基于Abaqus的人行道磚應(yīng)力分布研究

【摘要】針對近年來人行道地磚出現(xiàn)大量病害這一問題，基于Abaqus對人行道地磚受力進行研究，進而討論地磚破壞的原因。首先通過實驗測得常見人行道磚的彈性模量等參數(shù)，然后通過Abaqus數(shù)值模擬得到人行道磚的應(yīng)力分布。對人行道地磚的設(shè)計優(yōu)化有重要意義。

【關(guān)鍵詞】地磚；破壞；統(tǒng)計；應(yīng)力分布

1、引言

人行道地磚被廣泛應(yīng)用于城市道路改造中，近年來城市人行道地磚出現(xiàn)大量病害，除了施工質(zhì)量問題，排水不當?shù)仍?，人行道被移作他用也是重要原因之一。越來越多的人行道地磚被用作機動車?？浚觿×巳诵械榔茐?。文中采用統(tǒng)計、實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對人行道地磚破壞的原因進行了分析研究。首先去城市人行道調(diào)研，收集整理人行道地磚的破壞情況。然后，通過查閱規(guī)范了解人行道地磚的要求，并采購地磚樣本進行實驗采集人行道地磚強度。最后，通過Abaqus軟件模擬不同種類地磚受力，得到應(yīng)力分布與位移分布，分析地磚破壞原因。

2、人行道地磚破壞情況統(tǒng)計

在蘭州市城關(guān)區(qū)、安寧區(qū)、西固區(qū)進行人行道地磚病害樣本收集（主要為正方形光面磚與矩形透水磚）。對收集到的樣本進行分類整理，從磚體形狀，磚體類型，磚體斷裂位置方面進行統(tǒng)計，得到樣本病害普遍結(jié)論。

磚體形狀主要分為：正方形（250*250*50），矩形（115*230*60與100*200*60） 單位：mm

磚體類型分為：混凝土光面磚，透水磚

磚體斷裂位置分為：中心位置，邊緣位置，四角位置，整體破壞

通過統(tǒng)計得到：

3、實驗數(shù)據(jù)

4、數(shù)值模擬

4.1模型的簡化

1.汽車輪胎與地面接觸面常簡化成圓形或矩形垂直均布接觸模型。圓形圖示簡單，多在力學(xué)解計算時使用；矩形模擬較符合實際，且圖示較為簡單，便于在力學(xué)數(shù)值求解時使用。當汽車處于停駐狀態(tài)時，僅考慮豎向接觸應(yīng)力，本研究中選擇矩形垂直均布接觸模型。輪印面積按式（1）計算

（1）

式中：A為輪印面積；P為一個車輪上的荷載；p為輪胎壓力，kPa

常見的家用型車滿載時的總重取2000㎏，因汽車靜止時前后軸荷是平衡的，故一個車輪上的荷載為5000N；標準氣壓是240-280kPa，因單位壓強p與輪胎內(nèi)壓大致相等，為簡化計算，取250kPa，故輪印面積為 。緊湊型車的輪胎寬度大概在195㎜-225㎜之間，接地面矩形寬度取200㎜，故矩形長度為100㎜。

2.由于地磚之間均用水泥砂漿砌好，地磚的位移轉(zhuǎn)角可忽略不計，可將邊界條件簡化為面固支。

4.2有限元計算參數(shù)

從表3中，從數(shù)值模擬結(jié)果可得，人行道磚在車輛荷載和人群荷載作用下，應(yīng)力和應(yīng)變存在極大差異，當車輛停駐在人行道上，通過車輪作用在人行道磚上的荷載更易造成人行道磚破壞。因為相比于人群荷載，車輛荷載對人行道磚的作用效果明顯得多：車輛荷載作用下人行道磚產(chǎn)生的最大位移約是人群荷載作用的150倍；對于尺寸為230*115*60的人行道磚，在車輛荷載作用下，磚體產(chǎn)生的最大應(yīng)力是人群荷載的97倍，尺寸為200*100*60的人行道磚為143倍，尺寸為250*250*50的人行道磚為54倍。故長期作用下，對于人行道磚的使用性能會產(chǎn)生不利的影響。另外，人行道磚可能自身存在孔洞等缺陷，在車輛荷載作用下，磚體更容易發(fā)生破壞。

對于人行道磚易破壞位置分析，正方形光面磚應(yīng)力最大位置位于四邊中點位置，最大應(yīng)力為0.431Mpa，所以四邊中間位置附近易發(fā)生破壞，隨后裂紋擴展導(dǎo)致邊角斷裂。應(yīng)變最大處位于底面中心，考慮到彈性地基對地磚的作用，其最大位移處也為應(yīng)力較大處，所以也有可能從中間斷裂。長方形透水磚應(yīng)力最大處位于長邊中點位置，尺寸為230*115*60的人行道磚最大應(yīng)力為0.828MPa，200*100*60人行道磚為1.306Mpa，因此長方形人行道磚易在長邊中點附近發(fā)生破壞，最后從中間斷為兩截。其最大位移相比于正方形人行道磚磚要小很多，所以長方形磚主要是從長邊中點開始破壞最后整體從中間斷開。

5、結(jié)論

本文按照人行道地磚鋪裝原則，設(shè)計并完成了人行道地磚強度實驗，發(fā)現(xiàn)正方形光面磚多破壞于邊角斷裂與中心斷裂，長方形透水磚多破壞于中間斷裂。為了更深入研究這一現(xiàn)象，在Abaqus中進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)破壞位置為應(yīng)力最大處相對應(yīng)。解釋了常見正方形與長方形人行道磚破壞的現(xiàn)象。證實了人行道地磚用于機動車輛的?？?，會影響人行道磚的使用。但導(dǎo)致人行道磚破壞的直接原因和如何設(shè)計人行道地磚使得它能承受更多荷載，有待進一步開展理論和實驗研究。

參考文獻：

[1]石亦平，周玉蓉，2006，Abaqus有限元分析實例詳解[M]，北京：機械工業(yè)出版社.

[2]陳忠達，2009，路基路面工程[M]，北京：人民交通出版社.

[3]宋勇，梁彥龍，馬學(xué)軍，張垚.汽車輪胎與路面接觸應(yīng)力分布特點及力學(xué)模型[J]，公路交通科技雜志，2014，31（10）：112-118.

[4]牛璽榮，韓萍，張曉燕.車輪荷載下路基和基底豎向應(yīng)力計算[J].長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，31（1）：26-30

[5]公路工程技術(shù)標準（JTG B01-2014）[S].北京：人民交通出版社.

[6]砂基透水磚（JG/T 376-2012）[S].北京：中國標準出版社

[7]混凝土路面磚（GB 28635-2012）[S].北京：中國標準出版社.