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        低溫狀況下鳳大高速公路路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

        2014-02-27 10:34:48單楠張?jiān)品?/span>李連友周婷顏加俊
        湖南交通科技 2014年1期
        關(guān)鍵詞:抗壓面層模量

        單楠,張?jiān)品?,李連友,周婷,顏加俊

        (1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410004;2.中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司,北京100011)

        0 引言

        瀝青混凝土路面因其良好的路用性能,而被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外各等級(jí)公路中,但是由于瀝青混合料作為一種粘彈性體,其承載能力以及路用性能都會(huì)受到溫度的影響顯著,在低溫狀態(tài)下,瀝青混合料的模量會(huì)隨著溫度的降低而顯著的升高,在路面荷載應(yīng)力以及溫度應(yīng)力的作用下,道路路面會(huì)產(chǎn)生裂縫[1-3]。但是低溫狀態(tài)下,荷載作用以及溫度作用對(duì)道路路面裂縫貢獻(xiàn)并不明確,本文通過(guò)試驗(yàn)確定了鳳大高速公路瀝青面層的抗壓回彈模量,并通過(guò)有限元分析軟件ANSYS計(jì)算低溫狀態(tài)下路面各結(jié)構(gòu)層層底的荷載應(yīng)力以及溫度應(yīng)力,明確了低溫狀態(tài)下,道路結(jié)構(gòu)在行車荷載應(yīng)力以及溫度荷載應(yīng)力作用下,各結(jié)構(gòu)層層底應(yīng)力的大小,并對(duì)荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力對(duì)瀝青路面裂縫貢獻(xiàn)進(jìn)行了初步分析。

        1 瀝青混合料模量試驗(yàn)

        1.1 試驗(yàn)條件的確定

        湖南省鳳大高速公路地處湖南、貴州交界的省際邊境區(qū)域,位于湖南省湘西西南部地區(qū)。地理坐標(biāo)為東經(jīng)109°18'~100°20',北緯27°45'~28°00'。行政區(qū)劃屬于湖南省湘西自治州鳳凰縣。極端最低氣溫-8.5℃,極端最高氣溫39.9℃。本文考察路面結(jié)構(gòu)層低溫狀態(tài)下的荷載應(yīng)力以及溫度應(yīng)力,所以選取試驗(yàn)溫度為-8.5℃,進(jìn)行面層抗壓回彈模量試驗(yàn)。

        1.2 瀝青混合料模量試驗(yàn)

        鳳大高速道路結(jié)構(gòu)面層采用18 cm的瀝青混凝土材料,上面層是4 cm的SMA—13,中面層是6 cm的AC—20C,下面層采用的是8 cm的AC—25C,具體級(jí)配組成參見(jiàn)表1,其中SMA—13、AC—20C使用的是SBS改性70#道路石油瀝青,AC—25C使用的是70#道路石油瀝青。SMA—13、AC—20C、AC—25C的最佳油石比分別為6%、4.2%、3.9%。

        表1 瀝青混合料級(jí)配組成

        根據(jù)最佳油石比,按照上述級(jí)配拌制以上3種不同類型的瀝青混合料,參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中T 0736—2011瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件制作方法(SGC方法)成型(尺寸為直徑)Ф100 mm,高度h=100 mm的圓柱體試件,每種混合料平行試件6個(gè)。之后將試件放在MTS萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)專用的高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱中保溫24 h以上,試驗(yàn)溫度為-8.5℃。

        將保溫好的試件置于MTS試驗(yàn)機(jī)上,根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中T0713—2000瀝青混合料單軸壓縮實(shí)驗(yàn)(圓柱體法)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)將荷載分為7級(jí),采用逐級(jí)加載-卸載,加載速率為2 mm/min,到達(dá)預(yù)定的加載速率后直接卸載,穩(wěn)壓30 s,測(cè)定出加載后變形和卸載后變形,差值即為回彈變形,根據(jù)回彈變形與荷載計(jì)算出抗壓回彈模量。見(jiàn)表2。

        表2 瀝青混合料-8.5℃抗壓回彈模量

        根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范,瀝青混合材料常溫下抗壓模量設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

        表3 瀝青混合料常溫狀態(tài)設(shè)計(jì)參數(shù)

        對(duì)比表2、表3可以看出,瀝青混合料的抗壓回彈模量隨著溫度的降低明顯增大,3種混合料-8.5℃的模量是15℃時(shí)模量的2倍以上,由此可見(jiàn),溫度的作用對(duì)瀝青混合料的抗壓回彈模量影響是很大的,這主要是因?yàn)闉r青混合料強(qiáng)度由骨料之間的嵌擠力和內(nèi)摩擦力以及瀝青與礦料間的粘聚力兩部分組成,而隨著溫度的降低,瀝青混合料由粘彈性體向彈性體進(jìn)行轉(zhuǎn)化,進(jìn)而勁度模量逐漸增大,流變性減小,抗壓回彈模量大大增加[4,5]。

        2 行車荷載作用下瀝青面層層底應(yīng)力分析

        當(dāng)車輪荷載作用在瀝青路面上時(shí),路面各結(jié)構(gòu)層都出現(xiàn)水平向正應(yīng)力,有的出現(xiàn)壓應(yīng)力,也有的出現(xiàn)拉應(yīng)力。各層位出現(xiàn)極限拉應(yīng)力的大小、次序與分布狀況因輪載的位置與整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的層位不同而不同。瀝青路面結(jié)構(gòu)在車輪的反復(fù)作用下,瀝青面層和剛性、半剛性基層的層底拉應(yīng)力超過(guò)極限,形成初始裂縫并擴(kuò)展至斷裂的過(guò)程,屬疲勞斷裂,因此荷載作用是道路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的原因之一[1]。

        2.1 路面計(jì)算模型

        行車荷載作用于模型時(shí)計(jì)算假設(shè):

        1)各層是連續(xù)的、完全彈性的、均勻的、各向同性的;

        2)各層位移和形變是微小的;

        3)層間接觸情況,或者位移完全連續(xù),或者層間僅豎向應(yīng)力和位移連續(xù)而無(wú)摩阻力;

        4)不計(jì)自重。

        進(jìn)行有限元計(jì)算的基礎(chǔ)幾何模型和邊界條件如圖1所示。

        圖1 計(jì)算模型與邊界條件

        根據(jù)現(xiàn)有的研究成果,本文的模型長(zhǎng)8 m,高度4.74 m進(jìn)行計(jì)算,符合計(jì)算精度要求[6]。路面結(jié)構(gòu)采用鳳大高速路面結(jié)構(gòu)層,瀝青面層的模量均為試驗(yàn)實(shí)測(cè)值,半剛性基層的模量受溫度影響不大,采用的是規(guī)范推薦的中值,各結(jié)構(gòu)層的材料性能指標(biāo)以及厚度如表4所示。

        表4 計(jì)算模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

        2.2 加載方式

        在考慮行車荷載對(duì)路面的作用時(shí),我國(guó)現(xiàn)行的公路瀝青路面采用的是雙輪組單軸載100 kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載,即BZZ—100,BZZ—100采用的輪壓為0.7 MPa,當(dāng)量圓直徑是10.66 cm的圓形均布荷載。但是近年來(lái),很多學(xué)者認(rèn)為,使用矩形荷載更能模擬輪胎與路面的實(shí)際接觸情況[7]。本文有限元荷載都是標(biāo)準(zhǔn)荷載,只是將圓形均布荷載轉(zhuǎn)化為矩形荷載來(lái)計(jì)算,轉(zhuǎn)化到該計(jì)算模型后施加的壓力長(zhǎng)度為15.68 cm,輪壓0.7 MPa。

        本文對(duì)模型兩側(cè)進(jìn)行x位移約束,對(duì)土基底部進(jìn)行x、y位移約束,并將矩形荷載施加在面層頂部中間,大小為0.7 MPa。當(dāng)車輛在路面上制動(dòng)或者加速時(shí),需要考慮水平荷載的影響,根據(jù)調(diào)查資料顯示,水平荷載一般為豎直荷載的0.3倍,即0.21 MPa,作為水平荷載,位置同豎直荷載。

        2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

        根據(jù)上述路面結(jié)構(gòu)以及加載方式進(jìn)行ANSYS計(jì)算,得到水平方向各層位應(yīng)力分布圖如圖2所示。

        圖2 荷載應(yīng)力分布圖

        計(jì)算結(jié)果顯示,荷載作用中心位置應(yīng)力較大,各層層底拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表5所示。

        表5 荷載應(yīng)力作用下各層層底應(yīng)力

        表5計(jì)算結(jié)果表明,在荷載應(yīng)力作用下,瀝青面層層底是壓應(yīng)力,而水穩(wěn)基層層底是拉應(yīng)力。

        3 溫度荷載作用下瀝青面層層底應(yīng)力分析

        溫度荷載和行車荷載一樣,是使道路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉應(yīng)力的重要因素,日和季節(jié)性的溫度循環(huán)會(huì)使路面結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生很大的疲勞溫度應(yīng)力,在氣溫驟降的情況下會(huì)產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力,有可能導(dǎo)致瀝青路面的一次性拉斷。本節(jié)用ANSYS對(duì)路面突然降溫時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,計(jì)算道路各結(jié)構(gòu)層底的應(yīng)力大?。?]。

        3.1 路面計(jì)算模型

        在分析中,將路面結(jié)構(gòu)體假定為平面應(yīng)變溫度應(yīng)力的彈性體,不考慮瀝青混凝土的粘彈性,近似模擬瀝青路面在溫度改變時(shí)其內(nèi)部應(yīng)力狀況。本文采用ANSYS計(jì)算中間接耦合法計(jì)算。

        溫度荷載計(jì)算時(shí)做以下基本假設(shè):

        1)各結(jié)構(gòu)層材料為均勻、各向同性的彈性材料;

        2)各層位位移和形變是微小的;

        3)各結(jié)構(gòu)層的溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力計(jì)算參數(shù)不隨溫度變化,為常數(shù);

        4)溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí),路面各結(jié)構(gòu)層的層間界面在溫度變化過(guò)程中,始終處于完全連續(xù)狀態(tài);

        在進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算時(shí)路面結(jié)構(gòu)層間界面狀態(tài)與行車荷載作用模型相同。

        3.2 溫度應(yīng)力分析參數(shù)的選取

        溫度應(yīng)力計(jì)算的道路結(jié)構(gòu),依然選取荷載應(yīng)力計(jì)算時(shí)鳳大高速道路結(jié)構(gòu),瀝青路面溫度應(yīng)力的計(jì)算,與瀝青路面的結(jié)構(gòu)層厚度、路面材料的熱物參數(shù)和力學(xué)參數(shù)有很大關(guān)系,本文根據(jù)調(diào)查資料,確定了風(fēng)大路面溫度應(yīng)力分析的參數(shù),如表6所示。

        表6 溫度應(yīng)力分析參數(shù)

        3.3 邊界條件確定以及計(jì)算結(jié)果

        在溫度場(chǎng)計(jì)算的時(shí)候只有溫度邊界條件,為了模擬路面結(jié)構(gòu)突然降溫的情形,選取高速冬季最不利季節(jié)的情形,在面層頂部設(shè)置路面極低溫度-8.5℃的降溫幅度,在面層底部和基層頂面設(shè)置-5℃的降溫幅度,在土基頂部認(rèn)為溫度不隨外部氣候的變化而變化,降溫幅度為0℃。進(jìn)行溫度應(yīng)力的計(jì)算時(shí)在模型的左右兩側(cè)以及地面設(shè)置位移邊界條件,將溫度場(chǎng)計(jì)算的結(jié)果作為荷載施加于模型中。具體結(jié)果見(jiàn)溫度分布圖圖3與應(yīng)力分布圖圖4。

        圖3 溫度應(yīng)力計(jì)算模型溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

        圖4 溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

        溫度應(yīng)力作用下各層層底應(yīng)力情況如表7所示。

        表7 溫度應(yīng)力作用下各層層底應(yīng)力

        溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果顯示,在瀝青面層和水穩(wěn)基層層底,均是拉應(yīng)力,并且面層拉應(yīng)力大于基層。

        4 結(jié)論

        在氣候溫度調(diào)查的基礎(chǔ)上,對(duì)鳳大高速路面結(jié)構(gòu)中幾種路面材料在極寒溫度下進(jìn)行抗壓模量試驗(yàn),得到了鳳大高速公路幾種路面材料的低溫模量。在所得模量基礎(chǔ)上,利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行了計(jì)算,得到了在極低溫度下路面結(jié)構(gòu)在荷載作用下與溫度作用下各結(jié)構(gòu)層層底應(yīng)力大小情況,分析得到以下結(jié)論:

        1)基于鳳大高速的路面結(jié)構(gòu),進(jìn)行了低溫模量試驗(yàn),對(duì)比了常溫下瀝青混合料的模量,可以發(fā)現(xiàn),瀝青混合料的模量受溫度影響較大,-8.5℃的模量是15℃時(shí)模量的2倍以上,這是由于隨著溫度的降低,瀝青混合料由粘彈性體向彈性體進(jìn)行轉(zhuǎn)化,進(jìn)而勁度模量逐漸增大,流變性減小,抗壓回彈模量大大增加。

        2)基于鳳大高速路面結(jié)構(gòu),通過(guò)模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行荷載應(yīng)力計(jì)算,可以得知,在極低溫度狀態(tài)下,道路結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下,瀝青面層層底應(yīng)力是壓應(yīng)力,半剛性基層層底是拉應(yīng)力,從面層到基層總體趨勢(shì)是由壓轉(zhuǎn)拉。同時(shí)進(jìn)行了溫度荷載應(yīng)力計(jì)算,可以得知,瀝青面層層底與基層層底應(yīng)力全是拉應(yīng)力,面層拉應(yīng)力從上往下由大轉(zhuǎn)小,基層層底拉應(yīng)力幾乎不變。

        3)瀝青路面在低溫下,裂縫是主要病害,通過(guò)對(duì)鳳大高速路面結(jié)構(gòu)行車荷載應(yīng)力與溫度應(yīng)力計(jì)算可知,行車荷載應(yīng)力作用下,瀝青面層層底應(yīng)力主要是壓應(yīng)力,在半剛性基層層底才出現(xiàn)拉應(yīng)力,所以在荷載的作用下會(huì)使半剛性基層先開(kāi)裂,然后在車輛荷載與溫度荷載的聯(lián)合作用下,形成反射裂縫,而在溫度應(yīng)力的作用下,瀝青面層和半剛性基層層底都是拉應(yīng)力,這樣就可能形成上述所說(shuō)的反射裂縫,也可能在溫度驟降過(guò)程中,導(dǎo)致瀝青路面一次拉斷,形成top-down裂縫。

        [1]鄧學(xué)鈞.路基路面工程[M].北京:人民交通出版社,2008.

        [2]韋佑坡,司偉,馬骉.多年凍土地區(qū)瀝青混合料抗壓回彈模量性能研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2012,34(3):56-59.

        [3]姚愛(ài)玲,張西玲,王選倉(cāng).測(cè)試方法對(duì)瀝青混合料抗壓回彈模量的影響[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,25(6):21-24.

        [4]孟巖,李志勇,梅迎軍,等.瀝青混合料抗壓回彈模量溫度修正系數(shù)研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,36(3):182-186.

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        [7]胡小弟,孫立軍.不同車型非均布輪載作用力對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響的三維有限元分析[J].公路交通科技,2003,20(1):1-10.

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