文档介绍：移动荷载作用下路面结构的动力响应
摘要
现实情况中车辆总是以一定速度行驶在路面上的,因此研究沥青路面在车辆移动荷载作用下的动态响应是掌握路面结构行为的必要条件。建立刚性基层沥青路面的三维有限元模型,分析移动荷载作用下路面结构的动力响应。分析得出了荷载正下方不同深度处节点竖向剪应力he各结构层底弯拉应力的时间历程曲线。结果表明,在移动荷载作用下,路面结构的动力响应具有明显的波动性质,与静荷载作用有明显区别。
中图分类号:P441文献标识码: A
绪论
目前国内现有的道路设计方法通常将车辆荷载简化为双圆均布荷载静荷载,以双轮单轴BZZ-100(100kN)为标准轴载,以设计弯沉值作为路面整体刚度的控制指标,对沥青混凝土面层和基层、底基层进行层底弯拉应力的验算[1],经过大量的使用实验证明,现有规范设计模型具有很大的局限性。这是因为现实中车辆都是以一定的速度行驶在路面上,属于是移动荷载,路面结构在移动荷载作用下的力学响应与静力响应明显不同。因此研究移动荷载作用下路面结构的动力响应更具有实际意义。大量国内外学者对弹性层状体系在动荷载作用下的力学响应作了理论研究。Siddharthan[2][3]结合弹性力学原理,建立层状体系动力学模型,研究了材料粘弹性对路面结构动力响应的影响。Lv[4]采用Green函数、Laplace积分变换和Fourier变换等方法求解出Kevlin地基上的无限大板在移动荷载作用下动态响应的数值求解。
钟阳、孙林[5]等利用Laplace-Hankel联合积分变换和传递矩阵相结合的方法推导出了轴对称半空间层状弹性体系动态反应的理论解,为进行路面结构的动态反应分析和路面材料参数的动态反算提供了一种行之有效的方法。董泽蛟、曹丽萍[6]等采用ADINA建立了移动荷载作用下多层线弹性的三维沥青路面有限元分析模型,模拟分析了移动荷载作用下路面结构的三向应变动力响应。
鉴于理论解都涉及到较复杂的积分变换和无穷积分,最终只能采用数值方法求解。本文采用Abaqus建立移动荷载作用下三维沥青路面动力响应分析的有限元模型,分析移动荷载作用下路面结构的竖向剪应力和层底弯拉应力。以应力分析研究移动荷载作用下路面结构的动力动力响应,以便为路面结构设计和路面养护提供一定参考。
1 动力学有限元计算原理
根据沥青路面层状弹性体系结构的基本假定以及弹性动力学的Hamilton变分原理,可以建立路面系统在移动荷载作用于下的有限元动力方程:
(1)
其中:M、C、K分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;分别为位移、速度和加速度矩阵;F(t)为移动荷载。
Abaqus/Explicit使用中心差分法对运动方程进行显示时间积分。求解平衡方程时,初始加速度如下:
(2)
其中:M为质量矩阵,F为动荷载,I系统内力,。
然后对加速度在时间上进行积分,计算速度的变化时假定加速度为定值,则可以获得某增量步中点的速度
(3)
速度对时间的积分与增量步开始的位移之和即为增量步结束时的位移:
(4)
通过多次中心差分求解动力方程。
2 有限元模型建立
根据常用刚性基层路面结构设计要求建立模型,沥青上面层4cm,沥青下面层8cm,C30水泥混凝土层25cm,C15水泥混凝土层30cm的,垫层47