舊混凝土路面共振破碎力學(xué)機理

范晨光　羅斌　李燦　謝奇峻

摘要：采用有限元法建立舊混凝土路面的動力學(xué)模型，運用ANSYS進行模態(tài)分析和諧響應(yīng)求解.基于混凝土破壞的莫爾庫侖準則判定使路面產(chǎn)生共振破壞的激振力的臨界力幅.結(jié)果表明：考慮基層影響所得到的模型基頻比單純面層??；路面缺陷會使頻率減?。辉诮o定參數(shù)下，隨著激振力的增大，在路面板中心處產(chǎn)生剪切破壞.

關(guān)鍵詞：舊混凝土路面； 共振碎石； 莫爾庫侖準則； 臨界破壞力； 剪切破壞； ANSYS

中圖分類號： U416.216；TB115.1

文獻標志碼： B

0引言

混凝土路面是我國早期干線公路的主要結(jié)構(gòu)形式，由于社會經(jīng)濟發(fā)展帶來的重交通負荷，很多路面出現(xiàn)諸如斷板、錯板、裂縫、剝落和坑洞等損害.為對這些舊混凝土路面進行改造治理，目前應(yīng)用較多的是將其碎石化處理后再加鋪瀝青.共振碎石化是近幾年興起的一種碎石化方法，其主要工作原理是利用水壓能通過一根方形鋼梁傳遞給錘頭，在偏心軸力的驅(qū)動下產(chǎn)生共振簡諧波，將振動能量傳遞給混凝土板，使大部分能量被混凝土板吸收，通過錘頭的振動引起混凝土板的共振并使其迅速開裂.

在共振碎石化問題上，目前國內(nèi)研究主要集中在施工工藝的改進及加鋪層靜力學(xué)分析方面.徐柱杰等[1]和凌建明[2]研究舊混凝土路面共振碎石化效果，并對共振碎石化加鋪技術(shù)進行應(yīng)用推廣.對于帶有損傷的舊混凝土路面的自振特性，在共振狀態(tài)下舊混凝土路面產(chǎn)生破壞的力學(xué)機理和碎石化改進方法研究則涉及很少.

針對有損傷的舊混凝土路面進行動力學(xué)響應(yīng)研究，采用有限元軟件建模，并求解在特定工況下的響應(yīng)情況，根據(jù)結(jié)構(gòu)的動應(yīng)力情況，結(jié)合混凝土破壞的近似準則，確定模型發(fā)生破壞的臨界應(yīng)力，從而確定正弦激振力的臨界幅值.

1混凝土路面的力學(xué)模型

對于帶有各種缺陷的舊混凝土路面，缺陷包括缺角、裂縫、掉塊和壓痕等，主要研究其自振頻率以及在合理的激勵函數(shù)載荷作用下的混凝土路面不同位置的位移響應(yīng)和動應(yīng)力等參數(shù).混凝土路面作為混凝土構(gòu)成的矩形板狀結(jié)構(gòu)，在碎石過程中會傳遞來自碎石機械不同頻率的激勵.在不同路基狀況下，路面路基系統(tǒng)的自振頻率也存在差異.在一般情況下，對于整個路面路基結(jié)構(gòu)，其低階自振頻率遠低于碎石過程中由碎石機械產(chǎn)生的激振頻率，因此激振能量不會由于路基的阻尼作用而耗散，而是主要由路面吸收.在建模過程中不考慮路基的影響，并可以忽略鋼筋的影響.

二級公路混凝土面層和基層參數(shù)見表1.[3]用ANSYS建立混凝土路面力學(xué)模型，同時考慮完整面層和有車轍缺陷的面層，見圖1.

2混凝土路面的頻率響應(yīng)特性

在ANSYS中利用模態(tài)分析模塊對2種模型及單獨完整的面層進行模態(tài)計算，得到前3階固有頻率，見表2.

對于帶有車轍缺陷的路面模型，在四邊固定約束情況下，采用正弦激勵在路面中心進行激振，利用ANSYS的諧響應(yīng)模塊分析路面中心附近的動應(yīng)力隨頻率的變化狀況.在激勵力幅值為6.2 kN時，板中心混凝土應(yīng)力（絕對值）頻率變化曲線見圖2.

4結(jié)論

基于有限元法和混凝土破壞的莫爾庫倫準則，數(shù)值模擬混凝土路面在共振碎石化機械作用下的動力特性和應(yīng)力響應(yīng)，得到下列結(jié)論：

（1）考慮基層的影響，混凝土路面的基頻比單純只考慮面層小.

（2）缺陷的存在會導(dǎo)致混凝土路面的固有頻率下降.

（3）在本文的研究參數(shù)下，所模擬的帶有車轍缺陷的混凝土路面中心處以剪切破壞形式為主，其破壞時對應(yīng)的臨界激振力幅值為6.2 kN.

參考文獻：

[1]徐柱杰，凌建明，黃琴龍. 舊水泥混凝土路面共振碎石化效果研究[J]. 中國公路學(xué)報， 2008， 21（5）： 2632.

[2]凌建明. 水泥路面共振碎石化加鋪技術(shù)研究與應(yīng)用[R]. 上海： 同濟大學(xué)， 2007.

[3]JTG D40—2011公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范[S].

[4]張娟霞. 混凝土結(jié)構(gòu)破壞機理的數(shù)值試驗研究[D]. 沈陽： 東北大學(xué)， 2006.

[5]FAN Chenguang， LUO Bin， XIONG Zhiwei. Vibration analysis on worn cement concrete pavement[J]. Appl Mech & Mat， 2012（204208）： 18751879.

（編輯于杰）

摘要：采用有限元法建立舊混凝土路面的動力學(xué)模型，運用ANSYS進行模態(tài)分析和諧響應(yīng)求解.基于混凝土破壞的莫爾庫侖準則判定使路面產(chǎn)生共振破壞的激振力的臨界力幅.結(jié)果表明：考慮基層影響所得到的模型基頻比單純面層?。宦访嫒毕輹诡l率減?。辉诮o定參數(shù)下，隨著激振力的增大，在路面板中心處產(chǎn)生剪切破壞.

關(guān)鍵詞：舊混凝土路面； 共振碎石； 莫爾庫侖準則； 臨界破壞力； 剪切破壞； ANSYS

中圖分類號： U416.216；TB115.1

文獻標志碼： B

0引言

混凝土路面是我國早期干線公路的主要結(jié)構(gòu)形式，由于社會經(jīng)濟發(fā)展帶來的重交通負荷，很多路面出現(xiàn)諸如斷板、錯板、裂縫、剝落和坑洞等損害.為對這些舊混凝土路面進行改造治理，目前應(yīng)用較多的是將其碎石化處理后再加鋪瀝青.共振碎石化是近幾年興起的一種碎石化方法，其主要工作原理是利用水壓能通過一根方形鋼梁傳遞給錘頭，在偏心軸力的驅(qū)動下產(chǎn)生共振簡諧波，將振動能量傳遞給混凝土板，使大部分能量被混凝土板吸收，通過錘頭的振動引起混凝土板的共振并使其迅速開裂.

在共振碎石化問題上，目前國內(nèi)研究主要集中在施工工藝的改進及加鋪層靜力學(xué)分析方面.徐柱杰等[1]和凌建明[2]研究舊混凝土路面共振碎石化效果，并對共振碎石化加鋪技術(shù)進行應(yīng)用推廣.對于帶有損傷的舊混凝土路面的自振特性，在共振狀態(tài)下舊混凝土路面產(chǎn)生破壞的力學(xué)機理和碎石化改進方法研究則涉及很少.

針對有損傷的舊混凝土路面進行動力學(xué)響應(yīng)研究，采用有限元軟件建模，并求解在特定工況下的響應(yīng)情況，根據(jù)結(jié)構(gòu)的動應(yīng)力情況，結(jié)合混凝土破壞的近似準則，確定模型發(fā)生破壞的臨界應(yīng)力，從而確定正弦激振力的臨界幅值.

1混凝土路面的力學(xué)模型

對于帶有各種缺陷的舊混凝土路面，缺陷包括缺角、裂縫、掉塊和壓痕等，主要研究其自振頻率以及在合理的激勵函數(shù)載荷作用下的混凝土路面不同位置的位移響應(yīng)和動應(yīng)力等參數(shù).混凝土路面作為混凝土構(gòu)成的矩形板狀結(jié)構(gòu)，在碎石過程中會傳遞來自碎石機械不同頻率的激勵.在不同路基狀況下，路面路基系統(tǒng)的自振頻率也存在差異.在一般情況下，對于整個路面路基結(jié)構(gòu)，其低階自振頻率遠低于碎石過程中由碎石機械產(chǎn)生的激振頻率，因此激振能量不會由于路基的阻尼作用而耗散，而是主要由路面吸收.在建模過程中不考慮路基的影響，并可以忽略鋼筋的影響.

二級公路混凝土面層和基層參數(shù)見表1.[3]用ANSYS建立混凝土路面力學(xué)模型，同時考慮完整面層和有車轍缺陷的面層，見圖1.

2混凝土路面的頻率響應(yīng)特性

在ANSYS中利用模態(tài)分析模塊對2種模型及單獨完整的面層進行模態(tài)計算，得到前3階固有頻率，見表2.

對于帶有車轍缺陷的路面模型，在四邊固定約束情況下，采用正弦激勵在路面中心進行激振，利用ANSYS的諧響應(yīng)模塊分析路面中心附近的動應(yīng)力隨頻率的變化狀況.在激勵力幅值為6.2 kN時，板中心混凝土應(yīng)力（絕對值）頻率變化曲線見圖2.

4結(jié)論

基于有限元法和混凝土破壞的莫爾庫倫準則，數(shù)值模擬混凝土路面在共振碎石化機械作用下的動力特性和應(yīng)力響應(yīng)，得到下列結(jié)論：

（1）考慮基層的影響，混凝土路面的基頻比單純只考慮面層小.

（2）缺陷的存在會導(dǎo)致混凝土路面的固有頻率下降.

（3）在本文的研究參數(shù)下，所模擬的帶有車轍缺陷的混凝土路面中心處以剪切破壞形式為主，其破壞時對應(yīng)的臨界激振力幅值為6.2 kN.

參考文獻：

[1]徐柱杰，凌建明，黃琴龍. 舊水泥混凝土路面共振碎石化效果研究[J]. 中國公路學(xué)報， 2008， 21（5）： 2632.

[2]凌建明. 水泥路面共振碎石化加鋪技術(shù)研究與應(yīng)用[R]. 上海： 同濟大學(xué)， 2007.

[3]JTG D40—2011公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范[S].

[4]張娟霞. 混凝土結(jié)構(gòu)破壞機理的數(shù)值試驗研究[D]. 沈陽： 東北大學(xué)， 2006.

[5]FAN Chenguang， LUO Bin， XIONG Zhiwei. Vibration analysis on worn cement concrete pavement[J]. Appl Mech & Mat， 2012（204208）： 18751879.

（編輯于杰）

摘要：采用有限元法建立舊混凝土路面的動力學(xué)模型，運用ANSYS進行模態(tài)分析和諧響應(yīng)求解.基于混凝土破壞的莫爾庫侖準則判定使路面產(chǎn)生共振破壞的激振力的臨界力幅.結(jié)果表明：考慮基層影響所得到的模型基頻比單純面層??；路面缺陷會使頻率減?。辉诮o定參數(shù)下，隨著激振力的增大，在路面板中心處產(chǎn)生剪切破壞.

關(guān)鍵詞：舊混凝土路面； 共振碎石； 莫爾庫侖準則； 臨界破壞力； 剪切破壞； ANSYS

中圖分類號： U416.216；TB115.1

文獻標志碼： B

0引言

混凝土路面是我國早期干線公路的主要結(jié)構(gòu)形式，由于社會經(jīng)濟發(fā)展帶來的重交通負荷，很多路面出現(xiàn)諸如斷板、錯板、裂縫、剝落和坑洞等損害.為對這些舊混凝土路面進行改造治理，目前應(yīng)用較多的是將其碎石化處理后再加鋪瀝青.共振碎石化是近幾年興起的一種碎石化方法，其主要工作原理是利用水壓能通過一根方形鋼梁傳遞給錘頭，在偏心軸力的驅(qū)動下產(chǎn)生共振簡諧波，將振動能量傳遞給混凝土板，使大部分能量被混凝土板吸收，通過錘頭的振動引起混凝土板的共振并使其迅速開裂.

在共振碎石化問題上，目前國內(nèi)研究主要集中在施工工藝的改進及加鋪層靜力學(xué)分析方面.徐柱杰等[1]和凌建明[2]研究舊混凝土路面共振碎石化效果，并對共振碎石化加鋪技術(shù)進行應(yīng)用推廣.對于帶有損傷的舊混凝土路面的自振特性，在共振狀態(tài)下舊混凝土路面產(chǎn)生破壞的力學(xué)機理和碎石化改進方法研究則涉及很少.

針對有損傷的舊混凝土路面進行動力學(xué)響應(yīng)研究，采用有限元軟件建模，并求解在特定工況下的響應(yīng)情況，根據(jù)結(jié)構(gòu)的動應(yīng)力情況，結(jié)合混凝土破壞的近似準則，確定模型發(fā)生破壞的臨界應(yīng)力，從而確定正弦激振力的臨界幅值.

1混凝土路面的力學(xué)模型

對于帶有各種缺陷的舊混凝土路面，缺陷包括缺角、裂縫、掉塊和壓痕等，主要研究其自振頻率以及在合理的激勵函數(shù)載荷作用下的混凝土路面不同位置的位移響應(yīng)和動應(yīng)力等參數(shù).混凝土路面作為混凝土構(gòu)成的矩形板狀結(jié)構(gòu)，在碎石過程中會傳遞來自碎石機械不同頻率的激勵.在不同路基狀況下，路面路基系統(tǒng)的自振頻率也存在差異.在一般情況下，對于整個路面路基結(jié)構(gòu)，其低階自振頻率遠低于碎石過程中由碎石機械產(chǎn)生的激振頻率，因此激振能量不會由于路基的阻尼作用而耗散，而是主要由路面吸收.在建模過程中不考慮路基的影響，并可以忽略鋼筋的影響.

二級公路混凝土面層和基層參數(shù)見表1.[3]用ANSYS建立混凝土路面力學(xué)模型，同時考慮完整面層和有車轍缺陷的面層，見圖1.

2混凝土路面的頻率響應(yīng)特性

在ANSYS中利用模態(tài)分析模塊對2種模型及單獨完整的面層進行模態(tài)計算，得到前3階固有頻率，見表2.

對于帶有車轍缺陷的路面模型，在四邊固定約束情況下，采用正弦激勵在路面中心進行激振，利用ANSYS的諧響應(yīng)模塊分析路面中心附近的動應(yīng)力隨頻率的變化狀況.在激勵力幅值為6.2 kN時，板中心混凝土應(yīng)力（絕對值）頻率變化曲線見圖2.

4結(jié)論

基于有限元法和混凝土破壞的莫爾庫倫準則，數(shù)值模擬混凝土路面在共振碎石化機械作用下的動力特性和應(yīng)力響應(yīng)，得到下列結(jié)論：

（1）考慮基層的影響，混凝土路面的基頻比單純只考慮面層小.

（2）缺陷的存在會導(dǎo)致混凝土路面的固有頻率下降.

（3）在本文的研究參數(shù)下，所模擬的帶有車轍缺陷的混凝土路面中心處以剪切破壞形式為主，其破壞時對應(yīng)的臨界激振力幅值為6.2 kN.

參考文獻：

[1]徐柱杰，凌建明，黃琴龍. 舊水泥混凝土路面共振碎石化效果研究[J]. 中國公路學(xué)報， 2008， 21（5）： 2632.

[2]凌建明. 水泥路面共振碎石化加鋪技術(shù)研究與應(yīng)用[R]. 上海： 同濟大學(xué)， 2007.

[3]JTG D40—2011公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范[S].

[4]張娟霞. 混凝土結(jié)構(gòu)破壞機理的數(shù)值試驗研究[D]. 沈陽： 東北大學(xué)， 2006.

[5]FAN Chenguang， LUO Bin， XIONG Zhiwei. Vibration analysis on worn cement concrete pavement[J]. Appl Mech & Mat， 2012（204208）： 18751879.

（編輯于杰）