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特載車輛下花崗巖路面的有限元分析

發布于:2023-04-11 21:19
有限元分析

      在城市中,經常會出現大噸位的特載車輛駛過路面的情況。通常情況下,特載車輛沿線經過的橋梁結構會被重點核算,但路面結構的核算往往容易被忽視。石材結構路面,一旦發生斷裂或滑移破壞,很可能造成車輪陷入,影響車輛行駛,嚴重的將威脅車輛及人身安全。因此,如何對此類結構進行全面有效地分析是筆者將要研究的問題。
      龍馬巡游項目是2014年10月為了紀念中法建交50周年在北京市舉行的慶;顒;顒拥攸c為奧林匹克公園中心區,龍馬和蜘蛛拖車巡游路線主要涉及中軸大道的南一路至中一路區段的路面結構。為確定結構能否滿足車輛行進的安全要求,對路面結構的承載能力、正常及極限使用狀態的應力進行驗算和有限元分析比對。
      在進行計算分析前,首先應研究特載車輛的規格、形式及相應的荷載和尺寸,以確定其最不利狀況,并進行分析。龍馬及蜘蛛拖車前后輪距如圖所示。
      在得到荷載車輛的輪距、輪胎尺寸及各輪的荷載分配以后,需要進一步確定行進路線上的步道磚的平面尺寸、厚度及受壓位置,并從諸多可能中選出最不利工況進行分析。中軸路花崗巖石材鋪裝如圖所示。
      龍馬拖車最不利重輪為中支撐輪(特殊形態下25.6/2t),作用位置為邊步道磚。蜘蛛拖車最不利重輪為前支撐輪(7.5t),作用位置為中央步道磚。
      采用有限元程序midasFEA對人行步道磚及其基層、墊層分別建立實體單元模型進行計算,面磚為花崗巖石材,基層、墊層采用混凝土、二灰土,底部支撐以剛性支撐模擬,以平面靜力荷載形式施加汽車車輪荷載作用于步道磚上,荷載組合按承載能力極限狀態設計,組合系數按1.0考慮,模擬步道磚常見的基礎承載力下降及特殊情況下基礎脫空的受力狀況,并充分考慮結構厚度及材質組合,對設計方案的選擇提供充足的計算數據支持。該次計算分析選取的主要結構組合類型如表所示。
      考慮到路面已使用6年,地基剛度及密實度有可能已不均勻,重載之下易造成路面沉陷,對此種情況進行核算。
      工況1:龍馬車輪位于150磚中心處。按步道磚與地基全接觸,地基土彈簧標準剛度取2xe5kN/m3進行計算,計算結果如圖所示。
      由計算結果可知,結構變形及材料拉應力尚在安全范圍內。
      工況2:龍馬車輪位于150磚邊緣處。按步道磚與地基全接觸,地基土彈簧標準剛度取2xe5kN/m3進行計算,計算結果如圖所示,地基剛度驗算結果如表4所示。由計算結果可知,結構變形及材料拉應力尚在安全范圍內。
      工況3:蜘蛛車輪位于250磚中央。
      按步道磚與地基全接觸,地基土彈簧標準剛度取2xe5kN/m3進行計算,計算結果如圖8所示,地基剛度驗算結果如表所示。
      由計算結果可知,結構變形及材料拉應力尚在安全范圍內。
      考慮到路面已使用6年,二灰層剛度及密實度有可能已不均勻,重載之下會造成路面沉陷,對此種情況進行核算。
      按步道磚與地基全接觸,鋪裝層中的二灰土彈性模量折減進行核算,結果如圖9所示,二灰土彈性模量驗算結果如表6所示。
      由計算結果可知,如路面下二灰砂礫彈性模量未損失,則荷載下路面變形及鋪裝層應力較小。二灰砂礫彈性模量折減為50%,荷載下路面變形及鋪裝層應力依然較小。在極端情況下,如彈性模量折減為10%,路面變形量依然在可接受范圍內,而鋪裝層中C30混凝土拉應力接近限值。


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