薄层水泥混凝土罩面有限元数值模拟分析

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发布时间：2021-09-06

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薄层水泥混凝土罩面有限元数值模拟分析
余贤宇
(广东梅河高速公路有限公司，广东兴宁514571)
摘要：在原有混凝土路面加铺薄层水泥混凝土层是对传统路面技术的一个挑战，涉及材料、工艺以及力学分析等
内容。基于理论分析，采用有限元软件对薄层水泥混凝土路面的加铺效果及不同粘结模式下的力学性能进行分析，
通过对结果的分析朱验证和改进设计。
关键词：超薄混凝土，有限元分析，薄层罩面，力学性能
文章编号：1009—6477(2012)04—0010—03 中图分类号：U416．216 文献标识码：A
Finite Element Numerical Simulation Analysis for Thin—layer
Cement& Concrete Top Facing
YU Xianyu
Abstract：Overlay of a thin layer of cement& concrete course on original concrete road SUribce is a
challenge to traditional techniques for road surface for concerning materials，technology and chemical
analysis．etc．Based on the theoretical analysis，this paper analyzes overlaying effect of thin‘layer cement
& concrete road surface and mechanical properties in different bonding modes by means of finite element
sof1ware．and verifies and modifies design in accordance with analysis for results．
Key words：uhrathin concrete，finite element analysis，thin—layer top facing，mechanical prope~y
水泥混凝土路面薄层罩面的传统方法是加铺沥
青类材料，而利用水泥混凝土材料作为薄层罩面是
一种全新的技术，为确保新老水泥混凝土路面结构
协调受力，需要重点研究对现有混凝土板的充分利
用。采用有限元软件对不同加铺厚度和不同粘结条
件下的受力情况进行数值分析，从而确定最佳加
铺厚度，达到恢复路面标高并实现快速通车的目的。
1 薄层混凝土面板数值模型
已有的研究成果表明，对于薄层混凝土面板受
力分析，其最不利荷载位于板边中心位置，因此本
次分析的荷载作用位置为板边中心位置。采用双圆
荷载(图1)，荷载半径1O．65 cm，两轮间隙1O．65 cm，
轮压分别取0．70、1．05、1．40、1．75 MPa。分别模拟不
同行车荷载下薄层混凝土加铺路面的力学行为。
分析主要集中于薄层面板的厚度变化、接触情
况、荷载应力等条件对路面结构的影响，因而取用比
路面板相对而言较大的路基模型，以有效消除路基
边界对模型计算结果的影响。通过试算对比，确定
路基模型尺寸为16 mxl6 m。
收稿日期：2012-02-04
作者简介：余贤宇(1979一)，男，广东省大甫县人，本科，工程师
1．厂厂厂T]
A
B C D E
单位：on
注：A、B、C、D、E分别代表加铺层表面轮隙中心和原混凝土板底
部轮隙中心至荷载当量圆中心的不同位置。
图1 模型示意
2 薄层混凝土数值模拟
2．1 等厚加铺粘结模型
利用ANSYS软件对等厚加铺完全粘结模型进
行了计算分析，用于计算的加铺层厚度分别为8、
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2012年第4期余贤宇：薄层水泥混凝土罩面有限元数值模拟分析 1l
10、12、14 cm。计算分析在不同加铺厚度条件下和
不同行车荷载作用下的拉应力和压应力，结果见图
2和表1(对应B点受力分析)。
5O0000
0
图2 不同加铺层厚度模型的拉压应力
表1 不同加铺层厚度模型的拉应力和压应力
通过对不同厚度加铺层的数值模拟分析可以发
现，所得结果非常接近。这是因为加铺板和原混凝
土板粘结在一起后，形成一个整体，其力学性能和整
体混凝土板基本一致。对于薄层罩面的有限元分
析，主要是分析行车荷载作用下路面板的拉压应力。
在正压力作用下，混凝土面板的剪切应力相对较低，
主要担心的是在轮载作用下混凝土板张拉应力过大
引起混凝土板断裂。分析结果表明，即使是在
1．75 MPa的超载应力作用下，混凝土底板的最大拉
应力也不超过0．13 MPa，可见其拉应力水平很低。混
凝土板所受的最大压应力和其作用的荷载基本一致。
2．2 等厚加铺非粘结接触分析
混凝土加铺层和原混凝土路面之间由于存在新
旧界面，加上不同温缩系数的影响，致使新旧混凝土
界面可能存在不完全粘结 J。本文重点研究不同接
触条件下，混凝土面板的力学响应。
采用接触模型分析等厚度薄层罩面层与混凝土
路面板之间的粘结程度时，其主要影响参数是摩擦
系数和滑移极限接触力脒，胀一般取为~／／2，
为材料的破坏强度 J。分析中，采用加铺层厚度
8 em，进行参数敏感性分析。肛分别取0．1、0．3、
0．5、0．6、0．8、1．2、1．5，FK分别取2e 、5e 、1e。、2e 、
5e。
、2e 、2e 。荷载为标准轴载7e Pa。分析中一般
以c点(图1)为控制点。分析FK值影响时，取
值为0．6；分析值影响时，取FK值为2e。Pa