水泥混凝土路面板下脱空的力学分析

摘要：水泥混凝土路面板下脱空引起的断板、错台、桥头搭板塌陷等病害会严重影响道路正常的使用功能。本文利用有限元软件从力学方面分析了水泥混凝土路面在不同脱空情况下路面板的弯沉，并与已有试验结果进行了比较，为正确地预防和治理板下脱空状况提供了更好的指导方向。

关键词：水泥混凝土路面；脱空；力学；有限元；弯沉

中图分类号： U416.216 文献标识码： A 文章编号：

水泥混凝土路面在重车荷载的反复作用下，同时由于温度、湿度的变化，以及板内温度的非线形分布，引起板向上或向下的翘曲，加速了板与基础之间的分离，形成板下脱空。脱空将导致唧泥，唧泥的出现又会进一步加剧板下的脱空，恶化行车的舒适性。可以看到，脱空将导致水泥混凝土路面严重的破坏，同时也给行车带来不便。所以，能够更为深入地对水泥混凝土路面板下脱空，特别是脱空对路面弯沉的影响进行研究，将为正确地预防和治理板下脱空状况提供更好的指导方向。

1有限元模型的建立

使用通用的ANSYS有限元分析软件，采用静力分析方法，建立了具有脱空的水泥混凝土路面板的三维模型，见图1、图2。分析时将地基视为弹性地基，将水泥混凝土路面视为弹性地基板。模型由路面板和地基两部分组成，路面板采用10节点的四面体单元solid92单元模拟。地基模型采用弹性半空间地基模型，用solid45单元来模拟。脱空区域的存在使得结构出现了非线性接触问题，接触单元为CONTA174，目标单元为TARGE170。仅考虑竖向荷载作用在路面板上，取单轴双轮组一侧荷载，不考虑纵横缝之间的传荷能力。水泥混凝土路面板平板尺寸取为，混凝土弹性模量，泊松比取，板厚。地基平面尺寸取，地基弹性模量120MPa，泊松比。行车荷载为单轴双轮组，轴载100KN，即标准轴载BZZ-100。轮胎接地压强为0.7MPa，单轴双轮传压面的当量圆半径为15.1cm，双轮当量圆的作用范围折算为等效轮压的作用范围，即26.6cm×26.6cm的正方形，接地面积为707.56cm2，取单轴双轮组一侧荷载。

图1 结构分析平面模型 图2 有限元分析模型

2 有限元计算分析

脱空尺寸为300 mm1700 mm时，荷载中心距离板角点沿板边轴方向移动时路面板的最大弯沉值以及距离板角不同位置时路面板最大弯沉值，计算结果如图3和表1所示。由图可知，荷载沿轴与沿轴方向移动所产生的弯沉值大致相同，最大弯沉值均出现在板角，荷载中心距离板角0—600 mm范围内最大弯沉值急剧减小，到板中时最大弯沉值趋于平缓，几乎为一条直线。说明在不考虑纵横缝之间的传荷能力时，最容易出现脱空的位置是板角，这与实测结果相吻合。荷载在板面上任何位置移动时，路面板的最大弯沉值均比沿轴移动时小，板中心处最大弯沉值最小。从表1看出，当车辆荷载作用在板角边以外位置时，最大弯沉值的减小幅度较大，处于板中心时弯沉值达到最小，因此路面板边角为极易出现脱空位置，越靠近板角，弯沉值越大，这与工程实际中出现的情况相符。

（1）脱空形状的影响分析。在实际工程中，路面板脱空区域可能为不等边三角形，也就是可能不相等。分别选取之间差异为0.7，0.5，0.3，0.1的脱空尺寸进行计算，结果见表2和图4。从图4和表2可以看出，弯沉值的变化与之间长度差异有关，当相等时，弯沉值最大，差异越大弯沉值越小，差异为0.7，0.5和0.3时弯沉值分别为差异为0.1时的79.4%，89.1%，96.2%。

（2）脱空面积的影响分析。由表2我们得到，面积不等时之间长度差异与弯沉值的关系，以下对面积相等时长宽差异对弯沉值的影响以及面积不等时弯沉值的变化趋势进行分析。计算分别选取脱空面积为0.09和0.12，尺寸组合和弯沉值计算结果见表3。从表3、图5和图6可以看出，脱空面积相等时，脱空尺寸的变化对弯沉值的影响很小，变化幅度仅为0.02左右。随着面积的增大，弯沉值变化幅度加大，最大差异达到0.05，从0.09到0.12最大弯沉值的增长幅度为9.24%。

（3）脱空高度的影响分析。水泥混凝土路面板下脱空区为近似的三角形楔形体，距板中愈近脱空高度愈小，距板边角愈近脱空高度愈大。以下就板角处脱空高度的不同，对尺寸为0.50.5脱空区域进行板角弯沉计算，结果见表4。从表4可以看出脱空高度对路面板的弯沉值几乎没有什么影响。（4）脱空尺寸的影响分析。利用本文有限元模型对不同脱空尺寸的板角弯沉值进行计算分析，结果见图7，表5。从图7和表5可以看出，板角没有脱空时，路面板的弯沉值最小，为0.2209。随着脱空面积的增加，弯沉值逐渐增大，但不是均匀的变化趋势。脱空尺寸在0m-0.3范围内时，弯沉值基本上以0.03均匀增加，脱空尺寸在0.4-0.7之间变化时，弯沉值以0.05增加，而当尺寸为大于0.8时，弯沉值则以0.06增加。为0.9时弯沉值最大，为未脱空值的2.59倍。

表1 荷载中心距板角不同距离时路面最大弯沉值

表2 脱空形状对弯沉值的影响

表4 脱空高度对弯沉值的影响

表5 不同脱空尺寸时板角弯沉值

图3 沿板边移动的最大弯沉值图4 脱空形状与弯沉值之间的关系 图5脱空尺寸与弯沉值之间的关系

表3 脱空面积、脱空尺寸对弯沉值的影响

图6 脱空面积为0.12时脱空尺寸与弯沉值之间的关系 图7 脱空尺寸与弯沉值之间的关系

3结语

有限元软件分析表明脱空水泥混凝土路面板的最大弯沉值出现在板角处，与试验结果和实测结果相符；面积不等时，脱空长宽差异越大，弯沉值越小，当脱空尺寸相等时，弯沉值最大；脱空面积相等时，脱空区域的长宽差异对弯沉值影响不大；随着板底脱空尺寸和脱空面积的增大，路面板的最大弯沉值亦逐渐增加；脱空高度对弯沉值的影响很小，以上结论为正确地预防和治理板下脱空状况提供了更好的指导方向。

参考文献:

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[2]赵茂才.水泥混凝土路面板下脱空对使用寿命的影响分析[J].公路交通科技,2004,(02)

[3]周玉民,谈至明,刘伯莹.水泥混凝土路面脱空状态下的荷载应力[J].同济大学学报(自然科学版), 2007,(03)

作者简介：周洋 (1983.10--)，男，汉族，工程师，主要从事市政基础设施建设管理工作。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。