多锤头破碎机作用下的路面受力分析

2015-06-21边祥芹邓廷权

黑龙江交通科技 2015年10期

关键词：落锤锤头垫层

边祥芹，邓廷权

(广西交通科学研究院)

多锤头破碎机作用下的路面受力分析

边祥芹，邓廷权

(广西交通科学研究院)

碎石化技术是利用多锤头破碎机(MHB)对旧水泥路面进行改建的一种技术，采用ABAQUS有限元软件，对MHB作用下的路面进行受力分析，并分析了落锤高度、基层类型、垫层类型和路基模量对路面弯拉应力和弯沉的影响。研究结果表明:落锤高度对路面纵、横向弯拉应力均有较大程度的影响，基层类型、垫层类型和路基模量对路面横向弯拉应力影响较大，对路面纵向弯拉应力影响不大;MHB作用下，落锤高度、基层类型、垫层类型和路基模量均对板顶弯沉影响较大，实际施工中应根据路面和路基情况选择合适的落锤高度。

道路工程;水泥混凝土路面;受力分析;有限元法;多锤头破碎机

1 有限元模型和荷载

1.1 有限元模型

结合广东省旧路改建项目试验路(罗梅公路)典型路面结构，对面层、基层、垫层和路基分别进行有限元模拟。参考相关文献，面层大小为:长(路线方向)×宽为:5×4.5 m，基层、垫层和路基的大小均为:长×宽为:30×30 m(采用扩大的基层、垫层和路基，以减小其对面层受力的影响)，其余结构参数见表1。

表1 有限元模型中的结构参数

考虑旧水泥路面的特点，各结构约束条件为:面层为自由边界，四周不受约束;路基、垫层、基层四周受x轴、y轴转动方向及水平方向约束(x方向为路面纵向，y方向为路面横向，z方向为路面深度方向);路基底部为固定约束。

1.2 荷载计算及力学参数

MHB靠锤头自由下落的冲击力对路面施加荷载，其作用过程符合冲量定理。假设锤头作用于路面时锤载均匀地分布在路面上，锤头荷载用Pmax表示，根据动量定理可知

式中:A为锤头底面积，其为固定值;Δt为锤－板间的接触时间，参考相关文献论文取30 ms;为锤－板间的接触应力，Pa;H为落锤高度，初始值为1.0 m;m为锤头质量，大小为650 kg;v0为锤—板接触时的初速度，m/s;Pmax为锤－板间的最大接触应力，Pa。

由式(1)、式(2)和式(3)计算所得Pmax为37.2 MPa，荷载作用位置为横向接缝中间位置。通过计算得到路面纵、横向弯拉应力分别为8.43 MPa和2.68 MPa。水泥混凝土路面的抗压强度明显大于弯拉强度，其破坏一般为弯拉应力过大导致的破坏，对于C40混凝土其弯拉强度一般为5 MPa左右，可见MHB作用下路面纵向弯拉应力足以导致路面板的破碎。

2 路面弯拉应力分析

2.1 落锤高度的影响

MHB施工时，落锤高度是可调的，调整范围一般为1.0～1.3 m，为分析其影响，改变落锤高度对路面弯拉应力进行分析，计算结果见图1。由图1可知，随着落锤高度的增加，路面纵、横向弯拉应力均明显增加，落锤高度对路面弯拉应力影响较大。

图1 落锤高度对弯拉应力的影响

2.2 基层类型的影响

水泥混凝土路面的基层材料有多种类型，不同类型的基层具有不同的模量，为分析其影响，改变基层模量对路面弯拉应力进行分析，计算结果如图2所示。由图2可知，基层模量对路面横向弯拉应力影响较大，而对纵向弯拉应力影响较小。

2.3 垫层类型的影响

不同垫层材料模量不同，改变其大小分析基层模量对路面弯拉应力的影响，计算结果见图3。由图3可知，垫层模量对路面横向弯拉应力影响较大，对路面纵向弯拉应力影响不大。

图2 基层模量对弯拉应力的影响

图3 垫层模量对弯拉应力的影响

2.4 路基模量的影响

路基模量不同时，MHB作用下路面弯拉应力不同，为分析其影响，改变路基模量，计算结果见图4。由图4可知:路基模量对路面横向弯拉应力影响较大，而对路面纵向弯拉应力影响不大。

图4 路基模量对弯拉应力的影响

3 路面弯沉分析

落锤高度、基层类型、垫层类型和路基模量对MHB作用下板顶弯沉会有不同程度的影响。通过计算，当落锤高度分别为0.8、0.9、1.0、1.1、1.2和1.3 m时，板顶最大弯沉分别为3.1、3.3、3.5、3.7、3.8和4.0 mm，可见随着落锤高度的增加板顶弯沉明显增加。板顶弯沉随基层、垫层和路基模量的变化见图5。由图5可知:板顶弯沉随基层、垫层和路基模量的增加明显减小;基层、垫层和路基模量对板顶弯沉影响程度的关系为路基＞基层＞垫层。