混凝土桥面防水粘结层剪应力计算分析.pdf
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1、公路交通技术2 0 1 1 年 8月 第 4期T e e h n o l o o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t A u g 2 0 1 1 N o 4 混凝土桥面防水粘结层剪应力计算分析 王火明 , 周宏伟 , 魏 强 ( 1 招商局重庆交通科研设计院有限公司, 重庆4 0 0 0 6 7 ; 2 江苏省常州市武进区公路管理处, 江苏 常州2 1 3 0 2 2 ; 3 广 西壮 族 自治区交通规划勘察设计研究 院重庆分院 , 重庆4 0 1 1 4 7 ) 摘要 : 运 用 A N S Y S有限元分析软件 , 对混凝土桥 面防水粘 结层 剪
2、应 力进 行计算 , 分析超 栽、 车辆行驶状 态、 沥青铺 装层厚 度及 模量 、 防水粘结层模 量 、 层 间接 触状态等对防水粘结层 最大剪应 力的影响。计 算结果表 明, 当超载 1 0 0 时, 防水粘结层最大剪应力增大约 3 2倍; 特殊路段 紧急刹车时层间可能出现的最大剪应力约为车辆正常行驶时的 1 1 8倍; 最大剪应力随沥青铺装层厚度增加而减少, 当铺装层厚度超过 6 c m后 , 最大剪应力不超过 0 3 9 2 M P a ; 沥青 铺 装层模 量对最 大剪应 力影响 不大。在 此基础上提 出桥 面铺装结构 防水粘结层 的抗剪强度标准。 关键词: 道路工程 ; 桥面铺装;
3、 防水粘结层; 有限元; 抗剪强度; 剪应力 文章编号: 1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 1 4 0 5 中图分类号: U 4 4 3 3 3 文献标识码: A Ca lc u la t i o n a n d An a ly s is f o r Sh e a r St r e s s O f W a t e r p r o o f Bo n d i n g L a y e r O n Co n c r e t e Br id g e De c k WA N G H u o mi n g , Z HO U H o n g w e i , WE I Q
4、i a n g Ab s t r a c t :T h i s p a p e r c a l c u l a t e s s h e a r s t r e s s o f w a t e r p r o o f b o n d i n g l a y e r o n c o n c r e t e b r i d g e d e c k a n d a n a l y z e s i n f l u e nc e s o f o v e r l o a d,d r i v i ng s t a t us o f v e hi c l e s ,t h i c k ne s s a n d
5、mo d u l us o f a s p h a l t pa v i ng c o ur s e, mo d ul us o f wa t e rpr o o f bo n d i ng l a y e r a n d i n di r e c t c o n t a c t i ng s t a t u s, e t c o n t he ma x s h e a r s t r e s s o f wa t e rpr o o f b o nd i n g l a y e r b y me a n s o f ANS YS fin i t e e l e me n t a n a l
6、y s i s s o f t wa r e T h e c a l c u l a t e d r e s u l t s s h o w t h a t t h e ma x s he a r s t r e s s o f wa t e r p r o o f b o n d i n g l a y e r i nc r e a s e s b y a p p r o x i ma t e 3 2 t i me s u n d e r 1 0 0 o v e r l o a d;t h e p o s s i b l e ma x i n t e r l a y e r s h e a
7、r s t r e s s d u r i n g e me r g e n c y b r a k e a t s p e c i a l r o a d s e c t i o n s i s a p p r o x i ma t e 1 1 8 t i me s t h e n o r ma l d r i v i n g o f v e hi c l e s;t h e ma xs he a r s t r e s s d e c r e a s e s wi t h t h e i n c r e a s e o f a s p h a l t pa v i ng c o u r s
8、 e,a n d i s n o t mo r e t h a n 0 3 92 MP a a f t e r t h e t h i c k n e s s o f pa v i ng c o u r s e i s o v e r 6c m ; a n d t h e mo d u l u s o f a s p h a l t p a v i n g c o u r s e h a s n o t b i g i mp a c t o n t h e ma x s h e a r s t r e s s On t h i s b a s i s t h e p a p e r p r o
9、 p o s e s t h e s h e a r s t r e n g t h s t a n d a r d o f wa t e rpr o o f b o n d i n g l a y e r o f p a v i n g s t r u c t u r e o n b r i d g e d e c k Ke y wor ds:r o a d e n g i n e e r i ng;b r i d g e d e c k p a v e me n t ;wa t e rpr o o f bo n di ng l a y e r ;fin i t e e l e me n t
10、 ;s h e a r s t r e n g t h;s h e a r s t r e s s 水泥混凝土桥面沥青混合料铺装结构发生的损 坏形式主要有推移 、 车辙和开裂 , 防水粘结层的剪切 破坏是造成桥面铺装损坏的根本原因u 1 - 3 。本文以 桥面铺装防水粘结层最大剪应力 为研究对象 , 运用 A N S Y S有 限元分析软件对其进行计算 , 考虑不同比 例超载 、 车辆行驶状态 、 沥青铺装层厚度及模量 、 层 间结合状态等对最大剪应 力的影 响, 运用功能原理 对防水粘结层可 能出现 的最 大剪应力进 行简化计 算 , 在此基础上对桥 面铺装 防水粘结层抗剪强度标 准进行研究
11、。 1 有限元分析模型建立 运用 A N S Y S软件分析和计算防水粘结层 内的 剪应力大小 , 建模之前 , 作以下几点假设 : 1 )防水粘结层完全连续 , 即沥青 层 、 防水粘结 层与桥面板彼此之间完全连续。 2 )忽略桥梁结构的震动和负弯矩影响, 将桥面 视为弹性半空间无限体 。 3 )为分 析方便 , 假设各 层材料 具有线 弹性性 质 , 材料参数用 E 表示 。 收稿 日期 : 2 0 1 01 2 2 1 作者简 介 : 王火 明( 1 9 8 2一) , 男 , 湖北省团风县人 , 在读博士 , 助理研究员 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
12、2 0 1 1 年第4期 王火明, 等: 混凝 土桥 面防水粘结层剪应力计算分析 1 5 4 )计算过程中不考虑温度应力对防水粘结层 剪应力的影响。 在 以上假设前提下 , 桥面铺装结构可视为 3层 弹性体系 , 即: 沥青层 、 防水粘结层和桥 面板。各层 都选用 8节点三维等参元 S O L I D单元 J , 单元 的每 个节点都有 3个 自由度一 、 y和 U Z 。模型尺寸 为 : 5 m1 0 m1 I n , 即沿桥面宽度方 向取 5 1T I , 长 度方 向取 l 0 1 3 3 , 厚度取 1 m。这里利用模型 的对称 性 , 建立 了 1 2模型 , 荷载作用位 置处 ,
13、 在网格 划分 时进行加密。约束条件为 : 梁端约束 y 、 z方向的变 形 , 两侧面约束 方向的变形 , 在对称 面 X=0施加 对称约束。其中 , 为横桥 向, , , 为顺桥向, z为沿桥 厚度方向。定义了边界条件及网格划分后 的模型 , 如 图 1所示 。 图 1 施加荷载和边界条件后的模型 计算时, 荷 载采 用 B Z Z一1 0 0标准 轴载 , 轴 重 1 0 0 k N, 轮压 0 7 MP a , 双轮中心距 3 2 c m, 轮距 1 8 2 12 1 13 。为计算简便 , 将 双轮均布荷载简化 为正方形荷 载 J , 根据公式 4 p a = P( 式 中, a为正
14、方形边长 ; p 为轮压 ; P为轴重。 ) 计算可得 a=1 8 9 e m。轮胎接 地面积为 3 5 7 2 1 e m , 荷载图示及各部尺寸见 图 2 。 参考相关文献资料 J , 选择模型计算参数 , 见表 1 。 l 8 2 -l ! J 一 一 一 望 L 一 一 1 塑 塑 J 单位:e ln 图2 荷载模型图示 表 1 有 限元分析计算基本参数取值 结构层 模量 M P a 泊松比 厚度 c m 水平力系数 F 沥青层8 0 01 5 0 0 0 2 5 2 2 0 防水粘结层1 0 3 0 0 0 2 0 4 0 1 0 5 0 2 0 7 5 桥面板 3 0 0 0 0
15、0 1 5 1 5 0 2有限元计算结果与分析 2 1 车辆轴载对防水粘结层剪应力的影响 鉴于 目前超载超 限运输时有发生 , 而超 载运输 对路面结构产生 的破坏 远 比人们想象 的要 严重得 多 , 因此 , 本文针对超载进行有 限元分析 , 标准 轴载取为 1 0 0 k N, 分别计算超 载 1 0 、 2 0 、 3 0 、 4 0 、 5 O 、 6 O 、 7 O 、 8 O 、 9 0 、 1 0 0 情况下 防 水粘结层的剪应力大小。此时 , 统一取沥青层厚度 为 1 0 c m, 模量 为 1 2 0 0 MP a , 防水粘结层材料模量 取 1 5 0 , 泊松 比取 0
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