新舊混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度的計(jì)算.doc

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1、新舊混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度的計(jì)算曾濤劉智堃彭濤（江西省萍鄉(xiāng)市公路勘察設(shè)計(jì)院，江西萍鄉(xiāng)337000）摘要：采用有限元方法，運(yùn)用有限元軟件ANSYS，建立數(shù)值分析模型，模擬新舊混凝土在標(biāo)準(zhǔn)軸條件下的受力狀態(tài)，計(jì)算出新舊混凝土界面的粘結(jié)強(qiáng)度，為修補(bǔ)區(qū)混凝土開(kāi)放交通提供控制參數(shù)。關(guān)鍵詞：道路工程；路面修補(bǔ);界面粘結(jié)力；有限元；計(jì)算0前言混凝土的小面機(jī)修補(bǔ)是將混凝土路面板破碎部分清除后，以新混凝土填補(bǔ)。由于混凝土不是一起成型，且材料不同，新填補(bǔ)的混凝土與舊混凝土間的結(jié)合面會(huì)成為修補(bǔ)后混凝土路面的薄弱點(diǎn)，如果粘結(jié)

2、力不夠，很容易引起新的破壞。因此用于路面局部修補(bǔ)的混凝土，新－舊混凝土的粘結(jié)能力是一項(xiàng)重要指標(biāo)，其混凝土必須要良好?；诖?，本文采用有限元方法，建立數(shù)值分析模型，模擬新舊混凝土在標(biāo)準(zhǔn)軸條件下的受力狀態(tài)，計(jì)算出新舊混凝土界面的粘結(jié)強(qiáng)度，為修補(bǔ)區(qū)混凝土開(kāi)放交通提供控制參數(shù)。引起破壞的因素有多種，包括溫度應(yīng)力、干縮應(yīng)力、汽車(chē)通過(guò)時(shí)對(duì)于混凝土的水平推力、車(chē)載作用下在粘結(jié)界面下表面產(chǎn)生的拉應(yīng)力以及車(chē)輛行駛到界面邊緣時(shí)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力等。其中溫度應(yīng)力、干縮應(yīng)力、水平推力一般認(rèn)為較?。挥捎诼访嫘枰扪a(bǔ)的面層下還有

3、兩層彈性墊層（見(jiàn)表1），面層的豎向變形較小，因而剪切應(yīng)力也較小。上述幾種應(yīng)力在本次計(jì)算中未加考慮，而主要是計(jì)算車(chē)載作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力，這也與本次粘結(jié)力試驗(yàn)所得應(yīng)力形式更接近。1計(jì)算準(zhǔn)備及軟件介紹目前，在工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的數(shù)值模擬方法是有限元分析法，有限元計(jì)算結(jié)果已成為各類(lèi)工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能分析的可靠依據(jù)和有效手段。將實(shí)體的對(duì)象分割成不同大小、種類(lèi)、小區(qū)域稱(chēng)為有限元。而有限元分析法是根據(jù)不同領(lǐng)域的需求推導(dǎo)出每一個(gè)元素的作用力方程，組合整個(gè)系統(tǒng)的元素并構(gòu)成系統(tǒng)方程組，最后將系統(tǒng)方程組求解。有限元分析

4、法必須結(jié)合其它軟件才能解決設(shè)計(jì)問(wèn)題，在眾多的有限元軟件中，ANSYS是一有著廣泛用戶的大型、通用的軟件系統(tǒng)。ANSYS是基于工程學(xué)的理論以及許多數(shù)值分析的理論及技術(shù)的，在工程上應(yīng)用相當(dāng)廣泛，可以解決機(jī)械、電機(jī)、土木、電子及航空等領(lǐng)域的大部分工程問(wèn)題。軟件以使用者為導(dǎo)向，易于定義問(wèn)題，擁有有效的解題技術(shù)以及完整且高度技巧的圖形表示能力。其操作系統(tǒng)為交互式操作菜單環(huán)境，極大地簡(jiǎn)化了分析過(guò)程的操作性，使設(shè)計(jì)分析更加直觀和可視化。軟件包含了前置處理、解決程序和后置處理。1.1前置處理包括：建立有限元模型所

5、需輸入的資料，如節(jié)點(diǎn)、坐標(biāo)資料、元素內(nèi)節(jié)點(diǎn)排列次序；材料特性；元素切割的產(chǎn)生；邊界條件；負(fù)載條件。1．2解題程序包括：元素剛度矩陣計(jì)算[K]；系統(tǒng)外力向量的組合{F}；線性代數(shù)方程[K]{U}＝{F}的求解；通過(guò)資料反算法求應(yīng)力、應(yīng)變、反作用力等。1．3后置處理將解題部分分析所得的解答，如位移、應(yīng)力、反力等資料，通過(guò)圖形接口以各種不同表示方式把等位移圖、等應(yīng)力圖等顯示出來(lái)。2計(jì)算過(guò)程及結(jié)果分析2.1模型建立根據(jù)實(shí)際路基、路面構(gòu)造，本文取面層、基層及墊層共三層作為計(jì)算對(duì)象，材料相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1，其中新

6、、舊混凝土彈性模量為試驗(yàn)所得,泊松比為普通混凝土常用取值；基層和墊層彈性模量和泊松比按相關(guān)文獻(xiàn)選取。表1計(jì)算用材料相關(guān)參數(shù)材料厚度/cm彈性模量/GPa泊松比面層新混凝土2423.20.15舊混凝土24300.15基層1520.90.25墊層200.150.252.2單元的選取采用三維實(shí)體單元模型進(jìn)行分析，采用solid45單元，solid45單元用于構(gòu)造三維實(shí)體結(jié)構(gòu)。單元通過(guò)8個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)定義,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著x、y、z方向平移的自由度。2.3邊界條件由于只考慮公路路基對(duì)公路的豎向支撐，且不考慮路

7、基的彈性變形，因此可以假設(shè)墊層只受豎向約束；不考慮各層之間的滑移，在面層縱向約束水平位移；2.4荷載條件根據(jù)《城市公路設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ77-98），采用車(chē)道荷載：均布荷載集度取為5KN/m2，集中力取300KN，均布力作用在模型中央3m寬度范圍內(nèi)，集中力作用在粘結(jié)面頂部中點(diǎn)處（如圖1、圖4所示），使得粘結(jié)面底部拉應(yīng)力最大；2.5粘結(jié)面底部拉應(yīng)力計(jì)算計(jì)算考慮了兩種情況情況一：修補(bǔ)面積為1×1m，平面示意圖（X軸為行車(chē)方向）及空間計(jì)算模型如圖1(長(zhǎng)度單位:mm)和圖2所示：圖1新老混凝土組合及尺

8、寸圖圖2有限元計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果表明：集中力作用的粘結(jié)面底部拉應(yīng)力最大，達(dá)到0.6MPa，舊混凝土在荷載作用下應(yīng)力分布云圖的如圖3所示：圖3應(yīng)力分布云圖情況二：修補(bǔ)面積為1×2m，平面示意圖（X軸為行車(chē)方向）及空間計(jì)算模型如圖4(長(zhǎng)度單位:mm)及5圖所示：圖4新老混凝土組合及尺寸圖圖5有限元計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果表明：集中力作用的粘結(jié)面底部拉應(yīng)力最大，達(dá)到0.58MPa，舊混凝土在荷載作用下的應(yīng)力分布云圖如6所示：圖6應(yīng)力分布云圖2.6粘結(jié)力要求的確定由公路荷載組合規(guī)范知，汽車(chē)活載組合系