舊混凝土路面共振破碎力學機理

范晨光　羅斌　李燦　謝奇峻

摘要：采用有限元法建立舊混凝土路面的動力學模型，運用ANSYS進行模態分析和諧響應求解.基于混凝土破壞的莫爾庫侖準則判定使路面產生共振破壞的激振力的臨界力幅.結果表明：考慮基層影響所得到的模型基頻比單純面層小；路面缺陷會使頻率減小；在給定參數下，隨著激振力的增大，在路面板中心處產生剪切破壞.

關鍵詞：舊混凝土路面； 共振碎石； 莫爾庫侖準則； 臨界破壞力； 剪切破壞； ANSYS

中圖分類號： U416.216；TB115.1

文獻標志碼： B

0引言

混凝土路面是我國早期干線公路的主要結構形式，由于社會經濟發展帶來的重交通負荷，很多路面出現諸如斷板、錯板、裂縫、剝落和坑洞等損害.為對這些舊混凝土路面進行改造治理，目前應用較多的是將其碎石化處理后再加鋪瀝青.共振碎石化是近幾年興起的一種碎石化方法，其主要工作原理是利用水壓能通過一根方形鋼梁傳遞給錘頭，在偏心軸力的驅動下產生共振簡諧波，將振動能量傳遞給混凝土板，使大部分能量被混凝土板吸收，通過錘頭的振動引起混凝土板的共振并使其迅速開裂.

在共振碎石化問題上，目前國內研究主要集中在施工工藝的改進及加鋪層靜力學分析方面.徐柱杰等[1]和凌建明[2]研究舊混凝土路面共振碎石化效果，并對共振碎石化加鋪技術進行應用推廣.對于帶有損傷的舊混凝土路面的自振特性，在共振狀態下舊混凝土路面產生破壞的力學機理和碎石化改進方法研究則涉及很少.

針對有損傷的舊混凝土路面進行動力學響應研究，采用有限元軟件建模，并求解在特定工況下的響應情況，根據結構的動應力情況，結合混凝土破壞的近似準則，確定模型發生破壞的臨界應力，從而確定正弦激振力的臨界幅值.

1混凝土路面的力學模型

對于帶有各種缺陷的舊混凝土路面，缺陷包括缺角、裂縫、掉塊和壓痕等，主要研究其自振頻率以及在合理的激勵函數載荷作用下的混凝土路面不同位置的位移響應和動應力等參數.混凝土路面作為混凝土構成的矩形板狀結構，在碎石過程中會傳遞來自碎石機械不同頻率的激勵.在不同路基狀況下，路面路基系統的自振頻率也存在差異.在一般情況下，對于整個路面路基結構，其低階自振頻率遠低于碎石過程中由碎石機械產生的激振頻率，因此激振能量不會由于路基的阻尼作用而耗散，而是主要由路面吸收.在建模過程中不考慮路基的影響，并可以忽略鋼筋的影響.

二級公路混凝土面層和基層參數見表1.[3]用ANSYS建立混凝土路面力學模型，同時考慮完整面層和有車轍缺陷的面層，見圖1.

2混凝土路面的頻率響應特性

在ANSYS中利用模態分析模塊對2種模型及單獨完整的面層進行模態計算，得到前3階固有頻率，見表2.

對于帶有車轍缺陷的路面模型，在四邊固定約束情況下，采用正弦激勵在路面中心進行激振，利用ANSYS的諧響應模塊分析路面中心附近的動應力隨頻率的變化狀況.在激勵力幅值為6.2 kN時，板中心混凝土應力（絕對值）頻率變化曲線見圖2.

4結論

基于有限元法和混凝土破壞的莫爾庫倫準則，數值模擬混凝土路面在共振碎石化機械作用下的動力特性和應力響應，得到下列結論：

（1）考慮基層的影響，混凝土路面的基頻比單純只考慮面層小.

（2）缺陷的存在會導致混凝土路面的固有頻率下降.

（3）在本文的研究參數下，所模擬的帶有車轍缺陷的混凝土路面中心處以剪切破壞形式為主，其破壞時對應的臨界激振力幅值為6.2 kN.

參考文獻：

[1]徐柱杰，凌建明，黃琴龍. 舊水泥混凝土路面共振碎石化效果研究[J]. 中國公路學報， 2008， 21（5）： 2632.

[2]凌建明. 水泥路面共振碎石化加鋪技術研究與應用[R]. 上海： 同濟大學， 2007.

[3]JTG D40—2011公路水泥混凝土路面設計規范[S].

[4]張娟霞. 混凝土結構破壞機理的數值試驗研究[D]. 沈陽： 東北大學， 2006.

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

（編輯于杰）

摘要：采用有限元法建立舊混凝土路面的動力學模型，運用ANSYS進行模態分析和諧響應求解.基于混凝土破壞的莫爾庫侖準則判定使路面產生共振破壞的激振力的臨界力幅.結果表明：考慮基層影響所得到的模型基頻比單純面層小；路面缺陷會使頻率減小；在給定參數下，隨著激振力的增大，在路面板中心處產生剪切破壞.

關鍵詞：舊混凝土路面； 共振碎石； 莫爾庫侖準則； 臨界破壞力； 剪切破壞； ANSYS

中圖分類號： U416.216；TB115.1

文獻標志碼： B

0引言

混凝土路面是我國早期干線公路的主要結構形式，由于社會經濟發展帶來的重交通負荷，很多路面出現諸如斷板、錯板、裂縫、剝落和坑洞等損害.為對這些舊混凝土路面進行改造治理，目前應用較多的是將其碎石化處理后再加鋪瀝青.共振碎石化是近幾年興起的一種碎石化方法，其主要工作原理是利用水壓能通過一根方形鋼梁傳遞給錘頭，在偏心軸力的驅動下產生共振簡諧波，將振動能量傳遞給混凝土板，使大部分能量被混凝土板吸收，通過錘頭的振動引起混凝土板的共振并使其迅速開裂.

在共振碎石化問題上，目前國內研究主要集中在施工工藝的改進及加鋪層靜力學分析方面.徐柱杰等[1]和凌建明[2]研究舊混凝土路面共振碎石化效果，并對共振碎石化加鋪技術進行應用推廣.對于帶有損傷的舊混凝土路面的自振特性，在共振狀態下舊混凝土路面產生破壞的力學機理和碎石化改進方法研究則涉及很少.

針對有損傷的舊混凝土路面進行動力學響應研究，采用有限元軟件建模，并求解在特定工況下的響應情況，根據結構的動應力情況，結合混凝土破壞的近似準則，確定模型發生破壞的臨界應力，從而確定正弦激振力的臨界幅值.

1混凝土路面的力學模型

對于帶有各種缺陷的舊混凝土路面，缺陷包括缺角、裂縫、掉塊和壓痕等，主要研究其自振頻率以及在合理的激勵函數載荷作用下的混凝土路面不同位置的位移響應和動應力等參數.混凝土路面作為混凝土構成的矩形板狀結構，在碎石過程中會傳遞來自碎石機械不同頻率的激勵.在不同路基狀況下，路面路基系統的自振頻率也存在差異.在一般情況下，對于整個路面路基結構，其低階自振頻率遠低于碎石過程中由碎石機械產生的激振頻率，因此激振能量不會由于路基的阻尼作用而耗散，而是主要由路面吸收.在建模過程中不考慮路基的影響，并可以忽略鋼筋的影響.

二級公路混凝土面層和基層參數見表1.[3]用ANSYS建立混凝土路面力學模型，同時考慮完整面層和有車轍缺陷的面層，見圖1.

2混凝土路面的頻率響應特性

在ANSYS中利用模態分析模塊對2種模型及單獨完整的面層進行模態計算，得到前3階固有頻率，見表2.

對于帶有車轍缺陷的路面模型，在四邊固定約束情況下，采用正弦激勵在路面中心進行激振，利用ANSYS的諧響應模塊分析路面中心附近的動應力隨頻率的變化狀況.在激勵力幅值為6.2 kN時，板中心混凝土應力（絕對值）頻率變化曲線見圖2.

4結論

基于有限元法和混凝土破壞的莫爾庫倫準則，數值模擬混凝土路面在共振碎石化機械作用下的動力特性和應力響應，得到下列結論：

（1）考慮基層的影響，混凝土路面的基頻比單純只考慮面層小.

（2）缺陷的存在會導致混凝土路面的固有頻率下降.

（3）在本文的研究參數下，所模擬的帶有車轍缺陷的混凝土路面中心處以剪切破壞形式為主，其破壞時對應的臨界激振力幅值為6.2 kN.

參考文獻：

[1]徐柱杰，凌建明，黃琴龍. 舊水泥混凝土路面共振碎石化效果研究[J]. 中國公路學報， 2008， 21（5）： 2632.

[2]凌建明. 水泥路面共振碎石化加鋪技術研究與應用[R]. 上海： 同濟大學， 2007.

[3]JTG D40—2011公路水泥混凝土路面設計規范[S].

[4]張娟霞. 混凝土結構破壞機理的數值試驗研究[D]. 沈陽： 東北大學， 2006.

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

（編輯于杰）

摘要：采用有限元法建立舊混凝土路面的動力學模型，運用ANSYS進行模態分析和諧響應求解.基于混凝土破壞的莫爾庫侖準則判定使路面產生共振破壞的激振力的臨界力幅.結果表明：考慮基層影響所得到的模型基頻比單純面層小；路面缺陷會使頻率減小；在給定參數下，隨著激振力的增大，在路面板中心處產生剪切破壞.

關鍵詞：舊混凝土路面； 共振碎石； 莫爾庫侖準則； 臨界破壞力； 剪切破壞； ANSYS

中圖分類號： U416.216；TB115.1

文獻標志碼： B

0引言

混凝土路面是我國早期干線公路的主要結構形式，由于社會經濟發展帶來的重交通負荷，很多路面出現諸如斷板、錯板、裂縫、剝落和坑洞等損害.為對這些舊混凝土路面進行改造治理，目前應用較多的是將其碎石化處理后再加鋪瀝青.共振碎石化是近幾年興起的一種碎石化方法，其主要工作原理是利用水壓能通過一根方形鋼梁傳遞給錘頭，在偏心軸力的驅動下產生共振簡諧波，將振動能量傳遞給混凝土板，使大部分能量被混凝土板吸收，通過錘頭的振動引起混凝土板的共振并使其迅速開裂.

在共振碎石化問題上，目前國內研究主要集中在施工工藝的改進及加鋪層靜力學分析方面.徐柱杰等[1]和凌建明[2]研究舊混凝土路面共振碎石化效果，并對共振碎石化加鋪技術進行應用推廣.對于帶有損傷的舊混凝土路面的自振特性，在共振狀態下舊混凝土路面產生破壞的力學機理和碎石化改進方法研究則涉及很少.

針對有損傷的舊混凝土路面進行動力學響應研究，采用有限元軟件建模，并求解在特定工況下的響應情況，根據結構的動應力情況，結合混凝土破壞的近似準則，確定模型發生破壞的臨界應力，從而確定正弦激振力的臨界幅值.

1混凝土路面的力學模型

對于帶有各種缺陷的舊混凝土路面，缺陷包括缺角、裂縫、掉塊和壓痕等，主要研究其自振頻率以及在合理的激勵函數載荷作用下的混凝土路面不同位置的位移響應和動應力等參數.混凝土路面作為混凝土構成的矩形板狀結構，在碎石過程中會傳遞來自碎石機械不同頻率的激勵.在不同路基狀況下，路面路基系統的自振頻率也存在差異.在一般情況下，對于整個路面路基結構，其低階自振頻率遠低于碎石過程中由碎石機械產生的激振頻率，因此激振能量不會由于路基的阻尼作用而耗散，而是主要由路面吸收.在建模過程中不考慮路基的影響，并可以忽略鋼筋的影響.

二級公路混凝土面層和基層參數見表1.[3]用ANSYS建立混凝土路面力學模型，同時考慮完整面層和有車轍缺陷的面層，見圖1.

2混凝土路面的頻率響應特性

在ANSYS中利用模態分析模塊對2種模型及單獨完整的面層進行模態計算，得到前3階固有頻率，見表2.

對于帶有車轍缺陷的路面模型，在四邊固定約束情況下，采用正弦激勵在路面中心進行激振，利用ANSYS的諧響應模塊分析路面中心附近的動應力隨頻率的變化狀況.在激勵力幅值為6.2 kN時，板中心混凝土應力（絕對值）頻率變化曲線見圖2.

4結論

基于有限元法和混凝土破壞的莫爾庫倫準則，數值模擬混凝土路面在共振碎石化機械作用下的動力特性和應力響應，得到下列結論：

（1）考慮基層的影響，混凝土路面的基頻比單純只考慮面層小.

（2）缺陷的存在會導致混凝土路面的固有頻率下降.

（3）在本文的研究參數下，所模擬的帶有車轍缺陷的混凝土路面中心處以剪切破壞形式為主，其破壞時對應的臨界激振力幅值為6.2 kN.

參考文獻：

[1]徐柱杰，凌建明，黃琴龍. 舊水泥混凝土路面共振碎石化效果研究[J]. 中國公路學報， 2008， 21（5）： 2632.

[2]凌建明. 水泥路面共振碎石化加鋪技術研究與應用[R]. 上海： 同濟大學， 2007.

[3]JTG D40—2011公路水泥混凝土路面設計規范[S].

[4]張娟霞. 混凝土結構破壞機理的數值試驗研究[D]. 沈陽： 東北大學， 2006.

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

（編輯于杰）