模量變化對水泥混凝土路面影響分析

張 璇

(沈陽市公路規(guī)劃設(shè)計院)

1 引 言

目前我國《水泥混凝土路面設(shè)計》規(guī)定設(shè)計標準軸載為BZZ－100，由于路面上行駛車輛軸重不同，導(dǎo)致每個車輛對路面的作用效果也不一致，為了研究交通量對路面作用，需將每個車輛荷載對路面的作用效果按照等效疲勞損壞原則換算為標準軸載，水泥混凝土板疲勞破壞不僅與標準軸載作用次數(shù)有關(guān)系，同時與溫差有關(guān)，由于一年四季溫度變化差異較大，溫度變化使混凝土板產(chǎn)生翹曲應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土板承受溫度周期性應(yīng)力變化，在設(shè)計年限內(nèi)如果某種條件達到設(shè)計極限值會出現(xiàn)疲勞開裂，因此在混凝土路面設(shè)計中考慮溫差變化產(chǎn)生的應(yīng)力和混凝土板產(chǎn)生的翹曲力不大于混凝土抗拉強度。

2 計算路面結(jié)構(gòu)及其參數(shù)選取

常規(guī)混凝土板長度小于6 m，設(shè)計通常采用4 m ×5 m尺寸，設(shè)計時擬定水泥混凝土結(jié)構(gòu)層及各個結(jié)構(gòu)層的參數(shù)，主要包括彈性模量及厚度，為了研究路面結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性，通過控制其他參數(shù)不變情況下對某一參數(shù)變化進行研究，規(guī)范規(guī)定基層模量變化范圍在1 300 ～1 700 MPa 之間;底基層模量變化范圍在400 ～700 MPa 之間，土基回彈模量變化范圍在20 ～100 MPa 之間，水泥混凝土板厚度變化范圍在20～28 cm 之間，本研究采用參數(shù)水泥混凝土板模量Ec=30 000 MPa，厚度hc=24 cm;基層模量E2=1 500 MPa，厚度h2=20 cm;底基層模量E1=500 MPa，厚度h1=15 cm，土基模量E0=50 MPa 進行研究。

3 荷載應(yīng)力影晌分析

3.1 基層模量變化對混凝土板底荷載應(yīng)力影響分析

為了研究影響混凝土板荷載應(yīng)力最不利因素，由于土基、路面基層、路面底基層回彈模量及水泥混凝土板厚度變化對基層頂面當(dāng)量回彈模量的影響，同時考慮標準軸載在臨界荷位處產(chǎn)生應(yīng)力影響，根據(jù)上述路面結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用Bizar3軟件進行力學(xué)計算分析，分析土基、路面基層、路面底基層回彈模量及水泥混凝土板厚度變量參數(shù)下混凝土板荷載應(yīng)力分布影響情況，最終確定影響混凝土板荷載應(yīng)力最不利因素，土基、基層彈性模量對基層頂面當(dāng)量回彈模量影響分析結(jié)果見圖1 所示，土基、基層彈性模量對混凝土板荷載應(yīng)力影響分析見圖2 所示。

從圖1 可以看出在基層模量值1 500 MPa 和水泥混凝土板厚24 cm 前提下，基層頂面當(dāng)量回彈模量隨著土基回彈模量增加而增加，隨著基層模量增加而增加，基層模量保持不變前提下，土基回彈模量對基層頂面當(dāng)量回彈模量影響較大，當(dāng)土基回彈模量由20 MPa 增加至100 MPa 時基層頂面當(dāng)量回彈模量由134.51%增大到348.94%，土基回彈模量不變情況下基層模量對基層頂面當(dāng)量回彈模量影響變化較小，當(dāng)基層模量由1 300 MPa 增加至1 700 MPa 時基層頂面當(dāng)量回彈模量增大6.07% ～10.32%。

圖1 土基、基層彈性模量對基層頂面當(dāng)量回彈模量關(guān)系曲線

圖2 土基、基層彈性模量對混凝土板荷載應(yīng)力影響關(guān)系曲線

從圖2 看出在基層模量值1 500 MPa 和水泥混凝土板厚24 cm 前提下，水泥混凝土板底荷載應(yīng)力同時隨著土基回彈模量、基層模量增大而減小?；鶎幽Ａ坎蛔兦疤嵯峦粱貜椖Ａ繉λ嗷炷涟宓缀奢d應(yīng)力影響較大，當(dāng)土基回彈模量由20 MPa 增加至100 MPa 時板底荷載應(yīng)力相應(yīng)減小16%，土基回彈模量不變情況下，基層模量變化對水泥混凝土板底荷載應(yīng)力影響較小，當(dāng)基層模量由1 300 MPa 減小到1 700 MPa時板底荷載應(yīng)力減小約2%。

圖3 土基、底基層彈性模量對基層頂面當(dāng)量回彈模量影響

從圖3 看出在底基層模量和水泥混凝土板hc=24 cm不變情況下，基層頂面當(dāng)量回彈模量隨著土基回彈模量、底基層模量增大而增大。底基層模量不變的前提下土基回彈模量對基層頂面當(dāng)量回彈模量影響較大，當(dāng)土基回彈模量由20 MPa 增加至100 MPa 時基層頂面當(dāng)量回彈模量增大148%。土基回彈模量不變的前提下底基層模量對基層頂面當(dāng)量回彈模量影響變化較小，當(dāng)?shù)谆鶎幽Ａ坑?00 MPa 增加至700 MPa 時，基層頂面當(dāng)量回彈模量增大6.16% ～11.14%。

圖4 土基、底基層彈性模量對混凝土板荷載應(yīng)力影響分析

從圖4 看出在底基層模量值和水泥混凝土板厚hc=24 cm 不變情況下，水泥混凝土板底荷載應(yīng)力隨著土基回彈模量和底基層模量增大而減小。底基層模量不變前提下，土基回彈模量對水泥混凝土板底荷載應(yīng)力影響較大，土基回彈模量由20 MPa 增加至100 MPa 時板底荷載應(yīng)力減小16.6%，土基回彈模量不變前提下底基層模量對水泥混凝土板底荷載應(yīng)力影響較小，當(dāng)?shù)谆鶎幽Ａ坑?00 MPa 增加至700 MPa 時板底荷載應(yīng)力減小2.73%。

3.2 水泥混凝土板厚對板底荷載應(yīng)力影響分析

為了研究水泥混凝土板厚對板底荷載應(yīng)力影響，通過改變土基回彈模量、水泥混凝土板厚度，采用Bizar3 軟件進行分析土基強度、板厚對路面板底荷載應(yīng)力影響，計算結(jié)果見圖5 所示。

圖5 不同土基強度及板厚作用板底荷簸應(yīng)力

從圖5 看出在基層模量E2=1 500 MPa 和底基層模量E1=500 MPa 不變情況下采用采用Bizar3 軟件計算結(jié)果，隨著土基模量和混凝土板厚度增大，混凝土板底荷載應(yīng)力相應(yīng)變小，在混凝土板厚度不變情況下，土基模量由20 MPa 增加至100 MPa 時板底荷載應(yīng)力在0.927 ～0.773 MPa 之間變化，在土基模量不變前提下，由于混凝土板厚度變化引起板底荷載應(yīng)力在0.927 ～1.484 MPa 之間變化。

在基層頂面當(dāng)量回彈模量和混凝土板厚度變化前提下采用Bizar3 軟件進行分析，路基強度和混凝土板厚度對混凝土板底荷載應(yīng)力影響，應(yīng)力計算見圖6 所示。

圖6 不同土基強度及板厚作用板底荷簸應(yīng)力

由圖6 可以看出土基強度對板底荷載應(yīng)力影響要小于板厚對板底荷載應(yīng)力影響，在混凝土板厚度不變情況下，土基強度從60 MPa 增加到220 MPa 才能達到設(shè)計要求;當(dāng)土基強度不變、混凝土板厚度增加4 cm 時可以有效降低混凝土板底應(yīng)力。

4 結(jié) 論

底基層模量不變前提下，土基回彈模量對基層頂面當(dāng)量回彈模量影響比對混凝土板底荷載應(yīng)力影響要大，隨著基層頂面回彈模量和板厚逐漸增大，板底荷載應(yīng)力不斷減小?；炷涟搴褫^小時地基強度對荷載應(yīng)力影響要大，隨著混凝土板厚增加來減小混凝土板內(nèi)荷載應(yīng)力效果不明顯。

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