥混凝土路面，利用有限元方法建立路面结构三维有
限元分析模型，假设土基底面为完全约束，即自由度为零，
面层的4个侧面不进行约束，使面层自由，其余各层对4周
进行法向位移约束。将车轮与底面接触的印迹简化为矩形
形式，每个车轮与地面的的接触面取为0．2m ×0．2m 的矩
形，其面积为0．04m 。位于同一侧的两轮间距为0．1m，轴
长取1．8m。并假设路面各层材料均为均质、连续和各向同
性的线弹性体，其层间接触也均假设为完全连续，基于此假
设建立水泥混凝土路面结构模型及荷载作用位置如图1所
示。划分网格并加载后的有限元模型如图2所示。
普通混凝土板
} 板纵向
／
／
)一ILo．板中心线
地基
／
／
图1 路面结构模型示意图(单位：m)
(3) 模型验证。对路面结构有限元模型加载运算之
后的结果列于表2所示。汽车荷载选用规范规定的单轴双
轮标准轴载100 kN，接触压力取为0．7 MPa。运用文献中
总结的最大应力计算公式得到的板纵向边缘中部的最大应
力值为1．307MPa。通过对比二者的结果，不难发现利用有
限元方法求解得到的应力结果与公式计算得到的结果非常
接近，计算得到其绝对误差为0．053MPa，相对误差为
4．06％。通过以上分析得出结论：利用ANSYS有限元分析
软件进行路面结构力学分析是可行的，而且得到的结果也
是比较准确的。
表2 计算结果