基于ansys的瀝青混凝土罩面改造應(yīng)力分析

基于ansys的瀝青混凝土罩面改造應(yīng)力分析

0鋼筋節(jié)點的連接在舊水泥混凝土路面的再處理中，舊板的干收縮基本完成，舊板在支撐面上不直接接觸空氣，舊板的最大溫度梯度也顯著降低。因此，由于干燥時間的伸縮變形和溫度因素引起的彎曲變形的限制，以及彎曲變形的內(nèi)應(yīng)力顯著降低。因此，用鋼筋馬釘將大型板沿縱向連接（相當(dāng)于將橫向縫之間的水泥混凝土板延長），利用鋼筋強橫向分布的能力和鋼筋與水泥混凝土類似的熱脹和收縮特性，加強舊板的完整性和連續(xù)性，改善加固后的路面的一般抗反射裂縫效果。基本上可以實現(xiàn)。為了進一步確定馬釘錨固舊水泥混凝土板罩面方案的可行性,本文采用ANSYS對馬釘錨固罩面方案和不采取任何防止反射裂縫措施的罩面方案的溫度效應(yīng)和荷載效應(yīng)進行了對比分析。1計算參數(shù)的確定1.1瀝青混凝土溫度場回歸對于在舊水泥混凝土路面上進行瀝青罩面以后結(jié)構(gòu)的溫度場,在本研究中,采用半剛性基層瀝青混凝土路面的溫度場的回歸公式(按四層結(jié)構(gòu)考慮,從上至下分別為瀝青罩面層、舊水泥混凝土板層、基層和土基):其中,;bi為控制溫差隨深度變化的因子,有(b1,b2,b3,b4)=(5,4,3,2);hi為第i層結(jié)構(gòu)的厚度,Z為每一層的相對坐標(biāo)。1.2結(jié)構(gòu)的荷載位置行車荷載取為BZZ—100,荷載集度q=0.7MPa,輪載作用范圍等效為18.9cm×18.9cm的正方形,雙輪間距為32cm,兩側(cè)輪隙間距182cm。在計算分析過程中,考慮三種不同的荷載位置,即:(1)荷載對稱于接縫中心;(2)荷載位于接縫的一側(cè),并緊靠接縫的中心;(3)荷載位于接縫的一側(cè),并與舊水泥混凝土板的邊緣對齊。荷載位置見圖1所示。2有限模型2.1方案4:靜力分析為了從理論上分析鋼筋馬釘加固舊水泥混凝土板后進行瀝青混凝土罩面方案的可行性及其相應(yīng)的設(shè)計方法,采用ANSYS有限元程序,在一定假設(shè)的基礎(chǔ)上,對該方案進行了系統(tǒng)的分析。主要分析采用馬釘和不采用馬釘?shù)膬煞N罩面方案在行車荷載和溫度變化條件下罩面結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。計算時采用靜力分析方法,研究對象由瀝青混凝土加鋪層、舊水泥混凝土板、鋼筋馬釘、基層和土基組成。計算模型如圖2所示。實際的基礎(chǔ)是無限深的,但是在采用有限元分析時取一個有限的深度值,且底部設(shè)為完全固定。為使采用有限深度基礎(chǔ)時的計算結(jié)果與實際相符,通常取一個相對較大的深度值。在本方案分析中,基礎(chǔ)的深度取為8m。對于計算模型的長度,在沒有采用傳力桿或其它傳荷措施時,通常都是分析相鄰的兩塊板。但是,對于采用鋼筋馬釘加固的舊水泥混凝土路罩面結(jié)構(gòu),由于鋼筋馬釘將相鄰的兩塊板聯(lián)系起來,能在相鄰的板間傳遞一定的荷載,因此外部荷載作用的影響范圍會有所擴大。在本研究中,采用ANSYS分析相鄰的四塊板在溫度變化或在中部接縫處受到行車荷載作用時的響應(yīng)。2.2模型的構(gòu)建計算分析時,對各結(jié)構(gòu)層作如下的假定:(1)各層均為均勻、各向同性的線彈性體。(2)舊水泥混凝土板與基層間的接觸條件取為完全光滑,其余各層層間均為完全連續(xù)。(3)舊水泥混凝土板、瀝青罩面層僅考慮一個車道寬度;基層和土基的寬度在行車道兩側(cè),寬度為3.6+3.6+3.6=10.8m,土基的深度取為8m。(4)模型的長度取為四塊混凝土板長(5m)加上接縫寬度。(5)模型底部完全約束,沿寬度方向兩側(cè)自由。(6)沿長度方向的瀝青層兩端,在計算溫度應(yīng)力時設(shè)為固定,在計算荷載應(yīng)力時設(shè)為自由。2.3單元模型2.3.1鋼筋馬釘抗彎性能由于在提出使用鋼筋馬釘加固方案的時候,主要是考慮使用鋼筋馬釘將相鄰的兩塊板連接起來,防止在外部因素的作用下產(chǎn)生過大的相對水平位移,從而達到減緩反射裂縫的產(chǎn)生。由于鋼筋馬釘?shù)目箯澞芰τ邢?所以在分析時忽略其傳遞垂直荷載的能力,即認為使用鋼筋馬釘對減少相鄰兩塊板在行車荷載作用下所產(chǎn)生的相對垂直變形的作用較小,可以忽略。在分析的時候,對于鋼筋馬釘,可以近似地采用桿單元(ANSYS中的Link10單元)來模擬,即用桿單元模擬鋼筋馬釘把相鄰的兩塊板表面的固定點連接起來,忽略埋入兩塊板中的部分鋼筋。2.3.220個3d節(jié)點和其他對象對于舊路罩面結(jié)構(gòu)中的瀝青混凝土層、舊水泥混凝土板、基層和土基均采用三維20節(jié)點等參單元(見圖3)。3計算3.1舊路罩面結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分析設(shè)舊路罩面結(jié)構(gòu)表層的最大變溫幅度為-60℃,路面結(jié)構(gòu)的溫度場參照半剛性基層瀝青路面溫度場的經(jīng)驗公式,即式(1)。其它參數(shù)見表1。采用上述材料參數(shù)和溫度場,計算得到采用和不采用鋼筋馬釘錨固時,整個罩面結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力結(jié)果。(1)未加筋罩面結(jié)構(gòu)中AC層及PC層上下表面的溫度應(yīng)力如圖4所示。(2)加筋罩面結(jié)構(gòu)中AC層及PC層上下表面的溫度應(yīng)力如圖5所示。(3)從圖4、圖5可以看出:①對比采用馬釘和不采用馬釘?shù)挠嬎憬Y(jié)果可以發(fā)現(xiàn):采用馬釘對舊路罩面結(jié)構(gòu)的溫度響應(yīng)的影響主要表現(xiàn)在接縫處瀝青層和水泥混凝土板的應(yīng)力,其它部位的應(yīng)力基本不受是否采用馬釘?shù)挠绊憽＂趯τ贏C層表面的水平拉應(yīng)力,當(dāng)不采用馬釘時,由于接縫處的水泥混凝土板可以產(chǎn)生較大的收縮,從而使接縫附近區(qū)域的應(yīng)力大于板中部區(qū)域的應(yīng)力;而采用馬釘后,約束了接縫處相鄰兩板的相對水平位移,從而使接縫處的溫度應(yīng)力小于板中部區(qū)域的應(yīng)力。同樣,采用馬釘后也使瀝青罩面層底部的拉應(yīng)力大大減小。③采用馬釘錨固相鄰水泥混凝土板后,會使水泥混凝土板底部的拉應(yīng)力有一定的增大。這對于整個罩面結(jié)構(gòu)來講也是不利的一面。3.2裂縫處的垂直剪應(yīng)變采用ANSYS分析了三種不同荷載下的罩面結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。對比分析指標(biāo)為:(1)接縫處相鄰板板邊的相對水平位移。(2)接縫處相鄰板板邊的相對垂直位移。(3)接縫處瀝青混凝土層底的彎拉應(yīng)變。(4)接縫處瀝青層底面的垂直剪應(yīng)變。其中,AC層底面的垂直剪應(yīng)變?nèi)⊙亟?裂)縫三條線中的剪應(yīng)變的最大值,三條線點位圖見圖6。上述荷載應(yīng)力的計算結(jié)果見表2。由表2可以看出:采用馬釘將相鄰兩塊水泥混凝土板聯(lián)系起來后再進行罩面,可以減小相鄰板間的相對水平位移,大大降低罩面層底部的彎拉應(yīng)變和豎向剪應(yīng)變。因此,采用馬釘錨固罩面方案,對于防止或延緩瀝青罩面層的反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展是非常有利的。廣東清遠段107國道整個試驗路段的施工完成于2006年1月16日;經(jīng)過跟蹤觀測,至2009年為止,尚未見到有明顯的反射裂縫出現(xiàn)。這說明采用馬釘錨固來處理舊水泥混凝土的罩面是可行的辦法。4鋼筋馬釘錨固鄰板塊的必要性(1)從上述計算分析結(jié)果可以看出:設(shè)置馬釘將四塊水泥混凝土板連接起來,可以改善罩面層在接縫處的拉應(yīng)力(降溫時)的分布,并使瀝青層中的拉應(yīng)力得到一定程度的減小。但是采用馬釘又會在一定程度上增大水泥混凝土板底部的拉應(yīng)力,對于罩面結(jié)構(gòu)來講是不利的。(2)采用馬釘將相鄰板塊錨固起來后可以降低相鄰板塊在行車荷載作用下的相對水平位移,大大減小接縫處瀝青層底面的彎拉應(yīng)變和豎向剪應(yīng)變?？梢?采用鋼筋馬釘將相鄰板塊連接起來的措施對于防止罩面層中產(chǎn)生反射裂縫是有利的。由此表明采用鋼筋馬釘錨固相鄰水泥混凝土板后再進行瀝青混凝土罩面,可以有效地減緩反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。(3)實際上,本項目的試驗路段在2007年9月開始施工,在通過測定用鋼筋馬釘連接前的舊板接縫位置兩側(cè)板上的彎沉