ANSYS在混凝土基层沥青路面结构计算中的应用

❖ 2 混凝土基层沥青路面的应力分析
❖ 混凝土基层沥青路面以普通水泥混凝土基层和贫混凝土基层作为路面基 层，上面加铺沥青混凝土面层，这种路面结构可弥补柔性路面和水泥混 凝土路面的不足，大大改善路面的使用性能，延长路面的使用寿命。沥 青面层为表面功能层，主要是提高路面表面的平整度、耐磨和抗滑性能， 并扩散车轮荷载，减少冲击振动，防止反射裂缝的产生和发展。基层是 车辆荷载和温度应力的主要承载层。
❖ 选取以下的参数对混凝土基层进行有限元计算：
❖ 面层厚度为14cm，模量为1800MPa，基层厚度为21cm，模量为 25000MPa，地基模量为600MPa。温度梯度为0.3℃/cm。
❖ 3. 3 荷载应力分析
❖ 基层横向受力图
❖ 基层底部沿纵向边缘受力图
❖3.4 温度应力分析
❖ 基层横向受力图
❖ 3) 读入热分析结果。
❖ 5) 施加约束,定义边界条件，模型中设置地基底面自由度完全约束。
❖ 6) 求解。
❖ 如果单独求汽车荷载产生的应力,可直接建立结构体单元施荷加约束求得。 如果要求温度和汽车的复合应力,可在3.2.2计算中加入施加汽车荷载的步 骤。本模型中都采用线弹性材料,对于非线性材料,ANSYS 也有强大的求 解功能。
❖ 通过上述分析，最终确定混凝土基层沥青路面进行有限元分析计算的模 型如图3所示。与之对应的路面整体有限元网格划分如图4所示。
900 450
Z Y X
1000
1600
结构图计3 结算构模计型算模（型单（位单：位：cmc）m）
图4 路面结构有限元网格划分图
❖ 表2列举了沥青层厚度ha为0～20cm,基层厚度hc为22cm时，各自然区划内最 大温度梯度变化范围。
❖ 3.2.3 后处理
❖ ANSYS 有两个后处理器,通用后处理器(POST1) 和时间历程后处理器 (POST26)。对于静力学分析,可在POST1中图象显示结果或列表显示结 果,对自己感兴趣的位置进行应力、位移分析。也可以指定特定的路径,对 路径上各点的应力、位移等指标的变换规律进行研究。
❖ 时间历程后处理器可用于研究指定点的分析结果与时间的函数关系。它 有强大的分析能力,可进行图形显示、列表显示、微分、响应谱生成等操 作。在动力学分析中,可通过定义变量,提取各结点、单元的位移、应力随 时间的变化关系。为了加快后处理的速度,可以用ANSYS 的命令编制命 令流文件,通过选择、组合命令提取特定位置的结点或单元,将其随时间变 化的数值映射到数组中,另存为自己定制的文件中。
❖ 4) 把材料属性施加到体上, 然后划分网格。
❖ 5) 按温度梯度施加温度荷载。按正温度梯度设置,即板顶温度比板底温度 高,板边向下翘曲,板底面受拉应力。
❖ 6)进行稳态热分析求解，观察结果。
❖ 3.2.2 温度应力和荷载应力耦合分析
❖ 1) 将热单元转换为相应的结构单元。
❖ 2) 在材料特性中将热膨胀系数加入。
❖ 3 路面结构的建模和计算
❖ 3.1 几何模型和计算参数
❖ 混凝土基层沥青路面结构可视为由沥青面层、混凝土基层及地基组成的 弹性层状体系。
❖ 沥青加铺层、混凝土基层和地基础结构层采用8节点实体单元。上下层 间的接触状况为，混凝土基层与地基之间假设为绝对光滑，与沥青加铺 层之间假设为完全连续。
❖ 模型的边界条件为：（1）地基为弹性半空间体，根据收敛性分析，取 为有限尺寸。基层为有限尺寸；（2）地基的底面为自由度完全约束的 固定面，基层和地基的其它面均为自由悬空面。
❖ 收敛性分析时采用标准轴载BZZ-100，轮胎内压0.7MPa，单个轮压作用 范围18.9cm×18.9cm，接触面积357.21cm2，双轮间距32cm，两侧轮 隙间距182cm（图1）。
❖ 荷载作用位置为临界荷位，即纵向边缘中部，轮载作用如图2所示。
1050 182
450
Y
1000
X
车轮布载平面图（单位：cm）
据余应变能理论推导出的模型约束公式：
1
12

(1
2 13
E11 ) E33
2 13

E33 E11
2 12 31

1 ( E33 2 E11

2 12
E33 E11
2321)
1 2
E33 E11
E11, E22 , G31 0
❖ 上述条件是理论分析后得出的应该满足的x方向各参数间的相互关系，y 方向上参数间的关系可类似地导出。
数 Ex
Ey
Ez μxy μyz μxz Gxy Gyz Gxz
取
值 0.0001 0.0001 100000 0
0
0 0.0001 0.0001 0.0001
说明：正交各向异性单元的厚度取为0.1cm
❖ 对于层间光滑的情况，主要应考虑E33取值尽可能大，G12尽可能小。但 为保证接触单元的本构关系矩阵为正定矩阵，上述参数的取值需满足根
❖ 对接触的更好的模拟方法：
❖ 采用面面接触分析，用目标单元 Targe170 来模拟混凝土基层的上表面， 用Conta173 来模拟沥青面层下表面。在摩擦类型中选用基本的库仑摩 擦模型，在这个模型中，两个接触面在开始相互滑动之前，在它们的界
面上会有达到某一大小的剪应力产生，这种状态称为粘合状态。库仑摩 擦模型定义了一个等效剪应力τ ，在某一法向压应力 p 作用下剪应力达 到此值时表面开始滑动（τ = μp+COHE ，其中μ 是摩擦系数，而COHE 是粘聚力）。根据已有的文献摩擦系数μ 采用 1.8，粘聚力COHE 为 0.07Mpa。一旦剪应力超过此值后，两个表面之间将开始相互滑动。这 种状态，叫做滑动状态。粘合、滑动计算决定什么时候一个点从粘合状 态到滑动状态，或从滑动状态变到粘合状态。
❖ 路面结构不但受到行车荷载的反复作用，而且在自然环境下受到太阳辐 射、气温等因素不断变化的影响。因此路面结构内的温度是随着气温日 变化、年变化而变化。当温度变化时，混凝土基层在温度作用下产生的 应力可分为：由于基层顶与基层底温度不一致而产生的翘曲应力；由于 温度均匀上升或下降引起基层的热胀冷缩而在基层内产生的胀缩应力。 胀缩应力对温度应力的影响不大，且可在接缝设计时考虑，本文主要考 虑温度翘曲应力。
0.32
自然区划
Ⅳ
Ⅴ
0.93～ 0.98
0.90～ 0.96
0.64～ 0.70
0.63～ 0.68
0.46～ 0.50
0.44～ 0.47
0.31～ 0.33
0.30～ 0.32
0.31～ 0.32
0.30～ 0.31
0.31
0.3
Ⅵ
0.92～ 0.97
0.64～ 0.69
0.45～ 0.49
0.30～ 0.33
❖ 2) 在材料参数设置时,将材料的回弹模量、泊松比及导热系数输入。
❖ 3) 建立三维模型。对于层间光滑接触状态， 引入正交各向异性单元 模拟。选取正交各向异性接触单元的参数如表4所示。对于层间完全 连续,用体与体的粘结(glue)。
表4 正交各向异性单元的参数取值
参
弹性模量（MPa）
泊松比
剪切模量（MPa）
❖ 材料的几种强度理论
❖ （1）最大拉应力理论
❖ 这一理论认为最大拉应力是引起材料脆性断裂破坏的主要因素。即不论 材料处于什么应力状态，只要最大拉应力达到了材料在简单拉伸破坏时 的极限应力，就会发生脆性断裂破坏。
❖ （2）最大剪应力理论
❖ 这一理论认为最大剪应力是引起材料塑性屈服破坏的主要因素。即不论 材料处于什么应力状态，只要危险点最大剪应力达到了材料在简单拉伸 屈服时的极限剪应力，就会发生屈服破坏。
❖ 基层底部沿纵向边缘受力图
0.30～ 0.31
0.3
Ⅶ
0.98～ 1.04
0.69～ 0.74
0.50～ 0.53
0.33～ 0.35
0.33～ 0.34
0.33
❖ 当基层厚度变化时，可按表3进行修正。
表3 不同基层厚度最大温度梯度修正系数
基层厚度 16
18
20
22
24
26
28
30
（cm）
修正系数 1.24 1.15 1.08 1 0.93 0.87 0.81 0.76
ANSYS在混凝土基层沥青路面结 构计算中的应用
❖ 1 有限元法和ANSYS简介 ❖ 2 混凝土基层沥青路面的应力分析 ❖ 3 路面结构的建模和计算
❖ 3.1 几何模型和计算参数 ❖ 3.2 具体计算步骤 ❖ 3.3 荷载应力分析 ❖ 3.4 温度应力分析 ❖ 3.5 耦合应力分析
❖ 4 结论
❖ 1 有限元法和ANSYS简介
表2 不同自然区划最大温度梯度推荐值(℃/cm)
ha (cm )
0 4 8 12 16 20
Ⅱ
0.88～ 0.94
0.62～ 0.66
0.43～ 0.46
0.30～ 0.32
0.30～ 0.31
0.3
Ⅲ
0.95～ 1.00
0.65～ 0.71
0.48～ 0.51
0.32～ 0.34
0.32～ 0.33
❖ （3）形状改变比能理论
❖ 这一理论认为形状改变比能是引起材料塑性屈服破坏的主要因素。即不 论材料处于什么应力状态，只要危险点处形状改变比能达到简单拉伸屈 服时的形状改变比能，材料就会发生屈服破坏。
❖ 3.2 具体计算步骤
❖ 3.2.1 热分析
❖ 1) 首先选定单元类型,本分析建立的是三维模型,热单元选用Thermal solid70 。
❖ 在进行热与结构的耦合分析中,主要考虑温度相对稳定时的翘曲应力,将 各层接触面温度作为约束条件,不考虑空气的对流和路面的辐射,通过计 算可求得各节点的温度分布,另外也可以输入辐射量、对流系数等参数 直接求出温度分布,但需考虑一天中温度近似于正弦分布,较复杂,可操 作性不强。ANSYS 软件中对于热应力分析问题推荐采用顺序耦合分 析,先进行热分析计算,将热分析所得的节点温度施加到结构单元的节点 上,再求解温度应力,施加汽车荷载后可单独求汽车荷载应力或汽车和温 度共同作用下产生的应力。为便于与规范计算值对照,先用ANSYS 分 别求出温度应力、荷载应力,再探讨温度场和行车荷载对路面所形成的 复合应力。