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交通荷载作用下刚性路面的动力响应和温度应力分析
| 论文题名： | 交通荷载作用下刚性路面的动力响应和温度应力分析 |
| 关键词： | 水平荷载;垂直荷载;温度应力;刚性路面;动力响应 |
| 摘要： | 对于刚性路面的动力响应分析，绝大多数的论文都只研究了垂直荷载的作用，而没有考虑水平荷载和温度应力的作用，而水平荷载和温度应力恰恰是造成路面破坏的主要因素。 本论文首先用ABAQUS有限元软件分析了在只有垂直荷载单独作用时，路面的动力响应，并且分别讨论了道路结构层的弹性模量以及面层和基层的厚度等参数对动力响应的影响。分析结果表明： 1.通过提高水泥混凝土面层的强度等级来提高其弹性模量，计算得到的路面面层的竖向变形只是略为减小，但减小量很少，付出的代价太大，得到的效果却不明显。因此想要通过提高水泥混凝土面层的弹性模量来减小刚性路面的动力响应的作法不可行。 2.增大基层的弹性模量，即采用半刚性基层比采用柔性基层,可以有效地减小道路结构层的动力响应。 3.增大路基土的弹性模量，可以减小道路结构层的动力响应，但效果不如增大基层的弹性模量。 4.增大面层的厚度，可以有效地减小道路结构层的动力响应。 5.增大基层的厚度，也可以有效地减小道路结构层的动力响应，但效果不如增大面层的厚度。 汽车在路面上行驶时,轮胎对路面的作用除了有垂直荷载外,还有水平荷载。为了更全面真实地模拟路面受到的荷载，使得研究结果更准确，必须考虑水平荷载的作用。本论文分析了在水平荷载单独作用、水平荷载与垂直荷载不同组合等不同的情况下，取不同的水平荷载系数时，刚性路面结构层的应力响应。研究结果表明， 1.水平荷载单独作用时，随着水平荷载的线性增加，弹性面层结构的应力变化符合Maxwell模型。 2.水平荷载发生偏载比对称地作用在路面上所产生的最大剪应力要增大，其影响范围主要集中在道路表面，这使得刚性路面表面更容易出现与剪应力方向同向的剪切型裂缝。 3.偏载水平荷载作用下，路面面层承受的最大拉应力更大，这使得水泥混凝土的拉应变更易于超过其极限拉应变而发生开裂。 4.水平荷载系数的增大，会导致受拉区域的扩大，由原来的面层底部受拉扩展为面层表面与基层同时受拉，且拉应力增加幅度较大。 5.垂直荷载的增大对面层结构中的拉应力影响较小，但是其对层底拉应力影响较大。 6.在面层表面以下0～150mm范围内，水平荷载引起的应力响应大，随着深度的增加，最大应力很快降低。最大剪应力和最大拉应力峰值的作用区域都集中在水泥混凝土路面的表层。 7.水平荷载的作用是不可忽略的。在水平荷载作用下，面层出现拉应力；在垂直荷载作用时，面层表面受压，底部受拉。裂缝容易从面层底部或基层开展。这能够更好地解释路面产生Top-Down裂缝的原因。 路面暴露在大气中，除了受到交通荷载的作用外，还会由于温度变化的影响而受到温度应力的作用。本文考虑了温度应力的作用，分别做了温度单独作用和温度与荷载耦合作用下的路面应力分析,得到以下结论： 1.温度荷载单独作用时，水泥混凝土路面结构水平方向产生收缩应力，竖直方向产生同样大小的剪应力，路面结构的应力响应是各向同性的。 2.路面结构的厚度对外界环境温度变化引起的响应有消减作用。 3.外界环境温度的变化对路面结构做负功。 4.温度下降幅度越大，产生的温度收缩应力越大。 5.温度与车辆荷载耦合作用时，温度应力会增加路面结构的剪应力，使刚性路面发生剪切破坏。 6.温度与对称荷载耦合作用时，水平荷载系数的增大对路面结构应力影响不大，垂直荷载的增大能够显著的促进刚性路面的应力响应。 7.温度与偏载荷载耦合作用时，拉应力集中在路面结构左侧、水平荷载矢量点处，整个面层左侧区域受拉，最大剪应力作用区域由路表转变为面层底部。 8.温度与偏载荷载耦合作用时，温度对剪应力有促进作用，对最大主应力及最大拉应力有抑制作用。 |
| 作者： | 姚峰 |
| 专业： | 土木工程 |
| 导师： | 胡小荣 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 南昌大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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