基于FLAC3D的水泥混凝土路面温度应力分析

【摘要】2 模型描述有限尺寸矩形路面板温度应力计算 Westergaard、Bradbury研究了Winkler地基上路面板的温度应力，他们假设温度沿路面板厚度方向呈线性分布，板与地基始终保持接触，无空隙...

摘要:本文以水泥混凝土路面板为研究对象，利用flac3d软件模拟水泥混凝土路面板在温度梯度作用下的温度应力。主要分析了路面板厚度、路面板弯拉弹性模量、路面板长、基层弹性模量对板中温度翘曲应力的影响。

关键词 水泥混凝土路面；温度应力；FLAC3D

中图分类号：TU375 文献标识码：A

1 引言

我国公路建设取得了突飞猛进的发展。尤其在水泥混凝土路面上更为显著，学者们对水泥路面应力的研究也一直在进行，尤其是对温度应力的研究更是不曾停止。从总体上来说，目前世界各国的水泥混凝土路面设计方法都是以分析弹性地基板上的荷载应力及温度应力的方法为基本理论。水泥混凝土路面板在温度梯度作用下，产生翘曲，当板受到约束时，便会产生温度翘曲应力。本文以水泥混凝土路面板为研究对象，利用FLAC3D软件模拟水泥混凝土路面板在温度梯度作用下的温度翘曲应力。主要分析了路面板厚度、路面板弯拉弹性模量、路面板长、基层弹性模量对板中温度翘曲应力的影响。

2 模型描述有限尺寸矩形路面板温度应力计算

Westergaard、Bradbury研究了Winkler地基上路面板的温度应力，他们假设温度沿路面板厚度方向呈线性分布，板与地基始终保持接触，无空隙，从而推演了路面板由于地基约束而产生的温度应力。在实际应用中，最大温度应力通常产生在板的中心位置，或产生在一条边棱的中间位置。

Westergaard运用以下公式（2-1～2-7）可以计算有限尺寸矩形路面板中心位置的温度应力。

（2-1）

式中：

——刚度半径；

——路面板弯拉弹性模量；

——路面板厚度；

——泊松比；

——地基反应模量，取50MN/m3。

（2-2）

式中：

——路面板沿x方向长度。

（2-3）

式中：

——路面板沿y方向长度。

（2-4）

（2-5）

温度应力计算公式：

（2-6）

（2-7）

式中：

——路面板沿x方向中心位置应力；

——路面板沿y方向中心位置应力；

——线膨胀系数；

——温差。

3 模型描述

3.1热力学参数

在FLAC3D中计算热应力所需的热参数有：线膨胀系数、导热系数、比热、温度梯度。本文采用的水泥路面结构层热力参数见表3-1所示。在水泥混凝土路面结构中，本文只考虑水泥混凝土路面的温度梯度，在这里忽略不计土基及基层的温度梯度。本章假设弹性模量、泊松比、线膨胀系数随温度变化很小，因此，本章水泥混凝土路面结构各层参数不变。

表3-1 水泥混凝土路面结构层热力参数

3.2FALC3D模型

本文选用扩大基础模型，地基尺寸为9.6m×7.5m，土基厚度4m，底基层厚度0.18m，基层厚度0.2m.，水泥混凝土面板尺寸为4.8m×3.75m。

本文模拟水泥混凝土路面在最大正温度梯度作用下的水泥路面的温度应力，最大温度梯度为92℃/m，对不同厚度的路面，考虑温度梯度修正系数见表3-2。面层混凝土和地基的徐变系数分别取0.85、0.7。

表3-2 不同厚度板的温度梯度修正系数

4水泥混凝土路面温度应力分析

4.1板厚对温度应力的影响

水泥路面板弯拉弹性模量取31Gpa，基层弹性模量取2000Mpa，板长为4.8m，板厚从0.22m增加到0.3m时，板中温度应力变化见表4-1。板厚从0.22m增加到0.3m，板中温度应力减小了14.3%。

表4-1 数值结果

4.2板的弯拉弹性模量对温度应力的影响

水泥路面板厚为0.26m，基层弹性模量取2000Mpa，板长为4.8m，板的弯拉弹性模量从29Gpa增加到38Gpa时，板中温度应力变化见表4-2。板的弯拉弹性模量从29Gpa增加到38Gpa，板中温度应力增加22.4%。

表4-2 数值结果

4.3基层弹性模量对温度应力的影响

水泥路面板厚为0.26m，板长为4.8m，板的弯拉弹性模量为31Gpa，基层弹性模量从700Mpa增加到2000Mpa时，板中温度应力变化见表4-3所示。基层弹性模量从700Mpa增加到2000Mpa，板中温度应力增加了2.2%。基层模量的增加使得对路面板的约束增加，路面板内温度应力增大，但当基层弹性模量大于1500Mpa时，路面板温度应力增加便不明显。

表4-3 数值结果

4.4板长对温度应力的影响

水泥路面板厚为0.26m，板的弯拉弹性模量为31Gpa，基层弹性模量为2000Mpa，板长从4m增加到6m时，板中温度应力变化见表4-4。板长从4m增加到6m，板中温度应力增加28.4%。

表4-4 数值结果

5结论

本文利用FLAC3D软件在最大正温度梯度作用下对不同参数的水泥路面温度应力进行了模拟计算，在考虑温度梯度修正系数的情况下，分析了参数对路面板温度应力的影响，从模拟计算结果及Westergaard计算结果得出以下结论：

1) 随着板厚的增加，板中温度应力减小。

2) 随着水泥混凝土板弯拉弹性模量的增加，板中温度应力显著增加。

3) 随着板长的增加，板中温度应力增大。

4) 随着基层弹性模量的增加，板中温度应力增加，但不明显。

参考文献

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