公路交通科技论文模版.doc
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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
轮胎胎面与柔性路面摩擦接触的数值分析
祝明桥黄晓明1,代琦1,平克磊2
(1.湖南科技大学土木工程学院,湘潭411201东南大学交通学院,江苏南京210096;2.南京水利科学研究院,江苏,南京,210029)
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。
为了深入研究轮胎胎面与路面的抗滑性能,应用有限元软件ANASYS建立了包括橡胶胎面和柔性路面结构的有限元模型。
探讨了车辆处于自由滚动和紧急制动过程中在不同轮胎/路面界面摩擦系数下的胎面、路表的变形特性和接触应力分布状态。
研究结果表明界面摩擦系数是影响胎面与柔性路面摩擦性能的主要原因,随其值的增加路面弯沉减小,摩擦应力先增加然后保持稳定,但轮胎的磨耗增加,接触压应力增加。
适当地丰富路表构造、提高界面摩擦系数能降低路面弯沉,增强紧急制动状态下的抗滑性能;但是当摩擦系数超过某临界值时,随其数值的增大所对应制动状态下的抗滑性能不再提高,且路面压应力明显增加。
以上摩擦特性对路表抗滑性能和路面力学响应的研究提供了一定的理论基础。
关键词:
双层均布荷载道路工程;混凝土伸臂箱梁抗滑;剪力滞效应数值分析;试验研究接触应力;有限元分析界面摩擦系数
中图分类号:
文献标识码:
A
ExperimentResearchandAnalysisontheShearlageffectofCantileverConcreteBoxGirderunderDouble-deckuniformloadsNumericAnalysisofFrictionContactbetweenTreadandflexiblepavement
ZHUHUANGXiao-Mming-qiao1,DAIQi1,JIANGKe-lei2
(1.Hunanuniversityofscienceandtechnology,Xiangtan411201,ChinaSchoolofTransportation,SoutheastUniversity,NanjingJiangsu210096,China;
2.NanjingHydraulicResearchInstitute,NanjingJiangsu210029,China)
Abstract:
Throughtheexperimentresearchandanalysisontheflexuralbehaviorwithinelasticrangeofthesingleboxthreeroomscantileverconcreteboxgirdermodelunderlargeproportionofdouble-deckuniformloads,discussedtheshearlageffectdistributionlawofthesingleboxthreeroomscantileverboxgirderunderdouble-deckuniformloads.Someusefulconclusionsaredrawn,providetheexperimentaldataandtheoreticalbasisfordoubledecktrafficconcreteboxgirderdesignandapplication.
Forthesakeofresearchingtheskidresistanceconcretelybetweentreadandpavement,afiniteelementanalysismodelincludingrubbertreadandflexiblepavementwasestablishedbyFEMsoftwareANASYSandfrictioncontactproblembetweentreadandflexiblepavementisnumericallyanalyzed.Thedeformationalfeaturesoftreadandsurfaceanddistributionoftangentstressintheconditionsofdifferentinterfacialfrictioncoefficientsbetweentreadandsurfaceunderfreelyrollingandemergentbrakingstateswerediscussed.Theresultsshowthat,theinterfacialfrictioncoefficienttakesthemainresponsibilityforfrictionpropertiesbetweentreadandflexiblepavement;withincreasingoftheinterfacialfrictioncoefficient,thedeflectionofpavementdecreases,frictionstressimprovesfirstlyandthenkeepstability;butbothoftirewearandcontactpressureincreases.Aggrandizingthetextureofpavementandincreasingtheinterfacialfrictioncoefficientbetweentreadandsurfacecanreducethedeflectionofpavementeffectivelyandimprovetheskidresistanceofpavementunderemergentbrakingstateswhichareadvantageoustopavement.Butasthefrictioncoefficientexceedsacertaincriticalvalue,theskidresistancecorrespondingundertheemergentbrakingstatesdoesn’tenhanceanylonger,andthepressureofpavementaugmentsobviouslywhicharedisadvantageoustopavement.Therebythesefrictionpropertiesbetweentreadandsurfaceabovewillprovideanacademicbasisforresearchingskidresistanceandmechanicalresponseofflexiblepavement.
Keywords:
double-deckuniformloadroadengineering;cantileverconcreteboxgirderskidresistance;shearlageffectnumericanalysis;experimentresearchtangentstress;finiteelementanalysisinterfacialfrictioncoefficient
0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。
随着生活质量的提高,人们对道路的要求不再仅停留在交通运输作用上,而是越来越注重行驶过程的安全性、舒适性和经济性。
据调查,路面的这些性能与轮胎/路面的摩擦特性有着密切的关系。
但在以往我们所建立的路面结构有限元模型中通常直接在路表上施加荷载而忽略了轮胎胎面与路表的摩擦接触影响,所以本文在胎面与柔性路面的摩擦接触模型的建立和数值分析方面做了一些探讨。
1、材料参数的确定
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。
图1胎面单元的垂直压缩荷载-变形关系
Fig.1Verticalload-deformationrelationoftreadelement
40mm×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/cm
20℃模量/MPa
泊松比
细粒式沥青混凝土
4
1400
0.25
中粒式沥青混凝土
5
1200
0.25
粗粒式沥青混凝土
6
1000
0.25
水泥碎石
30
1500
0.25
石灰土
25
55
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