一种新型路面设计的有限元模拟分析

李延

（滁州职业技术学院，安徽 滁州 239000）

一、概述

路面分为刚性路面和柔性路面，即混凝土路面和沥青路面，混凝土路面具有如下优点：

（1）强度高。混凝土路面具有较高的抗压强度和抗弯强度以及抗磨耗能力。（2）稳定性好。水泥混凝土路面的水稳定性、热稳定性均较好。（3）耐久性好、经济效益高。

混凝土路面又存在着混凝土用量大，造价高的缺点，因此设计新的路面结构使道路在性能不变的前提下混凝土用量减小，降低造价是道路优化设计的一条有效途径。

二、新型路面模型

刚性路面的受力分析基于均布荷载做用下的小挠度薄板理论，计算公式见（1）、（2）[1]：刚性路面板在竖向荷载下的破坏主要为弯折破坏，路面的上部受压下部受拉。由于混凝土的抗拉强度仅为抗压强度的 左右，因此混凝土路面的强度主要取决于路面下部的抗拉强度，根据以上理论可以通过两个方法来提高路面工作性能：

（1）升高路面提高路面的弯曲刚度（2）将压力散开，使底面所受的地基反力和上部传来的压力抵消使板底面拉应力减小。

新的路面形式如图 1：

图1

在传统的实心板中加入空圆桶使路面变成类似与空心板的形式，新的路面形式在混凝土用量相同的情况下抬高了路面，提高了路面刚度。

三、有限元模拟

（一）建模设计

新路面形式的路面性能取决于路面厚度、圆筒直径、圆筒的排列方式。计划建立三个模型进行比较，模型形式为实心式、空心板式。

图2 道路模型立面与平面图

实心路面板厚为16cm，空心路面板厚为20cm，圆筒直径为10cm。这两种路面板的混凝土用量是相同的，路面高度提高了1/5。路面面积取1m×1m,轮压取为70kN,车轮着地面积为0.2m×0.3m，使用ANSYS程序中的Blooeans命令中的Divide命令将路面板顶面划分为5×3的15块小的区域，在中心区域以面荷载的形式加一个标准轮压

（二）单元类型

混凝土路面材料采用Solid65单元，普通土质砂路基采用Solid45单元。

（三）材料模型

混凝土路面在工作中应保持弹性状态，所以，采用弹性模型；路基采用理想弹塑性模型，混凝土路面和路基泊松比均取为0.25。

（四）建模分析

1、单元划分。在实心路面板形式下考虑到道路和路基的形状很规则，因此，在ANSYS程序中采用映射划分单元，所有实体单元都是正六面体单元。而空心路面板中由于存在着圆形空洞，因此采用自由格网划分的方法。2、约束条件。路基的底面设为固定约束，即UX=UY=UZ=0,路面和路路基的位移设为水平面内不产生位移即UX=UY=0。3、模型求解。加载方式为在划分过的路面板的中心平面加一个标准轮压。使用ANSYS进行非线性分析时设置100个子步，进行收敛控制，适当放宽了收敛标准。

四、试验结果分析

三种方案（混凝土用量相同截面型式不同）的路面板底面应变 见图 3：

图3 路面板的底面应变图

图4中，y轴为路面板底面拉应变，x轴为底面中心节点，单位：10-4。从图中可以看出，实心板的底面应变均为拉应变且数值较大，空心板1的底面应变存在压应变且拉应变数值较小，实心板2的底面应变较大。

三种板型的Mises应力云图见图 4：

图4 实心和空心路面板的Mises应力云图

数值分析表明，当圆筒距板底的距离较大时（本文为4cm），新路面方案的等效应力在圆筒周边产生了发散效应路面所受的应力较小。当圆筒距板底的距离较小时（本文为2cm），在圆筒下部产生了应力集中效应使应力急剧上升。

五、结论与展望

（一）模型能够合理的模拟路面板的受力状态。（二）有限元分析表明：使用升高路面高度来提高路面工作性能的方法是有效的，需要解决的问题是在路面板高度一定时板中所加的圆筒直径的合理取值范围，圆筒之间的合理间隔，圆筒与顶面或底面的合理距离。同时，应建立空心路面板的应力应变与板厚，圆筒直径，圆筒间隔之间的本构关系为其推广和应用创造条件。（三）根据研究在混凝土搅拌过程中掺入一定数量的钢纤维，能够有效改进路面的延性破坏特征，在今后的试验中计划将改进路面形式与钢纤维复合路面相结合，新的路面形式在经济性和耐久性方面会拥有明显的优势[4]。