旧混凝土路面共振破碎力学机理

范晨光　罗斌　李灿　谢奇峻

摘要：采用有限元法建立旧混凝土路面的动力学模型，运用ANSYS进行模态分析和谐响应求解.基于混凝土破坏的莫尔库仑准则判定使路面产生共振破坏的激振力的临界力幅.结果表明：考虑基层影响所得到的模型基频比单纯面层小；路面缺陷会使频率减小；在给定参数下，随着激振力的增大，在路面板中心处产生剪切破坏.

关键词：旧混凝土路面； 共振碎石； 莫尔库仑准则； 临界破坏力； 剪切破坏； ANSYS

中图分类号： U416.216；TB115.1

文献标志码： B

0引言

混凝土路面是我国早期干线公路的主要结构形式，由于社会经济发展带来的重交通负荷，很多路面出现诸如断板、错板、裂缝、剥落和坑洞等损害.为对这些旧混凝土路面进行改造治理，目前应用较多的是将其碎石化处理后再加铺沥青.共振碎石化是近几年兴起的一种碎石化方法，其主要工作原理是利用水压能通过一根方形钢梁传递给锤头，在偏心轴力的驱动下产生共振简谐波，将振动能量传递给混凝土板，使大部分能量被混凝土板吸收，通过锤头的振动引起混凝土板的共振并使其迅速开裂.

在共振碎石化问题上，目前国内研究主要集中在施工工艺的改进及加铺层静力学分析方面.徐柱杰等[1]和凌建明[2]研究旧混凝土路面共振碎石化效果，并对共振碎石化加铺技术进行应用推广.对于带有损伤的旧混凝土路面的自振特性，在共振状态下旧混凝土路面产生破坏的力学机理和碎石化改进方法研究则涉及很少.

针对有损伤的旧混凝土路面进行动力学响应研究，采用有限元软件建模，并求解在特定工况下的响应情况，根据结构的动应力情况，结合混凝土破坏的近似准则，确定模型发生破坏的临界应力，从而确定正弦激振力的临界幅值.

1混凝土路面的力学模型

对于带有各种缺陷的旧混凝土路面，缺陷包括缺角、裂缝、掉块和压痕等，主要研究其自振频率以及在合理的激励函数载荷作用下的混凝土路面不同位置的位移响应和动应力等参数.混凝土路面作为混凝土构成的矩形板状结构，在碎石过程中会传递来自碎石机械不同频率的激励.在不同路基状况下，路面路基系统的自振频率也存在差异.在一般情况下，对于整个路面路基结构，其低阶自振频率远低于碎石过程中由碎石机械产生的激振频率，因此激振能量不会由于路基的阻尼作用而耗散，而是主要由路面吸收.在建模过程中不考虑路基的影响，并可以忽略钢筋的影响.

二级公路混凝土面层和基层参数见表1.[3]用ANSYS建立混凝土路面力学模型，同时考虑完整面层和有车辙缺陷的面层，见图1.

2混凝土路面的频率响应特性

在ANSYS中利用模态分析模块对2种模型及单独完整的面层进行模态计算，得到前3阶固有频率，见表2.

对于带有车辙缺陷的路面模型，在四边固定约束情况下，采用正弦激励在路面中心进行激振，利用ANSYS的谐响应模块分析路面中心附近的动应力随频率的变化状况.在激励力幅值为6.2 kN时，板中心混凝土应力（绝对值）频率变化曲线见图2.

4结论

基于有限元法和混凝土破坏的莫尔库伦准则，数值模拟混凝土路面在共振碎石化机械作用下的动力特性和应力响应，得到下列结论：

（1）考虑基层的影响，混凝土路面的基频比单纯只考虑面层小.

（2）缺陷的存在会导致混凝土路面的固有频率下降.

（3）在本文的研究参数下，所模拟的带有车辙缺陷的混凝土路面中心处以剪切破坏形式为主，其破坏时对应的临界激振力幅值为6.2 kN.

参考文献：

[1]徐柱杰，凌建明，黄琴龙. 旧水泥混凝土路面共振碎石化效果研究[J]. 中国公路学报， 2008， 21（5）： 2632.

[2]凌建明. 水泥路面共振碎石化加铺技术研究与应用[R]. 上海： 同济大学， 2007.

[3]JTG D40—2011公路水泥混凝土路面设计规范[S].

[4]张娟霞. 混凝土结构破坏机理的数值试验研究[D]. 沈阳： 东北大学， 2006.

[5]FAN Chenguang， LUO Bin， XIONG Zhiwei. Vibration analysis on worn cement concrete pavement[J]. Appl Mech & Mat， 2012（204208）： 18751879.

（编辑于杰）

摘要：采用有限元法建立旧混凝土路面的动力学模型，运用ANSYS进行模态分析和谐响应求解.基于混凝土破坏的莫尔库仑准则判定使路面产生共振破坏的激振力的临界力幅.结果表明：考虑基层影响所得到的模型基频比单纯面层小；路面缺陷会使频率减小；在给定参数下，随着激振力的增大，在路面板中心处产生剪切破坏.

关键词：旧混凝土路面； 共振碎石； 莫尔库仑准则； 临界破坏力； 剪切破坏； ANSYS

中图分类号： U416.216；TB115.1

文献标志码： B

0引言

混凝土路面是我国早期干线公路的主要结构形式，由于社会经济发展带来的重交通负荷，很多路面出现诸如断板、错板、裂缝、剥落和坑洞等损害.为对这些旧混凝土路面进行改造治理，目前应用较多的是将其碎石化处理后再加铺沥青.共振碎石化是近几年兴起的一种碎石化方法，其主要工作原理是利用水压能通过一根方形钢梁传递给锤头，在偏心轴力的驱动下产生共振简谐波，将振动能量传递给混凝土板，使大部分能量被混凝土板吸收，通过锤头的振动引起混凝土板的共振并使其迅速开裂.

在共振碎石化问题上，目前国内研究主要集中在施工工艺的改进及加铺层静力学分析方面.徐柱杰等[1]和凌建明[2]研究旧混凝土路面共振碎石化效果，并对共振碎石化加铺技术进行应用推广.对于带有损伤的旧混凝土路面的自振特性，在共振状态下旧混凝土路面产生破坏的力学机理和碎石化改进方法研究则涉及很少.

针对有损伤的旧混凝土路面进行动力学响应研究，采用有限元软件建模，并求解在特定工况下的响应情况，根据结构的动应力情况，结合混凝土破坏的近似准则，确定模型发生破坏的临界应力，从而确定正弦激振力的临界幅值.

1混凝土路面的力学模型

对于带有各种缺陷的旧混凝土路面，缺陷包括缺角、裂缝、掉块和压痕等，主要研究其自振频率以及在合理的激励函数载荷作用下的混凝土路面不同位置的位移响应和动应力等参数.混凝土路面作为混凝土构成的矩形板状结构，在碎石过程中会传递来自碎石机械不同频率的激励.在不同路基状况下，路面路基系统的自振频率也存在差异.在一般情况下，对于整个路面路基结构，其低阶自振频率远低于碎石过程中由碎石机械产生的激振频率，因此激振能量不会由于路基的阻尼作用而耗散，而是主要由路面吸收.在建模过程中不考虑路基的影响，并可以忽略钢筋的影响.

二级公路混凝土面层和基层参数见表1.[3]用ANSYS建立混凝土路面力学模型，同时考虑完整面层和有车辙缺陷的面层，见图1.

2混凝土路面的频率响应特性

在ANSYS中利用模态分析模块对2种模型及单独完整的面层进行模态计算，得到前3阶固有频率，见表2.

对于带有车辙缺陷的路面模型，在四边固定约束情况下，采用正弦激励在路面中心进行激振，利用ANSYS的谐响应模块分析路面中心附近的动应力随频率的变化状况.在激励力幅值为6.2 kN时，板中心混凝土应力（绝对值）频率变化曲线见图2.

4结论

基于有限元法和混凝土破坏的莫尔库伦准则，数值模拟混凝土路面在共振碎石化机械作用下的动力特性和应力响应，得到下列结论：

（1）考虑基层的影响，混凝土路面的基频比单纯只考虑面层小.

（2）缺陷的存在会导致混凝土路面的固有频率下降.

（3）在本文的研究参数下，所模拟的带有车辙缺陷的混凝土路面中心处以剪切破坏形式为主，其破坏时对应的临界激振力幅值为6.2 kN.

参考文献：

[1]徐柱杰，凌建明，黄琴龙. 旧水泥混凝土路面共振碎石化效果研究[J]. 中国公路学报， 2008， 21（5）： 2632.

[2]凌建明. 水泥路面共振碎石化加铺技术研究与应用[R]. 上海： 同济大学， 2007.

[3]JTG D40—2011公路水泥混凝土路面设计规范[S].

[4]张娟霞. 混凝土结构破坏机理的数值试验研究[D]. 沈阳： 东北大学， 2006.

[5]FAN Chenguang， LUO Bin， XIONG Zhiwei. Vibration analysis on worn cement concrete pavement[J]. Appl Mech & Mat， 2012（204208）： 18751879.

（编辑于杰）

摘要：采用有限元法建立旧混凝土路面的动力学模型，运用ANSYS进行模态分析和谐响应求解.基于混凝土破坏的莫尔库仑准则判定使路面产生共振破坏的激振力的临界力幅.结果表明：考虑基层影响所得到的模型基频比单纯面层小；路面缺陷会使频率减小；在给定参数下，随着激振力的增大，在路面板中心处产生剪切破坏.

关键词：旧混凝土路面； 共振碎石； 莫尔库仑准则； 临界破坏力； 剪切破坏； ANSYS

中图分类号： U416.216；TB115.1

文献标志码： B

0引言

混凝土路面是我国早期干线公路的主要结构形式，由于社会经济发展带来的重交通负荷，很多路面出现诸如断板、错板、裂缝、剥落和坑洞等损害.为对这些旧混凝土路面进行改造治理，目前应用较多的是将其碎石化处理后再加铺沥青.共振碎石化是近几年兴起的一种碎石化方法，其主要工作原理是利用水压能通过一根方形钢梁传递给锤头，在偏心轴力的驱动下产生共振简谐波，将振动能量传递给混凝土板，使大部分能量被混凝土板吸收，通过锤头的振动引起混凝土板的共振并使其迅速开裂.

在共振碎石化问题上，目前国内研究主要集中在施工工艺的改进及加铺层静力学分析方面.徐柱杰等[1]和凌建明[2]研究旧混凝土路面共振碎石化效果，并对共振碎石化加铺技术进行应用推广.对于带有损伤的旧混凝土路面的自振特性，在共振状态下旧混凝土路面产生破坏的力学机理和碎石化改进方法研究则涉及很少.

针对有损伤的旧混凝土路面进行动力学响应研究，采用有限元软件建模，并求解在特定工况下的响应情况，根据结构的动应力情况，结合混凝土破坏的近似准则，确定模型发生破坏的临界应力，从而确定正弦激振力的临界幅值.

1混凝土路面的力学模型

对于带有各种缺陷的旧混凝土路面，缺陷包括缺角、裂缝、掉块和压痕等，主要研究其自振频率以及在合理的激励函数载荷作用下的混凝土路面不同位置的位移响应和动应力等参数.混凝土路面作为混凝土构成的矩形板状结构，在碎石过程中会传递来自碎石机械不同频率的激励.在不同路基状况下，路面路基系统的自振频率也存在差异.在一般情况下，对于整个路面路基结构，其低阶自振频率远低于碎石过程中由碎石机械产生的激振频率，因此激振能量不会由于路基的阻尼作用而耗散，而是主要由路面吸收.在建模过程中不考虑路基的影响，并可以忽略钢筋的影响.

二级公路混凝土面层和基层参数见表1.[3]用ANSYS建立混凝土路面力学模型，同时考虑完整面层和有车辙缺陷的面层，见图1.

2混凝土路面的频率响应特性

在ANSYS中利用模态分析模块对2种模型及单独完整的面层进行模态计算，得到前3阶固有频率，见表2.

对于带有车辙缺陷的路面模型，在四边固定约束情况下，采用正弦激励在路面中心进行激振，利用ANSYS的谐响应模块分析路面中心附近的动应力随频率的变化状况.在激励力幅值为6.2 kN时，板中心混凝土应力（绝对值）频率变化曲线见图2.

4结论

基于有限元法和混凝土破坏的莫尔库伦准则，数值模拟混凝土路面在共振碎石化机械作用下的动力特性和应力响应，得到下列结论：

（1）考虑基层的影响，混凝土路面的基频比单纯只考虑面层小.

（2）缺陷的存在会导致混凝土路面的固有频率下降.

（3）在本文的研究参数下，所模拟的带有车辙缺陷的混凝土路面中心处以剪切破坏形式为主，其破坏时对应的临界激振力幅值为6.2 kN.

参考文献：

[1]徐柱杰，凌建明，黄琴龙. 旧水泥混凝土路面共振碎石化效果研究[J]. 中国公路学报， 2008， 21（5）： 2632.

[2]凌建明. 水泥路面共振碎石化加铺技术研究与应用[R]. 上海： 同济大学， 2007.

[3]JTG D40—2011公路水泥混凝土路面设计规范[S].

[4]张娟霞. 混凝土结构破坏机理的数值试验研究[D]. 沈阳： 东北大学， 2006.

[5]FAN Chenguang， LUO Bin， XIONG Zhiwei. Vibration analysis on worn cement concrete pavement[J]. Appl Mech & Mat， 2012（204208）： 18751879.

（编辑于杰）