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        預(yù)制鋼纖維混凝土路面板結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)值模擬研究

        2021-12-14 08:06:14范漢秀潘志歆張鑫羅文宇葉向陽
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2021年34期
        關(guān)鍵詞:輪壓靜力鋼纖維

        范漢秀 潘志歆 張鑫 羅文宇 葉向陽

        (1、中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司,重慶 4000372、重慶科技學(xué)院,重慶 401331)

        近年來,隨著我國市政工程的高速發(fā)展,在一些城市和鄉(xiāng)村的道路中逐漸采用裝配式混凝土路面板,然而裝配式混凝土路面板易出現(xiàn)受壓破壞且路面板厚度較大等問題,導(dǎo)致其使用壽命短,進(jìn)而影響工程造價(jià)[1-3]。為此,諸多學(xué)者對裝配式路面板進(jìn)行了的力學(xué)性能分析,如:謝喜年[4]對裝配式混凝土路面板進(jìn)行板底脫空損壞的力學(xué)機(jī)制研究;預(yù)制混凝土路面板路面平整度和自重作為其中的重要指標(biāo),陳智杰[5]對其施工工藝進(jìn)行了改善。鄭震宙[6]等人對裝配式路面板受力特征及脫空時(shí)的力學(xué)性能進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)在正常條件下混凝土路面板力學(xué)特性并未達(dá)到開裂值。孫偉、高建明[7]對鋼纖維混凝土路面結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了研究,通過研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼纖維摻量為1%~1.2%時(shí),鋼纖維混凝土路面板厚度可以減少40%~50%。從現(xiàn)階段研究成果來看,預(yù)制鋼纖維混凝土路面板特性與其結(jié)構(gòu)形式有關(guān),其抗壓強(qiáng)度特性需進(jìn)一步研究,本文通過數(shù)值模擬方法研究該路面板的受力特性,分析在加入鋼筋網(wǎng)后路面板特性的變化,并為以后類似工程提供一定的參考價(jià)值。

        1 工程概況

        鋼纖維混凝土路面板尺寸為2.0m×2.0m×0.2m(長×寬×高),底基層和墊層厚度均為0.2m。為消除邊界約束對數(shù)值模擬結(jié)果造成影響?;鶎雍屯粱鶎拥暮穸葹閱螇K板的5 倍,且路面板位于基層頂部最中央。各結(jié)構(gòu)層材料物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。有限元分析模型如圖1 所示。

        表1 結(jié)構(gòu)層材料的物理力學(xué)參數(shù)

        圖1 有限元模型及網(wǎng)格劃分圖

        2 靜力荷載下路面板受力特性分析

        根據(jù)實(shí)際工程,本試驗(yàn)選擇靜力荷載采用的是雙輪荷載,并考慮不同作用位置,輪壓大小為2.8Mpa。并以單輪與路面接觸面積A=長×寬=0.16m×0.16m,并按均布荷載考慮。兩輪橫向凈間距d=0.16m。具體簡化后的行車荷載等效面積示意圖[8,9],如圖2 所示。路面板內(nèi)鋼筋網(wǎng)橫縱筋、馬凳筋均采用B8,鋼筋網(wǎng)模型按照實(shí)際工程情況建立,如圖3 所示。

        圖2 行車荷載等效面積示意圖(單位:m)

        圖3 鋼筋網(wǎng)模型圖

        2.1 輪壓位置工況。雖然將動(dòng)力問題簡化成靜力問題,但仍然要考慮輪載作用在路面板不同位置對路面板的影響。本文依后輪沿著路面板邊緣中心、路面板中心、另一端路面板邊緣中心,三種典型的輪壓位置(或工況),以模擬在行車過程中路面板的結(jié)構(gòu)受力,探討輪壓位置不同時(shí)對路面板的影響,如圖4 所示。

        圖4 輪壓位置工況示意圖

        2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析。結(jié)果表明,無論路面板有無鋼筋網(wǎng)在各工況下UZ方向位移都很小,但有鋼筋網(wǎng)的路面板受壓部分位移等值線受力較無鋼筋網(wǎng)的均勻,且最大下沉位置在外側(cè)輪壓作用位置處,輪壓位置處的位置位移如圖5 所示,此外,板體會(huì)出現(xiàn)中間翹起變形,即存在縱、橫彎曲現(xiàn)象。

        圖5 各工況下UZ 方向位移

        路面板的壓應(yīng)力區(qū)主要出現(xiàn)在板頂部如圖6 為各工況下路面板頂部壓應(yīng)力對比圖,從應(yīng)力云圖中可可以看出所有工況的等值線間隔大致相同,即證明該路面板傳荷能力強(qiáng)。通過對比分析各工況下板頂壓應(yīng)力發(fā)現(xiàn),各工況下壓應(yīng)力均為超過混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(C40 混凝土fck為17.1Mpa),路面板未出現(xiàn)彌散裂縫,且在加入鋼筋網(wǎng)后壓應(yīng)力提高了0.821Mpa~1.2249Mpa。

        圖6 各工況下壓應(yīng)力圖

        3 結(jié)論

        3.1 在加入鋼筋網(wǎng)后路面板在經(jīng)歷荷載作用下最大位移并未改變,但輪壓位置處的位移等值線變得更均勻,表明在加入鋼筋網(wǎng)后路面板受力更合理。

        3.2 在正常靜力荷載作用下,路面板最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在車輪荷載處的頂板位置,且最大拉應(yīng)力未超過軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,且抗壓強(qiáng)度提升0.821Mpa~1.2249Mpa。

        3.3 本文荷載考慮的是靜力荷載,未考慮移動(dòng)荷載,希望接下來對此展開移動(dòng)荷載研究,進(jìn)一步完善裝配式鋼纖維混凝土路面板工作性能的研究。

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