基于ANSYS雙層剛性道面板溫度應(yīng)力分析研究

王建武 陳平 李楊

摘要：通過ANSYS軟件分析隔離式雙層水泥混凝土道面板的溫度應(yīng)力，以加鋪層的厚度、彈性模量為控制變量進行分析，為道面加厚補強工程提出理論參考。

關(guān)鍵詞：ANSYS，溫度應(yīng)力

水泥混凝土道面板內(nèi)不同深度處的溫度，隨氣溫的變化而變化，這種變化使混凝土板出現(xiàn)變形的趨勢，如果變形受到約束，將會產(chǎn)生溫度應(yīng)力。由于混凝土板、基層和土基的導(dǎo)熱性能較差，當(dāng)溫度變化較快時，使板頂面和底面產(chǎn)生溫度差，這種溫差致使道面板白天隆起，夜晚下凹的現(xiàn)象稱為溫度翹曲，溫度翹曲變形如果受到約束將導(dǎo)致道面板產(chǎn)生應(yīng)力，稱為溫度翹曲應(yīng)力。溫度應(yīng)力是促使混凝土道面板破壞的直接原因之一，因而研究隔離式雙層剛性道面的溫度應(yīng)力具有重要的工程意義。本文通過ANSYS軟件對隔離式雙層剛性道面板進行溫度應(yīng)力分析。

1 道面溫度場分析

道面溫度的周期限性起伏，同大氣溫度的變化幾乎是同步的，由于部分太陽輻射熱被道面所吸收，所以道面的溫度較氣溫高。道面板內(nèi)溫度沿深度一般呈曲線分布；頂面和底面的溫度差，在一天內(nèi)經(jīng)歷了由負到正再到負的循環(huán)變化。其周期與氣溫變化的周期幾乎同步。水泥混凝土板內(nèi)溫度狀況的不斷變化，會使板發(fā)生位移和變形，板溫一天或一年內(nèi)的變化，也會產(chǎn)生一定的板長變化；板截面上溫度的不均勻分布，則會使板產(chǎn)生翹曲變形。當(dāng)板長變化或翹曲變形受阻時，板內(nèi)便產(chǎn)生伸縮應(yīng)力和翹曲應(yīng)力。

2 有限元模型的建立

在用ANSYS計算道面結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的熱分析時，隔離層采用shell57單元，其它部分采用solid70單元進行分析。熱單元中每個結(jié)點上都只有一個溫度自由度，首先要將熱單元轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元，才可以進行熱-應(yīng)力耦合計算。在水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)中，基層及土基的溫度梯度很小，在此忽略不計。假設(shè)道面各結(jié)構(gòu)層為各向同線性彈性體，彈性模量、泊松比隨溫度變化而變化，但在一般情況下這種變化值很小，因此視道面各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)為常數(shù)。道面各結(jié)構(gòu)層材料的溫度性能參數(shù)如表1。

表1 各結(jié)構(gòu)層材料溫度性能參數(shù)

結(jié)構(gòu)層 比熱（J/kg？℃） 導(dǎo)熱系數(shù)（ W/m？℃） 線膨脹系數(shù)（10-5/℃）

水泥混凝土加鋪層 900 1.3 1

隔離層 1200 1.2 2

舊水泥混凝土道面 900 1.3 1

基層 800 1 0.85

土基 700 1 0.8

為了將問題簡化，分析中作了以下幾點假定：各層材料均勻、完全彈性且各向同性；層間接觸良好，溫度函數(shù)滿足連續(xù)條件；溫度只沿道面厚度方向變化，等深度下道面內(nèi)部任一位置溫度值相同；溫度變化范圍內(nèi)，各結(jié)構(gòu)層材料熱學(xué)性能參數(shù)保持恒定。

3 道面結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對道面溫度應(yīng)力的影響分析

為了研究各因素對道面溫度應(yīng)力的影響作用，分別選取加鋪層厚度和材料彈模作為計算變量來逐一進行分析。

3.1 加鋪層厚度變化對道面溫度應(yīng)力的影響

為分析水泥混凝土加鋪層厚度對道面溫度應(yīng)力的影響作用，建模時水泥混凝土加鋪層和舊道面板材料彈模保持36GPa和300GPa不變，舊道面板厚度為0.28m，加鋪層厚度分別?。?.16、0.18、0.2、0.22、0.24、0.26、0.28、0.3m。

圖1 水泥混凝土加鋪層厚度對道面溫度應(yīng)力的影響示意圖

由圖2可知，（1）當(dāng)加鋪層厚度一定時，加鋪層板底溫度翹曲應(yīng)力要明顯大于舊道面板板底溫度翹曲應(yīng)力；加鋪層的最大豎向位移最大，隔離層和舊道面板的最大豎向位移基本相同。（2）加鋪層厚度對道面溫度應(yīng)力的影響很大，隨著加鋪層厚度的增加，加鋪層板底溫度翹曲應(yīng)力逐漸增大，增大趨勢由快到慢逐漸平緩；舊道面板板底溫度翹曲應(yīng)力逐漸減小，減小趨勢由快到慢逐漸平緩。加鋪層厚度由0.16m增加到0.3m，加鋪層板底溫度翹曲應(yīng)力增加15%；舊道面板板底溫度翹曲應(yīng)力減少65%。（3）加鋪層厚度由0.16m增加到0.3m，加鋪層、隔離層和舊道面板的最大豎向位移逐漸增大，增大趨勢由慢到快逐漸加大，分別增大32%、27.5%、27.5%；加鋪層X方向最大位移基本上無變化，舊道面板X方向最大位移基本上呈線性減小，減少39%。

3.2 加鋪層彈模變化對道面溫度應(yīng)力的影響

為分析加鋪層水泥混凝土彈模對道面溫度應(yīng)力的影響作用，建模時水泥混凝土加鋪層和舊道面板厚度保持0.2m和0.28m不變，舊道面板材料彈模為30GPa，加鋪層水泥混凝土彈模分別?。?0、33、36、39、42GPa。

圖2 加鋪層水泥混凝土彈模對道面溫度應(yīng)力的影響示意圖

由圖2可知，（1）當(dāng)加鋪層水泥混凝土彈模一定時，加鋪層板底溫度翹曲應(yīng)力要明顯大于舊道面板板底溫度翹曲應(yīng)力；加鋪層的最大豎向位移最大，隔離層和舊道面板的最大豎向位移基本相同。（2）加鋪層水泥混凝土彈模對道面溫度應(yīng)力影響很大，隨著加鋪層水泥混凝土彈模的增加，加鋪層板底溫度翹曲應(yīng)力基本上呈線性增大；舊道面板板底溫度翹曲應(yīng)力基本上呈線性減小。加鋪層水泥混凝土彈模由30GPa增加到42GPa，加鋪層板底溫度翹曲應(yīng)力增大35%；舊道面板板底溫度翹曲應(yīng)力減少9%。（3）加鋪層水泥混凝土彈模由30GPa增加到42GPa，加鋪層、隔離層和舊道面板的最大豎向位移基本上呈線性增大，且幅度一致，均增大11%；加鋪層和舊道面板X方向最大位移基本上無變化。

結(jié)語

（1）利用ANSYS有限元軟件建立道面結(jié)構(gòu)的有限元模型，并進行道面結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分析。

（2）分析了加鋪層厚度及彈性模量對道面溫度應(yīng)力的影響作用。當(dāng)?shù)烂娓鲄?shù)一定時，加鋪層板底溫度翹曲應(yīng)力明顯大于舊道面板板底溫度翹曲應(yīng)力。隔離層和舊道面板的最大豎向位移基本一致，兩者均小于加鋪層最大豎向位移。加鋪層和舊道面板的豎向位移明顯大于水平位移。

（3）加鋪層板底溫度翹曲應(yīng)力隨加鋪層厚度和材料彈模的增大而明顯增大。舊道面板板底溫度翹曲應(yīng)力隨加鋪層厚度和材料彈模增大而減小。加鋪層、隔離層和舊道面板的最大豎向位移隨加鋪層厚度和材料彈模增大而增大，而舊道面板水平位移隨加鋪層厚度增大而減小。