ANSYS在混凝土基层沥青路面结构计算中的应用.ppt

ANSYS在混凝土基层沥青路面结构计算中的应用 1 有限元法和ANSYS简介 2 混凝土基层沥青路面的应力分析 3 路面结构的建模和计算 3.1 几何模型和计算参数 3.2 具体计算步骤 3.3 荷载应力分析 3.4 温度应力分析 3.5 耦合应力分析 4 结论 1 有限元法和ANSYS简介 ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS公司开发，是美国机械工程师协会、美国核安全局及近20种专业技术协会认证的标准分析软件。 ANSYS 软件主要包括三个部分:前处理模块,分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具可以方便地构造有限元模型。在加载求解过程中，包括位移、力、温度在内的任何荷载均可以直接施加在任意几何实体或者有限元实体上，载荷可以是具体数值，也可以是与时间或者坐标有关的任意函数。后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、立体切片显示等图形方式显示出来,也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100 种以上的单元类型,用来模拟工程中的各种结构和材料。ANSYS 不仅具有结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析等，而且还具有优化设计、建立子结构模型等高级应用功能。 2 混凝土基层沥青路面的应力分析 混凝土基层沥青路面以普通水泥混凝土基层和贫混凝土基层作为路面基层，上面加铺沥青混凝土面层，这种路面结构可弥补柔性路面和水泥混凝土路面的不足，大大改善路面的使用性能，延长路面的使用寿命。沥青面层为表面功能层，主要是提高路面表面的平整度、耐磨和抗滑性能，并扩散车轮荷载，减少冲击振动，防止反射裂缝的产生和发展。基层是车辆荷载和温度应力的主要承载层。 在行车荷载和温度变化的反复作用下，混凝土基层内会产生荷载疲劳应力和温度疲劳应力。当行车荷载和温度变化产生的荷载疲劳应力和温度疲劳应力之和超过混凝土基层的弯拉强度时，基层板将发生断裂，继而整个路面结构破坏。因此，应计算混凝土基层的荷载疲劳应力和温度疲劳应力，且两者之和不应超过混凝土的设计弯拉强度，以控制因基层板断裂而造成的结构破坏。 路面结构不但受到行车荷载的反复作用，而且在自然环境下受到太阳辐射、气温等因素不断变化的影响。因此路面结构内的温度是随着气温日变化、年变化而变化。当温度变化时，混凝土基层在温度作用下产生的应力可分为：由于基层顶与基层底温度不一致而产生的翘曲应力；由于温度均匀上升或下降引起基层的热胀冷缩而在基层内产生的胀缩应力。胀缩应力对温度应力的影响不大，且可在接缝设计时考虑，本文主要考虑温度翘曲应力。 3 路面结构的建模和计算 3.1 几何模型和计算参数 混凝土基层沥青路面结构可视为由沥青面层、混凝土基层及地基组成的弹性层状体系。 沥青加铺层、混凝土基层和地基础结构层采用8节点实体单元。上下层间的接触状况为，混凝土基层与地基之间假设为绝对光滑，与沥青加铺层之间假设为完全连续。 模型的边界条件为：（1）地基为弹性半空间体，根据收敛性分析，取为有限尺寸。基层为有限尺寸；（2）地基的底面为自由度完全约束的固定面，基层和地基的其它面均为自由悬空面。 收敛性分析时采用标准轴载BZZ-100，轮胎内压0.7MPa，单个轮压作用范围18.9cm×18.9cm，接触面积357.21cm2，双轮间距32cm，两侧轮隙间距182cm（图1）。 荷载作用位置为临界荷位，即纵向边缘中部，轮载作用如图2所示。 图1 车轮布载平面图（单位：cm） 图2 临界荷位处轮载作用示意图 计算参数范围的确定： 对混凝土基层沥青路面进行有限元分析，先要确定计算参数的大小和范围。主要计算参数如表1所示。 表1 主要计算参数 通过收敛性分析，结合实际应用情况，确定混凝土板块尺寸为10.0m×4.5m。此外，已有研究表明，当地基尺寸比混凝土板长宽方向均扩大3m，深度取为9m时，混凝土板底的荷载应力早已收敛，因此地基的尺寸取为16×10.5×9m。 通过上述分析，最终确定混凝土基层沥青路面进行有限元分析计算的模型如图3所示。与之对应的路面整体有限元网格划分如图4所示。 图3 结构计算模型（单位：cm） 图4 路面结构有限元网格划分图 表2列举了沥青层厚度ha为0～20cm,基层厚度hc为22cm时，各自然区划内最大温度梯度变化范围。 表2 不同自然区划最大温度梯度推荐值(℃/cm) 当基层厚度变化时，可按表3进行修正。 表3 不同基层厚度最大温度梯度修正系数 在进行热