多孔混凝土基層上覆瀝青混合料溫度應力分析

多孔混凝土基層上覆瀝青混合料溫度應力分析

0瀝青面板溫度應力場研究進展作為瀝青路面的基層，多孔混凝土具有較高的強度、抗清潔性好、排水能力強、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可以有效緩解瀝青路面的水損害。然而，多孔混凝土本身的收縮是必要的。當溫度突然下降時，收縮部分的表面容易集中，瀝青面的底部就會破裂，導致瀝青面的反射裂縫。如果溫度突然下降，上部收縮部分的瀝青路面壓力是瀝青路面厚度設計的重要依據。在這種情況下，我們使用有限值分析法建立了多孔混凝土基本收縮部分的三維有限模型，并分析了瀝青路面的瀝青路面溫度和濕度。國內外道路學者對瀝青路面的溫度應力進行了廣泛的研究.在國內,文獻根據熱傳導理論,采用有限元法求解碾壓混凝土與瀝青混凝土(RCC-AC)復合式路面的溫度場,在充分考慮各種因素的基礎上,研制出溫度應力計算諾模圖.文獻利用有限元法、斷裂力學理論對舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層的溫度場和溫度應力做了系統(tǒng)分析.國外,文獻考慮太陽輻射、大氣溫度和風速等因素,建立預估瀝青路面溫度的三維有限元模型,并通過實測證明模型的有效性和準確性;文獻研究全厚式瀝青路面的瞬態(tài)溫度變化,提出溫度計算的數(shù)值模型.但以往的研究工作未考慮多孔混凝土基層結構及其材料特性,特別是未涉及多孔混凝土基層縮縫處瀝青路面的溫度應力研究.因此,有必要對多孔混凝土基層上覆瀝青面層的受力狀態(tài)進行研究,為建立這種路面的結構設計方法提供理論依據.1溫度應力分析1.1基層模型的建立及網格劃分根據多孔混凝土基層縮縫處瀝青路面結構的特點,建立的三維有限元模型分為3個區(qū)域,分別為瀝青面層、多孔混凝土基層和地基.研究表明多孔混凝土基層為符合彈性力學基本假設的有限厚度彈性層,瀝青面層可視為有限厚度彈性層.為反映半空間地基的特性,地基采用擴大尺寸來模擬,地基的彈性模量為路面的底基層和路基的當量值.假設在多孔混凝土基層中有貫穿厚度的溫縮裂縫,縮縫寬度為0.5cm,且縮縫處無傳荷能力.三維有限元模型的邊界條件為:地基底邊固定,采用自由表面來模擬縮縫.理論計算及收斂性分析表明,基層寬度在4～5m范圍內變化對縮縫處瀝青面層的最大溫度應力影響微小;隨著基層長度增大,縮縫處瀝青面層溫度應力的增加幅度逐漸減小,基層長度大于5m時,縮縫處瀝青面層溫度應力基本保持不變.據此取多孔混凝土基層的平面計算尺寸為:多孔混凝土基層長為5m,寬為4.5m,面層的平面尺寸同基層.經過取地基不同尺寸計算誤差分析,地基長、寬和厚度尺寸擬定為12.01m×6.5m×8m.有限元的平面尺寸如圖1所示.縮縫處瀝青路面結構如圖2所示.利用對稱性取模型的一半進行計算.路面整體結構的有限元網格劃分如圖3所示,為滿足計算精度要求,對各關鍵部位,如縮縫及其附近瀝青面層結構進行網格細化.如無特殊說明,圖2中點A與點B為計算點.通過計算知,當瀝青面層表面溫度升高時,路面結構發(fā)生膨脹及向下翹曲變形,縮縫處瀝青面層底面受壓,這種情況下瀝青層底部不易產生開裂;因此,在分析溫度應力時,只考慮降溫情況.1.2彈性常數(shù)構化法多孔混凝土基層施工時,一般通過碾壓成型,其上也為碾壓成型的瀝青層,這樣就使得多孔混凝土基層與瀝青面層的結合較為緊密,可認為二者之間處于連續(xù)接觸狀態(tài).多孔混凝土基層下通常鋪筑半剛性材料下基層或底基層,在使用過程中層間逐漸趨于光滑的接觸狀態(tài).因此,在計算瀝青面層應力時,對多孔混凝土基層與地基的層間接觸按照絕對光滑情況進行分析.引入橫觀各向同性彈性本構關系模型作為正交各向異性接觸模型.其本構關系模型為?????????????????????σ1σ2σ3σ4σ5σ6?????????????????????=???????????C11C12C130000C12C11C13000C13C12C33000000C44C4400000000000C11?C122????????????????????????????????ε1ε2ε3ε4ε5ε6?????????????????????(1){σ1σ2σ3σ4σ5σ6}=[C11C12C13000C12C11C12000C13C13C33000000C44000000C44000000C11-C122]{ε1ε2ε3ε4ε5ε6}(1)將式中的張量彈性常數(shù)表示為工程彈性常數(shù)Ei,μij,Gij,可得到用工程常數(shù)表示的剛度矩陣C,即C11=(E1?E3μ213)/ΔC12=(E1μ12+E3μ213)/ΔC13=E3(μ13+μ12μ13)/ΔC33=E3(1?μ212)/ΔC44=G13Δ=1?μ212?2E3E1μ213?2E3E1μ12μ213?????????????????????????(2)C11=(E1-E3μ132)/ΔC12=(E1μ12+E3μ132)/ΔC13=E3(μ13+μ12μ13)/ΔC33=E3(1-μ122)/ΔC44=G13Δ=1-μ122-2E3E1μ132-2E3E1μ12μ132}(2)式中:E1為各向同性面xy面內的彈性模量;E3為z方向的彈性模量;μ12為各向同性面xy面內的泊松比;μ13為表征因z方向受力引起x方向(或y方向)變形的泊松比;G13為xz平面(或yz平面)內的剪切模量.對于面層與基層之間連續(xù)接觸狀態(tài),只需將正交各向異性接觸模型的C矩陣的參數(shù)取成與基層剛度矩陣相一致的值,就可以實現(xiàn)完全連續(xù).對于基層與地基之間的光滑接觸狀態(tài),選取正交各向異性接觸單元的參數(shù)如表1所列.1.3計算參數(shù)瀝青路面各結構層的主要計算參數(shù)見表2.2溫度應力計算結果的分析2.1底層模量對瀝青水面應力的影響影響瀝青面層溫度應力的因素主要有瀝青面層模量Ea,多孔混凝土基層模量Ec與地基模量Es.以下分析各因素對面層溫度應力的影響.從圖4～5可知,降溫時瀝青面層的主應力為拉應力,可以認為瀝青面層處于受拉狀態(tài).圖4表明,降溫時瀝青面層層底(計算點A)的拉應力隨著面層模量的增大而減小,而瀝青面層表面(計算點B)的拉應力呈現(xiàn)相反的變化趨勢.從圖5可以看出,降溫時計算點A和計算點B的拉應力隨基層與地基的模量比Ec/Es的增大而緩慢增大.面層模量對瀝青面層的剪應力影響如圖6所示,從圖中可以看出,降溫時計算點A和計算點B的剪應力隨面層模量的增大而明顯增大.圖7表明,隨著基層與地基的模量比Ec/Es的增加,計算點A的剪應力呈現(xiàn)減小趨勢變化,計算點B的剪應力緩慢增大.2.2瀝青面板張拉型反射裂縫產生原因及解決建議溫度應力分析表明,降溫時多孔混凝土基層縮縫處瀝青面層底部存在拉應力,盡管其數(shù)值不高,但反復作用極易產生疲勞破壞,誘發(fā)瀝青面層的張拉型反射裂縫.此外,降溫時多孔混凝土基層縮縫處瀝青面層內存在較大的剪應力,這是瀝青面層產生剪切型反射裂縫的一個重要原因.因此,在溫度變化大的區(qū)域進行瀝青面層設計時,應特別注意降溫時瀝青面層內存在的剪應力和拉應力,可采取相應的對策降低應力,以避免瀝青面層反射裂縫的產生.3瀝青水面織構層間接觸狀態(tài)模擬1)為了反映多孔混凝土基層縮縫處瀝青面層的實際受力情況,建立多孔混凝土基層縮縫處瀝青路面三維有限元模型.引入橫觀各向同性彈性本構關系模型作為正交各向異性接觸模型,實現(xiàn)瀝青路面結構層間接觸狀態(tài)的數(shù)值模擬.2)降溫條件下,當面層厚度和基層厚度一定時,面層模量的變化對面層的拉應力和剪應力影響較大.瀝