基于ANSYS双层刚性道面板温度应力分析研究

王建武 陈平 李杨

摘要：通过ANSYS软件分析隔离式双层水泥混凝土道面板的温度应力，以加铺层的厚度、弹性模量为控制变量进行分析，为道面加厚补强工程提出理论参考。

关键词：ANSYS，温度应力

水泥混凝土道面板内不同深度处的温度，随气温的变化而变化，这种变化使混凝土板出现变形的趋势，如果变形受到约束，将会产生温度应力。由于混凝土板、基层和土基的导热性能较差，当温度变化较快时，使板顶面和底面产生温度差，这种温差致使道面板白天隆起，夜晚下凹的现象称为温度翘曲，温度翘曲变形如果受到约束将导致道面板产生应力，称为温度翘曲应力。温度应力是促使混凝土道面板破坏的直接原因之一，因而研究隔离式双层刚性道面的温度应力具有重要的工程意义。本文通过ANSYS软件对隔离式双层刚性道面板进行温度应力分析。

1 道面温度场分析

道面温度的周期限性起伏，同大气温度的变化几乎是同步的，由于部分太阳辐射热被道面所吸收，所以道面的温度较气温高。道面板内温度沿深度一般呈曲线分布；顶面和底面的温度差，在一天内经历了由负到正再到负的循环变化。其周期与气温变化的周期几乎同步。水泥混凝土板内温度状况的不断变化，会使板发生位移和变形，板温一天或一年内的变化，也会产生一定的板长变化；板截面上温度的不均匀分布，则会使板产生翘曲变形。当板长变化或翘曲变形受阻时，板内便产生伸缩应力和翘曲应力。

2 有限元模型的建立

在用ANSYS计算道面结构温度应力的热分析时，隔离层采用shell57单元，其它部分采用solid70单元进行分析。热单元中每个结点上都只有一个温度自由度，首先要将热单元转换成相对应的结构单元，才可以进行热-应力耦合计算。在水泥混凝土道面结构中，基层及土基的温度梯度很小，在此忽略不计。假设道面各结构层为各向同线性弹性体，弹性模量、泊松比随温度变化而变化，但在一般情况下这种变化值很小，因此视道面各结构层材料参数为常数。道面各结构层材料的温度性能参数如表1。

表1 各结构层材料温度性能参数

结构层 比热（J/kg？℃） 导热系数（ W/m？℃） 线膨胀系数（10-5/℃）

水泥混凝土加铺层 900 1.3 1

隔离层 1200 1.2 2

旧水泥混凝土道面 900 1.3 1

基层 800 1 0.85

土基 700 1 0.8

为了将问题简化，分析中作了以下几点假定：各层材料均匀、完全弹性且各向同性；层间接触良好，温度函数满足连续条件；温度只沿道面厚度方向变化，等深度下道面内部任一位置温度值相同；温度变化范围内，各结构层材料热学性能参数保持恒定。

3 道面结构参数变化对道面温度应力的影响分析

为了研究各因素对道面温度应力的影响作用，分别选取加铺层厚度和材料弹模作为计算变量来逐一进行分析。

3.1 加铺层厚度变化对道面温度应力的影响

为分析水泥混凝土加铺层厚度对道面温度应力的影响作用，建模时水泥混凝土加铺层和旧道面板材料弹模保持36GPa和300GPa不变，旧道面板厚度为0.28m，加铺层厚度分别取：0.16、0.18、0.2、0.22、0.24、0.26、0.28、0.3m。

图1 水泥混凝土加铺层厚度对道面温度应力的影响示意图

由图2可知，（1）当加铺层厚度一定时，加铺层板底温度翘曲应力要明显大于旧道面板板底温度翘曲应力；加铺层的最大竖向位移最大，隔离层和旧道面板的最大豎向位移基本相同。（2）加铺层厚度对道面温度应力的影响很大，随着加铺层厚度的增加，加铺层板底温度翘曲应力逐渐增大，增大趋势由快到慢逐渐平缓；旧道面板板底温度翘曲应力逐渐减小，减小趋势由快到慢逐渐平缓。加铺层厚度由0.16m增加到0.3m，加铺层板底温度翘曲应力增加15%；旧道面板板底温度翘曲应力减少65%。（3）加铺层厚度由0.16m增加到0.3m，加铺层、隔离层和旧道面板的最大竖向位移逐渐增大，增大趋势由慢到快逐渐加大，分别增大32%、27.5%、27.5%；加铺层X方向最大位移基本上无变化，旧道面板X方向最大位移基本上呈线性减小，减少39%。

3.2 加铺层弹模变化对道面温度应力的影响

为分析加铺层水泥混凝土弹模对道面温度应力的影响作用，建模时水泥混凝土加铺层和旧道面板厚度保持0.2m和0.28m不变，旧道面板材料弹模为30GPa，加铺层水泥混凝土弹模分别取：30、33、36、39、42GPa。

图2 加铺层水泥混凝土弹模对道面温度应力的影响示意图

由图2可知，（1）当加铺层水泥混凝土弹模一定时，加铺层板底温度翘曲应力要明显大于旧道面板板底温度翘曲应力；加铺层的最大竖向位移最大，隔离层和旧道面板的最大竖向位移基本相同。（2）加铺层水泥混凝土弹模对道面温度应力影响很大，随着加铺层水泥混凝土弹模的增加，加铺层板底温度翘曲应力基本上呈线性增大；旧道面板板底温度翘曲应力基本上呈线性减小。加铺层水泥混凝土弹模由30GPa增加到42GPa，加铺层板底温度翘曲应力增大35%；旧道面板板底温度翘曲应力减少9%。（3）加铺层水泥混凝土弹模由30GPa增加到42GPa，加铺层、隔离层和旧道面板的最大竖向位移基本上呈线性增大，且幅度一致，均增大11%；加铺层和旧道面板X方向最大位移基本上无变化。

结语

（1）利用ANSYS有限元软件建立道面结构的有限元模型，并进行道面结构热应力分析。

（2）分析了加铺层厚度及弹性模量对道面温度应力的影响作用。当道面各参数一定时，加铺层板底温度翘曲应力明显大于旧道面板板底温度翘曲应力。隔离层和旧道面板的最大竖向位移基本一致，两者均小于加铺层最大竖向位移。加铺层和旧道面板的竖向位移明显大于水平位移。

（3）加铺层板底温度翘曲应力随加铺层厚度和材料弹模的增大而明显增大。旧道面板板底温度翘曲应力随加铺层厚度和材料弹模增大而减小。加铺层、隔离层和旧道面板的最大竖向位移随加铺层厚度和材料弹模增大而增大，而旧道面板水平位移随加铺层厚度增大而减小。