公路交通科技论文模版

收稿日期：2006-12-02基金项目作者简介：黄晓明（1963-），男，江苏人，教授，研究方向为路面结构.([e-mail])文章编号：双层均布荷载作用下混凝土伸臂箱梁剪力滞效应试验研究与分析祝明桥1，1，2（1.湖南科技大学土木工程学院，湘潭411201）摘要：通过对大比例双层均布荷载作用下单箱三室混凝土伸臂箱梁在弹性范围内的抗弯性能模型试验研究与分析，探讨了双层均布荷载作用下单箱三室混凝土伸臂箱梁剪力滞效应分布规律，得出了一些有益的结论，为面向双层交通混凝土箱梁设计、应用，提供了试验数据和理论依据。关键词：双层均布荷载；混凝土伸臂箱梁；剪力滞效应；试验研究；有限元分析中图分类号：文献标识码：AExperimentResearchandAnalysisontheShearlageffectofCantileverConcreteBoxGirderunderDouble-deckuniformloadsZHUMing-qiao1,1,2(1.Hunanuniversityofscienceandtechnology,Xiangtan411201,China)Abstract:Throughtheexperimentresearchandanalysisontheflexuralbehaviorwithinelasticrangeofthesingleboxthreeroomscantileverconcreteboxgirdermodelunderlargeproportionofdouble-deckuniformloads,discussedtheshearlageffectdistributionlawofthesingleboxthreeroomscantileverboxgirderunderdouble-deckuniformloads.Someusefulconclusionsaredrawn，providetheexperimentaldataandtheoreticalbasisfordoubledecktrafficconcreteboxgirderdesignandapplication.Keywords:double-deckuniformload;cantileverconcreteboxgirder;shearlageffect;experimentresearch;finiteelementanalysis0前言随着我国城镇化建设日益加快，交通流量的快速增长，造成多数已建城市桥梁日益拥堵，成为阻碍城市交通顺畅的瓶颈，城市土地资源的稀缺及桥梁建设用地紧张日显突出，城市桥梁发展面临创造可持续发展的神圣使命[1-2]。如何在有限的土地资源及布置空间内极大地提高城市交通的使用效率、改善桥梁通行条件，采用双层交通的城市桥梁设计不失为一种较佳方案。混凝土箱梁桥具有整体性好，抗扭刚度大，结构动力特性优越，施工方法多样等优点，特别适用于中等跨度的城市桥梁；通过合理改善普通混凝土箱形梁截面形式，保证必要的净空要求，取消箱内常规设置的横隔板，使其顶、底板均成为桥面系，同时在腹板上开设必要的孔洞以满足通风、采光及消防等要求，从而实现双层交通。因此，开展面向城市双层交通混凝土箱梁桥研究具有重要的现实意义。本文以实现双层交通单箱三室混凝土箱梁为研究对象，其顶板设计为双向双幅机动车道、两侧人行道、中间为绿化隔离带兼各类检修孔、排水孔、逃生孔等；其底板边室设计为双向城市轻轨交通、紧急停车情况下疏散人群用的消防通道，中室设计为城市综合管沟、检修通道及消防逃生通道，从而改善城市公共交通的社会服务能力。按1﹕6的比例浇筑了实验模型，重点试验研究了双层均布荷载作用下模型伸臂箱梁在弹性范围内不同截面顶、底板应变分布规律和荷载-挠度曲线；建立了模型伸臂箱梁的ANSYS有限元模型和全过程试验模拟分析，在分析结果与试验结果吻合的基础上，探讨了双层均布荷载作用下单箱三室混凝土伸臂箱梁剪力滞分布规律，得出一些有益的结论，为面向双层交通混凝土箱梁设计、应用，提供了试验数据和理论依据。1.1胎面单元参数确定胎面单元的接地特性与轮胎性能密切相关，它是了解轮胎/路面摩擦力的产生的基础。本文FEM模型所采用的矩形胎面单元尺寸分为40mm×20mm×10mm。通过胎面单元接地压力试验得到胎面单元的压缩荷载－变形关系如图1所示,单元的压缩载荷——变形关系呈近似线性关系。单元的压缩刚度随其厚度的增加而减小，并且刚度的变化率大于厚度的变化率。01002003004005006007008000123Deformation/mmVerticalload/Nh=5mmh=10mmh=20mm图1胎面单元的垂直压缩荷载－变形关系Fig.1Verticalload-deformationrelationoftreadelement40mm×20mm×10mm轮胎单元的压缩弹性模量通过以上关系图计算得到E=7.5MPa,橡胶材料的体积不可压缩条件在FEA分析中用泊松比0.49近似表示。1.2路面结构材料参数确定考虑到沥青混合料强度随温度变化的非稳定性，模量取值为设计规范中20℃的模量参考值，路面模型的材料参数如表1所示。表1路面结构参数表Tab.1Structureparametersofpavement材料名称h/cm20℃模量/MPa泊松比细粒式沥青混凝土414000.25中粒式沥青混凝土512000.25粗粒式沥青混凝土610000.25水泥碎石3015000.25石灰土255500.35土基40250.352轮胎胎面与柔性路面摩擦接触的FEA模型2.1车轮与路面接触印记的确定：对路面结构进行车轮载荷作用下的力学分析是道路工程中的一项重要内容，荷载应力分析的基础是轮胎与路面接触印迹的简化。根据有关文献，轮胎的接地印迹一般为矩形,单轮作用时，轮胎的接地印迹CA可以近似为0.4L×0.6L的一个矩形加上2个半径为0.3L的半圆面积。20.40.60.3CLLLA得到0.5227CAL相应的矩形接地面积宽度为0.6L,长度为L*，所以矩形的另一边长为：*0.6CALL双轮作用时，接地矩形的边长分别为L*和D。L*的计算方法与上述单轮情况相同，D为两轮的中心距，D=1.5sd，其中sd为满载时单个轮胎的传压面当量圆直径：4CsAd本文研究中采用具有双前轮后四轮结构的车型，黄河JN163，后轴重114KN。轮胎压力为0.7MPa，有限元计算时，采用后轴加载，这样按双轮作用计算，满载时其当量轮胎接地矩形的边长计算分别为：210/49.80.035700CFAmp0.0350.2590.52270.5227CALm*0.0350.220.60.60.259CALmL440.0351.51.51.50.32CsADdm所以有限元分析时建立的轮胎胎面模型为320mm×220mm×10mm的长方体，划分网格时，将该长方体划分为88个长方体单元。即长度方向上8等分，宽度方向上11等分，长方体单元的尺寸于前面描述的胎面单元一致为40mm×20mm×10mm。2.2有限元模型和边界条件本文FEA模型中的胎面橡胶单元和柔性路面用三维实体单元模拟。为了建模与胎面单元尺寸相协调，所采用的路面结构的尺寸为0.98m×0.96m×1.1m（0.04m+0.05m+0.06m+0.3m+0.25m+0.4m）。根据轮胎自由滚动和紧急制动的受力情况，对该模型分别计算仅受垂直载荷作用和受垂直与切向载荷同时作用2种工况。工况1在胎面表面施加0.7MPa的面压力,x方向位移为零。工况2在工况1所加压力的基础上，在胎面与路表接触面上施加最大制动力。每一种工况分别讨论胎面与路表摩擦系数为0.3、0.6、0.9时的情况。模拟柔性路面的实体单元在底面是固定约束，在侧面允许有z方向的位移。2.3制动力的计算车轮制动时所产生的制动力相当于在胎面与路表接触面施加水平载荷。本研究中，按路面所能提供的最大制动力来进行计算。要使行驶的车辆具有最大的制动力即要求关闭油阀，由路面和车轮的相对运动产生最大制动力maxZFF，ZF为车轮对路面作用的垂直力，为路面的摩擦系数。假设制动过程中的侧向力为零，则汽车能达到的减速度maxag。由于本文研究的是静力学模型，该汽车的运动状态用一个水平荷载maxbFma来模拟。根据本文研究的车型可算得该加在胎面模型的水平荷载为：341114105.7102bFmg计算为0.3、0.6、0.9时的bF，分别为17.1KN,34.2KN和51.3KN。3、受压缩荷载作用时路表的变形特性和接触应力分析在垂直荷载相同的情况下，本文计算了在不同界面摩擦系数的胎面和路表的变形及接触面的应力状态。3.1变形特性（1）轮胎胎面的变形由于胎面的自由表面在均布荷载作用下发生膨胀变形，且在胎面边缘处变形最大。当0.3时，胎面的变形从中间到边缘变化均匀，边缘的位移等值线呈椭圆形。当0.6时，胎面的位移会在边缘处发生突然增加的现象，边缘的位移等值线呈矩形。当0.9时，胎面的位移分布情况与摩擦系数为0.6时的情况类似，且位移值略有减少。所以当摩擦系数达到一个临界值时轮胎胎面的变形最大，在轮胎重复接地和离开的过程中，这种大幅度的形变会加速轮胎橡胶的疲劳。01234505101520胎面单元距Y轴距离（垂直行车方向）/mm节点总位移/mm0.30.60.9图2胎面模型网格划分图（单位：mm）图3胎面总位移与界面摩擦系数的关系（工况1）Fig.2GriddingoftreadmodelFig.3relationoftotaldisplacementoftreadandfriction(unit:mm)coefficient(case1)（2）路表的竖向变形随着摩擦系数的增大，与胎面接触的路表部分的竖向位移有减小的趋势，0.6时的路表中部竖向位移是0.3时的2/3，0.9时的路表中部的竖向位移与0.6时的数值相当。由位移云图可知，界面摩擦系数越大，路表的整体变形能力越好，产生的最大弯沉也小，对应弯拉应力不大，可有效防止路表疲劳开裂的产生。0.30.60.91.8mmu中＝，mmu周＝0.7mmu中＝1.2，mmu周＝0.6mmu中＝1.1，mmu周＝0.5图4不同界面摩擦系数下的路表竖向位移云图（u：竖向位移）Fig.4Contoursofpavementverticaldisplacementofdifferentinterfacialfrictioncoefficients3.2接触应力（1）接触面压应力接触面的压应力随界面摩擦系数的不同其变化趋势也不同。当0.3时，接触压力在胎面边缘迅速增大，车辆前进方向的轮胎印迹边缘的压应力增加值比侧边缘大；当0.60.9＝或时的接触压应力分布情况相似，从胎面中部到边缘压应力呈逐渐减小的趋势，且最大压应力比0.3＝时的减少8%。因此在摩擦系数较大时，接触面压应力减小，在轮迹边缘也没有应力集中现象，对路表的受力是积极影响。（2）接触面摩擦应力摩擦应力由轮迹中部向四周逐渐增大，随界面摩擦系数的增大摩擦应力迅速增大。在自由滚动状态下摩擦应力提供的是行车阻力。从表2可知，当摩擦系数从0.3增加到0.6时阻力变化不大；当摩擦系数继续增加到0.9时阻力逐渐增大对车辆的行驶不利。4受水平及压缩荷载共同作用时路表的变形特性和接触应力分析在压缩荷载相同的情况下，本文计算了不同的摩擦系数提供的水平制动荷载作用下轮胎胎面和路表的变形及接触应力。4.1变形特性（1）胎面的变形胎面模型的变形特征为由胎面中部向行车方向前后变形量逐渐变大，在胎面前后边缘达到峰值，其侧面边缘总位移较小。随摩擦系数的增大胎面位移的变化率减小，但0.60.9＝或时的位移相当。在不同工况和不同界面接触的共同作用下的胎面沿行车方向的节点总位移如图5所示。012345051015