双层水泥混凝土路面板力学行为特性研究

论文摘要

水泥混凝土路面加铺水泥混凝土路面双层板结构,在改建结构中具有经济性好、承载力较高等优点,但使用中经常出现层间脱空与过早断板现象。本文采用足尺板试验、数值模拟和理论研究方法,重点从施工早龄期影响的新角度,对双层水泥混凝土路面板脱空、过早断板与施工的关系进行了揭示,并提出了对应的施工控制措施和结构分析计算建议,具体如下：首先通过数值模拟和现场试验研究了双层板施工早龄期温度场特性,研究发现：结合式加铺水泥混凝土路面板早龄期施工温度和梯度与普通水泥混凝土路面差别不大,但设置柔性夹层加铺水泥混凝土路面板正温度梯度则减小,负温度梯度增大,减小了后期运营阶段向上翘曲幅度。面板厚度、太阳辐射强度和养护方式显著影响双层板的早龄期温度和温度梯度,结合施工温度敏感性分析结果,给出了双层板加铺施工技术措施的温度有效控制值量化范围。考虑早龄期固化温度双层板温度应力分析发现,结合式和设沥青夹层双层板考虑施工固化温度后加铺板和旧板温度应力都有显著增大,温度应力峰值在中午或夜间出现。上面板温度应力随加铺厚度增大先增后减,18cm是其敏感厚度,结合式加铺温度应力较柔性夹层双层板大。结合式双层板上板冬季施工负固化温度差与下板夏季正固化温度差组合下加铺板温度应力最大,甚至达到4.7MPa。研究分析结合式双层板不同浇筑时刻、不同固化温度组合下早龄期阶段双层板层间脱空和早期开裂可能性发现,不利固化温度组合下结合式双层板加铺层可能出现早期开裂,双层板板角在浇筑后12h极易出现层间脱空,以早上7：00浇筑最显著。结合车辆共同作用分析表明,在不利固化温度组合作用下加铺层会出现一次性加载过早断板。设沥青夹层双层板相比结合式双层板受力状态有利。基于影响线分析方法,较系统地分析了固化温度、环境温度与移动恒载共同作用下设夹层双层板的力学和疲劳特性表明,加铺板向上翘和向下翘的最不利荷位分别在板角和板中,车辆沿板边缘行驶最不利。对比分析发现,即使是设置柔性夹层,仍然不能改变下板刚性支承的特性,温度应力仍然较一般水泥混凝土路面大,仍然面临过早断板风险,仍需进一步加强施工控制和精细化设计。通过足尺板试验对设沥青夹层双层板的温度、翘曲、位移及应变进行监测,了解了真实双层板块结构的早期力学行为。综合研究表明,选择适宜的摊铺时机、洒水养护、混凝土初始温度、水泥类型、水灰比和集料,都能降低加铺层翘曲量级从而有效提高其使用寿命,其次通过限制车辆轴重、减小加铺层长宽尺寸、增加板厚、提高面板弯拉强度可进一步提高加铺层寿命,宜优先选择设置沥青夹层双层板结构型式。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 双层板结构理论研究
• 1.2.2 双层板结构设计方法研究
• 1.2.3 研究新进展
• 1.3 本文的研究目标与研究内容
• 1.3.1 问题的提出与研究目标
• 1.3.2 研究内容
• 第二章 双层水泥混凝土板早龄期温度场特性研究
• 2.1 数值模拟程序及验证
• 2.1.1 数值模拟程序编制使用
• 2.1.2 双层板温度场现场监测试验
• 2.1.3 结合式双层板温度程序验证
• 2.1.4 设沥青夹层双层板温度程序验证
• 2.2 夏季双层板施工早龄期温度场性状分析
• 2.2.1 加铺结构施工阶段固化温度特性
• 2.2.2 加铺结构运营阶段的温度场特性
• 2.3 双层板早龄期温度场参数影响特性与敏感性分析
• 2.3.1 参数影响特性分析
• 2.3.2 影响参数敏感性分析
• 2.4 加铺面板早龄期温度场控制技术
• 2.5 本章小结
• 第三章 考虑早龄期影响的双层板温度翘曲应力研究
• 3.1 模型参数
• 3.1.1 基本假设
• 3.1.2 双层板的结构与材料参数
• 3.1.3 模型层间接触
• 3.1.4 模型尺寸与单元类型
• 3.2 双层板温度梯度计算方法
• 3.2.1 环境参数汇总
• 3.2.2 固化温度取值
• 3.2.3 双层板运营阶段实际温度场取值
• 3.2.4 双层板的计算温度
• 3.3 考虑固化温度组合的结合式双层板温度应力
• 3.3.1 夏季结合式双层板加铺层温度应力
• 3.3.2 夏季结合式双层板旧板温度应力
• 3.4 考虑固化温度组合的设沥青夹层双层板温度应力
• 3.4.1 夏季设沥青夹层双层板加铺面板温度应力
• 3.4.2 夏季设沥青夹层双层板旧板温度应力
• 3.5 加铺层不同厚度下的温度应力
• 3.6 对比讨论
• 3.7 本章小结
• 第四章 结合式双层板脱空与过早断板机制研究
• 4.1 模型参数
• 4.1.1 基本假设
• 4.1.2 模型结构与材料参数
• 4.1.3 行车荷载参数
• 4.1.4 模型网格处理
• 4.2 结合式双层板的早龄期计算温度
• 4.2.1 固化温度取值
• 4.2.2 加铺层早龄期实际温度
• 4.2.3 计算温度值
• 4.3 夏季结合式双层板早龄期脱空与早期开裂
• 4.3.1 早期脱空与开裂破坏判断准则
• 4.3.2 夏季7点铺筑
• 4.3.3 夏季13点铺筑
• 4.3.4 夏季19点铺筑
• 4.3.5 夏季0点铺筑
• 4.4 车辆-温度共同作用下结合式双层板应力分析
• 4.4.1 车辆荷载作用下结合式双层板应力分析
• 4.4.2 车辆-温度共同作用下结合式双层板应力分析
• 4.4.3 不同刚度支承下加铺板应力分析
• 4.5 加铺板疲劳寿命分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 设沥青夹层双层板力学特性研究
• 5.1 计算模型参数
• 5.2 影响线分析方法
• 5.3 移动恒载下翘曲量级对设沥青夹层双层板力学行为影响
• 5.3.1 行车轨迹在加铺层和旧板各种翘曲组合下的最不利荷位
• 5.3.2 轴型与轴重对设沥青夹层双层板力学影响
• 5.3.3 移动恒载对加铺层向上翘曲时的力学行为
• 5.3.4 移动恒载对加铺层向下翘曲时的力学行为
• 5.4 移动恒载下设沥青夹层加铺路面疲劳破坏特性分析
• 5.4.1 设沥青夹层双层板疲劳损伤分析
• 5.4.2 疲劳破坏影响因素敏感性讨论
• 5.5 对比分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 双层板结构早龄期足尺板试验与技术建议
• 6.1 设沥青夹层水泥加铺路面足尺板试验
• 6.1.1 观测内容及仪器
• 6.1.2 终凝时间的确定
• 6.1.3 加铺层内部的温度变化
• 6.1.4 加铺层的翘曲量变化
• 6.1.5 加铺层横向位移变化
• 6.1.6 加铺层内部的应变变化
• 6.1.7 试验与理论分析的对比讨论
• 6.2 优化技术建议
• 6.3 本章小结
• 结论与展望
• 本文主要结论
• 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介