钢筋混凝土梁桥柔性铺装工作状态有限元分析

摘要

本文应用有限元软件ANSYS的三维结构单元，对钢筋混凝土桥双层柔性铺装体系在环境条件下的工作状态进行了数值模拟研究。对其在荷载作用下的受力状态，及铺装层温度在气温、辐射作用下的分布情况进行了计算。在此基础上，研究了温度日变化对双层铺装体系位移，应力，应变的影响，并与常温下的计算结果进行对比分析。 固定温度时荷载作用下的有限元受力分析的结果表明，铺装层表面拉应力、层内剪应力是造成铺装层破坏的主要因素。在变化的气温作用下，铺装层的温度变化幅度高于周围环境气温的变化幅度。周期性变化的温度一方面会影响铺装层的弹性模量；另一方面造成温度梯度的变化，影响铺装上下层刚度比。在变温条件影响下的荷载作用受力分析结果表明，由于材料感温性，变温条件使铺装层的受力情况发生明显变化，铺装层剪应力、拉应力、拉应变、压应变的极值比按固定温度20℃计算的值大。一天内即一个温度循环周期内，应变、位移的变化幅度较大，峰值在高温时出现。一个温度循环周期内，应力变化幅度较小，最大拉应力受温度影响最为显著，其次为剪应力。因此，在对桥面铺装结构进行分析时，应考虑温度变化的影响，对固定温度下的桥面铺装计算结果进行修正，以符合实际情况。 通过对静态、动态阶段改进车辙试验有限元方法模拟的应变结果与改进车辙试验应变片实测值的比较可以发现，弹性阶段的有限元模拟能反映动态轮载作用下的铺装层变形规律， Time Harding 型蠕变方程的模拟的计算结果与静载持荷阶段的应变接近。采用 ANSYS 提供的 Drucker-Prager 准则对沥青混凝土铺装层的塑性阶段进行模拟可以发现，塑性阶段的应变明显高于弹性阶段。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外相关研究现状

1.2.1 桥面铺装层的研究现状概述

1.2.2 已有的桥面铺装层的荷载参数和荷载模型

1.2.3 桥面铺装层的工作温度和弹性模量研究现状

1.2.4 桥面铺装层的层间结合条件

1.2.5 桥面铺装层的应力-应变规律

1.2.6 桥面铺装层的设计理论

1.3 本文主要的研究内容和研究方法

1.3.1 本文主要研究内容

1.3.2 技术路线

2荷载作用下桥面铺装的受力分析

2.1 模型的建立

2.1.1 材料和荷载参数

2.1.2 有限元模型

2.2 铺装层受力分析

2.2.1 垂直荷载作用下的受力分析

2.2.2 垂直荷载和水平制动力共同作用条件下的受力分析

2.3 荷载形式的简化和对比

2.4 本章小结

3温度作用下的桥面铺装受力状况分析

3.1 热力学基础和材料热工参数

3.1.1 热力学基本原理

3.1.2 铺装层材料热工参数

3.1.3 铺装层边界条件

3.2 温度分布的计算

3.2.1 铺装层结构的温度分布

3.2.2 上下层平均温度

3.3 温度分布的计算结果分析

3.3.1 降温速率和温度梯度

3.3.2 周期变温下的弹性模量比

3.4 温度影响下的荷载作用

3.4.1 荷载作用结果

3.5 本章小结

4试验结果对比和分析

4.1 试验概况

4.2 车辙试验的数值模拟

4.2.1 车辙试验的数值模拟——弹性阶段

4.2.2 车辙试验的数值模拟——静载阶段

4.2.3 车辙试验的数值模拟——动载阶段

4.3 有限元模型修正

4.4 有限元模型间的对比分析

4.4.1 对称约束和自由边界的对比

4.4.2 车辙试验与实际轮载数值模拟对比

4.5 本章小结

5桥面铺装设计方法探讨

5.1 破坏原因

5.2 设计思路

5.3 设计指标

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢