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设传力杆路面的三维有限元模型
为了简化分析, 视地基为弹性半空间体, 在水平和垂直方向上是无限大的。在计算中假定其他参数不变 ,逐步扩大地基的尺寸,板的应力随着地基尺寸的增大而逐步稳定, 直至应力收敛为止。通过大量试算 ,最后确定地基的计算尺寸为 5. 0 m ×7. 0 m ×7. 0 m 。板宽取 3. 75 m ;板长根据需要取值 ,一般取4. 0 、5. 0 、6. 0 m 。传力杆长度为 450 m m ,沿混凝土板的接缝中心线设置 ,接缝宽度为 10 m m 。传力杆与混凝土界面是计算分析时所关心的部,因此, 在传力杆及其周围混凝土和横向接缝处采用非常细的网格 ,从接缝到远处边界采用适当的网格梯度。合理建立接触模型对于正确分析路面结构的力学行为是十分关键的。混凝土板与地基的接触面具有可滑动性,在交通荷载和温度梯度的共同作用下 ,混凝土板必然会产生收缩或膨胀、翘曲或拱起变形。变形使得板在基层上产生部分滑移 ,滑移时板与地基处于部分接触状态, 因此认为板与地基之间具有摩擦或者脱空接触的滑动界面 , 摩擦因数取为1. 5。传力杆的基本功能是在相邻板块之间传递荷载 ,同时又不限制路面板在纵向自由移动, 因此通常在传力杆表面涂以防黏剂, 如聚乙烯膜、沥青或各种蜡, 尽量减少传力杆和混凝土的黏结。为防止传力杆锈蚀 ,通常在其表面涂敷沥青膜或环氧树脂防锈层 ,而防黏剂通常涂敷或套在防锈层外面以减少与混凝土之间的摩擦。本文中假设传力杆与周围混凝土有 0. 05 mm 的初始空隙, 以模拟防黏层或防锈层 。设置初始空隙有 2 方面作用 :一方面 ,在传力杆不发生弯曲的情况下 , 初始空隙的存在允许板不受传力杆的约束而自由滑动;另一方面 ,板的翘曲或拱起导致传力杆弯曲, 初始空隙模拟传力杆与混凝土能以任意角度发生不均匀或部分接触。因此 ,假设传力杆与混凝土界面为摩擦接触的滑动界面。AASH O 路面设计指南建议混凝土与基层的摩擦因数为 0. 9 ～ 2. 2 ,而缺乏传力杆与混凝土间摩擦因数的研究 ,本文中将其暂取为 0. 05 进行分析 。
计算过程中采用弹性模型, 假设材料参数不随温度而变化。作用在混凝土板上的荷载分为交通荷载和温度荷载。采用标准轴载 100 kN 作为交通荷载 ,并简化成当量圆形均布荷载进行计算 。计算时假设交通荷载 p =0. 7 M Pa , 则当量圆的直径为0. 302 m ,交通荷载模型所示 。按照沿混凝土板厚内温度变化将温度荷载分为 2 种情况:①温度沿板厚均匀变化 ;②温度沿板厚不均匀分布, 通常用温度梯度 r ,即板顶温度与板底温度之差来表示。对于设传力杆混凝土路面, 接缝处的传力杆在板翘曲或拱起变形作用下发生弯曲, 限制混凝土板的自由伸缩 ,这时均匀温度变化对板应力会有影响。因此,本文中将在路面板厚内施加不同的温度情况,包括正温度梯度、负温度梯度和温度均匀变化, 研究路面板温度应力变化规律。
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