一種新型路面設(shè)計的有限元模擬分析

李延

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

一、概述

路面分為剛性路面和柔性路面，即混凝土路面和瀝青路面，混凝土路面具有如下優(yōu)點：

（1）強度高?；炷谅访婢哂休^高的抗壓強度和抗彎強度以及抗磨耗能力。（2）穩(wěn)定性好。水泥混凝土路面的水穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性均較好。（3）耐久性好、經(jīng)濟效益高。

混凝土路面又存在著混凝土用量大，造價高的缺點，因此設(shè)計新的路面結(jié)構(gòu)使道路在性能不變的前提下混凝土用量減小，降低造價是道路優(yōu)化設(shè)計的一條有效途徑。

二、新型路面模型

剛性路面的受力分析基于均布荷載做用下的小撓度薄板理論，計算公式見（1）、（2）[1]：剛性路面板在豎向荷載下的破壞主要為彎折破壞，路面的上部受壓下部受拉。由于混凝土的抗拉強度僅為抗壓強度的 左右，因此混凝土路面的強度主要取決于路面下部的抗拉強度，根據(jù)以上理論可以通過兩個方法來提高路面工作性能：

（1）升高路面提高路面的彎曲剛度（2）將壓力散開，使底面所受的地基反力和上部傳來的壓力抵消使板底面拉應(yīng)力減小。

新的路面形式如圖 1：

圖1

在傳統(tǒng)的實心板中加入空圓桶使路面變成類似與空心板的形式，新的路面形式在混凝土用量相同的情況下抬高了路面，提高了路面剛度。

三、有限元模擬

（一）建模設(shè)計

新路面形式的路面性能取決于路面厚度、圓筒直徑、圓筒的排列方式。計劃建立三個模型進(jìn)行比較，模型形式為實心式、空心板式。

圖2 道路模型立面與平面圖

實心路面板厚為16cm，空心路面板厚為20cm，圓筒直徑為10cm。這兩種路面板的混凝土用量是相同的，路面高度提高了1/5。路面面積取1m×1m,輪壓取為70kN,車輪著地面積為0.2m×0.3m，使用ANSYS程序中的Blooeans命令中的Divide命令將路面板頂面劃分為5×3的15塊小的區(qū)域，在中心區(qū)域以面荷載的形式加一個標(biāo)準(zhǔn)輪壓

（二）單元類型

混凝土路面材料采用Solid65單元，普通土質(zhì)砂路基采用Solid45單元。

（三）材料模型

混凝土路面在工作中應(yīng)保持彈性狀態(tài)，所以，采用彈性模型；路基采用理想彈塑性模型，混凝土路面和路基泊松比均取為0.25。

（四）建模分析

1、單元劃分。在實心路面板形式下考慮到道路和路基的形狀很規(guī)則，因此，在ANSYS程序中采用映射劃分單元，所有實體單元都是正六面體單元。而空心路面板中由于存在著圓形空洞，因此采用自由格網(wǎng)劃分的方法。2、約束條件。路基的底面設(shè)為固定約束，即UX=UY=UZ=0,路面和路路基的位移設(shè)為水平面內(nèi)不產(chǎn)生位移即UX=UY=0。3、模型求解。加載方式為在劃分過的路面板的中心平面加一個標(biāo)準(zhǔn)輪壓。使用ANSYS進(jìn)行非線性分析時設(shè)置100個子步，進(jìn)行收斂控制，適當(dāng)放寬了收斂標(biāo)準(zhǔn)。

四、試驗結(jié)果分析

三種方案（混凝土用量相同截面型式不同）的路面板底面應(yīng)變 見圖 3：

圖3 路面板的底面應(yīng)變圖

圖4中，y軸為路面板底面拉應(yīng)變，x軸為底面中心節(jié)點，單位：10-4。從圖中可以看出，實心板的底面應(yīng)變均為拉應(yīng)變且數(shù)值較大，空心板1的底面應(yīng)變存在壓應(yīng)變且拉應(yīng)變數(shù)值較小，實心板2的底面應(yīng)變較大。

三種板型的Mises應(yīng)力云圖見圖 4：

圖4 實心和空心路面板的Mises應(yīng)力云圖

數(shù)值分析表明，當(dāng)圓筒距板底的距離較大時（本文為4cm），新路面方案的等效應(yīng)力在圓筒周邊產(chǎn)生了發(fā)散效應(yīng)路面所受的應(yīng)力較小。當(dāng)圓筒距板底的距離較小時（本文為2cm），在圓筒下部產(chǎn)生了應(yīng)力集中效應(yīng)使應(yīng)力急劇上升。

五、結(jié)論與展望

（一）模型能夠合理的模擬路面板的受力狀態(tài)。（二）有限元分析表明：使用升高路面高度來提高路面工作性能的方法是有效的，需要解決的問題是在路面板高度一定時板中所加的圓筒直徑的合理取值范圍，圓筒之間的合理間隔，圓筒與頂面或底面的合理距離。同時，應(yīng)建立空心路面板的應(yīng)力應(yīng)變與板厚，圓筒直徑，圓筒間隔之間的本構(gòu)關(guān)系為其推廣和應(yīng)用創(chuàng)造條件。（三）根據(jù)研究在混凝土攪拌過程中摻入一定數(shù)量的鋼纖維，能夠有效改進(jìn)路面的延性破壞特征，在今后的試驗中計劃將改進(jìn)路面形式與鋼纖維復(fù)合路面相結(jié)合，新的路面形式在經(jīng)濟性和耐久性方面會擁有明顯的優(yōu)勢[4]。