陡坡急弯公路混凝土路面受力特点及设计方法的研究

论文摘要

在我国西部地区,多高原和山脉地形,山区公路所占比重较大。水泥混凝土路面的承载能力大,耐磨耗能力强等与山区地形、地貌相适应的特点及沥青路面不宜在陡坡段使用的限制,使得水泥混凝土路面在山区公路中得到广泛利用。但这些路段除设计、施工、养护等皆具诸多不利因素外,还具有纵坡大,平纵线形标准低、弯急而频繁等特殊性。因此,有必要对陡坡及陡坡急弯路段的水泥混凝土路面结构力学性能进行分析,并对现行的此类路面设计提出改进意见,从而保证和提高此类路段的路面服务质量和使用寿命,减少路面建设投资和后期养护费用。针对上述问题,本文通过室内试验测设了0%、6%、9%、12%不同纵坡水泥混凝土面板的板中和板角加载下板表、板中断面板厚方向正应力的变化规律。在此基础上应用有限元分析了不同的坡度、不同半径以及二者组合条件下公路水泥混凝土路面在板中、板角加载时的板底拉应力、剪应力的变化规律。通过上述各研究,得到下列主要结论:①试验测设结果与有限元分析结果下的纵缝中部的拉应力、板底最大剪应力的变化规律都基本吻合;但有限元的计算结果稍大于测设结果;②直线陡坡段,不同面层厚度、基层厚度等工况下的混凝土路面的最大拉应力随着纵坡的增加,相应减少,但板底、板表最大剪应力均增大;③陡坡急弯路段,不同面层厚度、基层厚度等工况下的混凝土路面的最大拉应力随坡度增加和平曲线半径的减小而减少,板底、板表最大剪应力均趋于增大;④陡坡路段的临界荷位并未随纵坡等因素变化而变化,依然位于纵缝中部;⑤根据相关分析结果,本文给出了对混凝土路面应力有显著影响的陡坡、陡坡急弯的范围。⑥根据陡坡、陡坡急弯路段与普通路段的受力特点的对比分析,初步提出了陡坡路段、陡坡急弯路段的混凝土路面的设计方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外相关研究概况
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文主要研究内容及技术路线
• 1.3.1 研究内容及目标
• 1.3.2 研究技术路线
• 第二章 混凝土路面力学计算的基本理论及有限元法的应用
• 2.1 水泥混凝土路面力学计算的基本理论
• 2.1.1 弹性地基板理论
• 2.1.2 弹性层状体系理论
• 2.2 水泥混凝土路面力学计算理论的基本方程
• 2.2.1 弹性地基板理论应力分析的基本方程
• 2.2.2 弹性理论空间问题的基本方程
• 2.3 有限元方法的基本原理
• 2.4 ANSYS 在道路工程中的应用
• 2.4.1 ANSYS 简介
• 2.4.2 ANSYS 在道路工程中的应用
• 2.5 本章小结
• 第三章 陡坡混凝土路面板受力特性的模型试验研究
• 3.1 概述
• 3.2 陡坡混凝土路面板受力特性试验的模型设计
• 3.2.1 试验坡度的确定
• 3.2.2 模型结构的设计
• 3.3 模型所用材料的基本性能
• 3.3.1 土基材料的基本性能
• 3.3.2 水泥稳定碎石基层材料的基本性能
• 3.3.3 水泥混凝土面层材料的基本性能
• 3.4 各结构层施工及测试
• 3.4.1 土基施工及测试
• 3.4.2 基层施工及测试
• 3.4.3 面层施工及测试
• 3.5 不同纵坡下板中加载的混凝土板的应力测试与分析
• 3.5.1 测点布置
• 3.5.2 测试方法
• 3.5.3 应力测试结果及分析
• 3.6 不同纵坡下板角加载的混凝土板的应力测试与分析
• 3.6.1 测点布置
• 3.6.2 测试方法
• 3.6.3 应力测试结果及分析
• 3.7 试验模型的理论计算结果及与试验测试结果的对比研究
• 3.7.1 有限元分析模型的建立
• 3.7.2 不同纵坡下板中加载的混凝土板的应力计算与分析
• 3.7.3 不同纵坡下板角加载的混凝土板的应力计算与分析
• 3.7.4 实测结果与理论计算结果的对比分析
• 3.8 本章小结
• 第四章 陡坡路段混凝土面板受力特点及机理的有限元分析
• 4.1 概述
• 4.2 直线陡坡段路面结构有限元分析模型参数的确立
• 4.2.1 路面结构层的确定
• 4.2.2 各结构层材料本构模型的确定
• 4.2.3 各结构层材料参数的确定
• 4.2.4 加载面形状及面积的确定
• 4.2.5 荷载的确定
• 4.3 直线陡坡段路面结构的有限元分析模型的建立
• 4.3.1 计算所采用纵坡范围的确定
• 4.3.2 模型计算所采用的路面结构
• 4.3.3 拉应力、剪应力计算点的选取
• 4.3.4 有限元分析模型的单元划分
• 4.3.5 荷载的施加
• 4.4 直线陡坡段混凝土面板的有限元计算结果分析
• 4.4.1 不同纵坡下板中加载时面板的应力变化规律及影响因素分析
• 4.4.2 不同纵坡下板角加载时面板的应力变化规律及影响因素分析
• 4.5 直线陡坡段考虑制动力的混凝土面板的力学分析
• 4.5.1 不同纵坡下考虑制动力的混凝土板的有限元模型的建立
• 4.5.2 不同纵坡下板中加载时面板的应力变化规律及影响因素分析
• 4.5.3 不同纵坡下板角加载时面板的应力变化规律及影响因素分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 陡坡急弯路段混凝土面板受力特点及机理的有限元分析
• 5.1 陡坡急弯段路面结构有限元分析模型参数的确立
• 5.1.1 路面结构层的确定
• 5.1.2 各结构层材料本构模型的确定
• 5.1.3 各结构层材料参数的确定
• 5.1.4 加载面形状及面积的确定
• 5.1.5 荷载的确定
• 5.2 陡坡急弯段路面结构的有限元分析模型
• 5.2.1 计算采用的纵坡及圆曲线半径的确定
• 5.2.2 模型计算所采用的路面结构
• 5.2.3 拉应力、剪应力计算点的选取
• 5.2.4 有限元分析模型的单元划分
• 5.2.5 荷载的施加
• 5.3 陡坡急弯段混凝土面板的有限元计算结果分析
• 5.3.1 不同纵坡下板中加载时面板的应力变化规律及影响因素分析
• 5.3.2 不同纵坡下板角加载时面板的应力变化规律及影响因素分析
• 5.4 陡坡急弯路段考虑制动力的混凝土面板的力学分析
• 5.4.1 不同纵坡下板中加载时面板的应力变化规律及影响因素分析
• 5.4.2 不同纵坡下板角加载时面板的应力变化规律及影响因素分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 陡坡及陡坡急弯路段混凝土路面的设计方法
• 6.1 影响混凝土路面受力的陡坡范围
• 6.1.1 汽车行驶性能对于陡坡范围的影响
• 6.1.2 混凝土路面板的力学性能对于陡坡范围的影响
• 6.2 影响混凝土路面受力的陡坡急弯范围
• 6.2.1 汽车行驶性能对于陡坡急弯范围的影响
• 6.2.2 混凝土路面板的力学性能对于陡坡急弯范围的影响
• 6.3 陡坡及陡坡急弯下临界荷位的探讨
• 6.3.1 临界荷位的概念
• 6.3.2 板中、板角加载下的应力测设结果分析
• 6.3.3 板中、板角加载下试验模型应力的理论计算结果分析
• 6.3.4 板中、板角加载下陡坡直线段应力的有限元计算结果分析
• 6.3.5 板中、板角加载下陡坡急弯段应力的有限元计算结果分析
• 6.4 普通水泥混凝土路面设计的方法和步骤
• 6.4.1 水泥混凝土路面一般设计步骤
• 6.4.2 水泥混凝土路面设计中几个指标的计算
• 6.4.3 混凝土板厚度的确定的要求
• 6.5 陡坡公路水泥混凝土路面的设计方法
• 6.5.1 陡坡公路混凝土路面荷载应力的计算
• 6.5.2 陡坡公路段考虑剪应力影响的处置措施
• 6.6 陡坡急弯路公路水泥混凝土路面的设计方法
• 6.6.1 陡坡急弯公路混凝土路面荷载应力的计算
• 6.6.2 陡坡急弯段考虑剪应力的影响的处置措施
• 6.7 本章小结
• 第七章 结论与建议
• 7.1 主要结论
• 7.2 进一步研究建议
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表的论著及取得的科研成果