水泥混凝土路面三维模型弯沉影响因素及精度分析

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发布时间：2021-10-20

资料介绍

基于三维有限元分析软件 EverFE及利用 ANSYS自建模型的计算结果研究水泥混凝土路面建模中采取的荷载处理、单元
选择、单元划分及面板尺寸对弯沉结果的影响，给出推荐的计算模型，并通过对板中、板角计算弯沉与理论公式的对比，分析模型与
理论公式计算结果之间的误差，并在单层板模型基础上分析了双层板模型等效处理方法的计算结果精度。
关键词：水泥混凝土路面；有限元；弯沉；等效处理；精度
0 引言
我国水泥混凝土路面在重载交通条件下，出现了
各种损坏，如早期断板、错台、板底脱空等，基于路表
弯沉进行路面检测，尤其是对板底脱空的评定是水泥
混凝土路面研究和工程实践中的一个重要领域。常用
的方法有贝克曼梁法和落锤式弯沉仪 (FWD)法，而通
过有限元方法模拟标准轴载或者 FWD 加载过程，利
用弯沉指标判别路基路面病害成为新的研究方向，这
首先要求建立符合典型路面结构的模型和加载方式，
并综合考虑计算精度与运算时间的平衡。本文通过对
比理论公式、路面三维有限元分析软件 EverFE2．24
及利用 ANSYS10．0自建模型进行结果对比分析，给
出各种参数对计算结果的影响并给出合理的近似处理
方式。
1 Winkler地基上单层板
winkler地基假设路基表面任一点的弯沉量仅
同作用于该点的压力大小 P成正比，而同其相邻点处
的压力无关，反应压力和弯沉关系的比例系数称作地
基反应模量 k，其单位为 MN／m。[1]。
首先分析 Winkler地基上单块均匀支承无限大
板。根据 Ioannides分析，板平面尺寸超过地基板相对
刚度半径值 8倍后，弯沉计算结果趋近于无限大板
值 _2j，考虑到水泥混凝土路面地基板相对刚度半径通
常在 0．4～1．2 m，选择板平面尺寸 10 m×10 m 近似
作为无限大板进行弯沉分析。
已有研究表明：混凝土板的泊松比变化范围很小，
可以不必讨论其对计算弯沉值的影响，面层厚度 h和
地基模量 k对计算弯沉影响远大于面层模量 E 的影
收稿日期：2014-o1-07
12上冯姥 N。．1 2014
响。基于上述结论，在水泥混凝土路面的弯沉分析
中，混凝土面层模量可取一定值，本文中取定值 E一
30 000 MPa，各层结构参数的变化范围如表 1所示。
表 1 水泥混凝土路面结构参数的变化范围
板厚 h 板模量 E Winkler地基相对刚度
计算参数／
MPa k／MPa·in 半径／m
变化范围 0．18～ 0．30 3O 0OO 0．15 50～ 300 0．4～ 1
对于板厚和 Winkler地基 k分别选择取值范围
上、下限及中间值，共有 9种不同结构组合。首先对
FWD作用荷载在建模中的处理方式进行说明并讨论
这种简化处理方法的误差，然后对不同单元划分精度
进行比较；根据计算结果的收敛性选择合适的单元划
分尺寸，接下来对比三维实体模型和薄板模型计算结
果，综合考虑计算结果精度和计算时间确定单元类型，
最后分析板平面尺寸对板中、板角弯沉的影响。
1．1 荷载处理
以往的很多研究和分析都假设荷载作用在柔性板
上，就象作用在橡胶轮胎上一样，而落锤式弯沉仪
(FWD)测试时荷载作用在刚性承载板上，在承载板试
验中板的各点挠度相同，而板下的压力分布是不均匀
的L4]，柔性板和刚性板的差别示于图 2。