基于Abaqus的人行道磚應力分布研究

【摘要】針對近年來人行道地磚出現大量病害這一問題，基于Abaqus對人行道地磚受力進行研究，進而討論地磚破壞的原因。首先通過實驗測得常見人行道磚的彈性模量等參數，然后通過Abaqus數值模擬得到人行道磚的應力分布。對人行道地磚的設計優化有重要意義。

【關鍵詞】地磚；破壞；統計；應力分布

1、引言

人行道地磚被廣泛應用于城市道路改造中，近年來城市人行道地磚出現大量病害，除了施工質量問題，排水不當等原因，人行道被移作他用也是重要原因之一。越來越多的人行道地磚被用作機動車停靠，加劇了人行道破壞。文中采用統計、實驗與數值模擬相結合的方法對人行道地磚破壞的原因進行了分析研究。首先去城市人行道調研，收集整理人行道地磚的破壞情況。然后，通過查閱規范了解人行道地磚的要求，并采購地磚樣本進行實驗采集人行道地磚強度。最后，通過Abaqus軟件模擬不同種類地磚受力，得到應力分布與位移分布，分析地磚破壞原因。

2、人行道地磚破壞情況統計

在蘭州市城關區、安寧區、西固區進行人行道地磚病害樣本收集（主要為正方形光面磚與矩形透水磚）。對收集到的樣本進行分類整理，從磚體形狀，磚體類型，磚體斷裂位置方面進行統計，得到樣本病害普遍結論。

磚體形狀主要分為：正方形（250*250*50），矩形（115*230*60與100*200*60） 單位：mm

磚體類型分為：混凝土光面磚，透水磚

磚體斷裂位置分為：中心位置，邊緣位置，四角位置，整體破壞

通過統計得到：

3、實驗數據

4、數值模擬

4.1模型的簡化

1.汽車輪胎與地面接觸面常簡化成圓形或矩形垂直均布接觸模型。圓形圖示簡單，多在力學解計算時使用；矩形模擬較符合實際，且圖示較為簡單，便于在力學數值求解時使用。當汽車處于停駐狀態時，僅考慮豎向接觸應力，本研究中選擇矩形垂直均布接觸模型。輪印面積按式（1）計算

（1）

式中：A為輪印面積；P為一個車輪上的荷載；p為輪胎壓力，kPa

常見的家用型車滿載時的總重取2000㎏，因汽車靜止時前后軸荷是平衡的，故一個車輪上的荷載為5000N；標準氣壓是240-280kPa，因單位壓強p與輪胎內壓大致相等，為簡化計算，取250kPa，故輪印面積為 。緊湊型車的輪胎寬度大概在195㎜-225㎜之間，接地面矩形寬度取200㎜，故矩形長度為100㎜。

2.由于地磚之間均用水泥砂漿砌好，地磚的位移轉角可忽略不計，可將邊界條件簡化為面固支。

4.2有限元計算參數

從表3中，從數值模擬結果可得，人行道磚在車輛荷載和人群荷載作用下，應力和應變存在極大差異，當車輛停駐在人行道上，通過車輪作用在人行道磚上的荷載更易造成人行道磚破壞。因為相比于人群荷載，車輛荷載對人行道磚的作用效果明顯得多：車輛荷載作用下人行道磚產生的最大位移約是人群荷載作用的150倍；對于尺寸為230*115*60的人行道磚，在車輛荷載作用下，磚體產生的最大應力是人群荷載的97倍，尺寸為200*100*60的人行道磚為143倍，尺寸為250*250*50的人行道磚為54倍。故長期作用下，對于人行道磚的使用性能會產生不利的影響。另外，人行道磚可能自身存在孔洞等缺陷，在車輛荷載作用下，磚體更容易發生破壞。

對于人行道磚易破壞位置分析，正方形光面磚應力最大位置位于四邊中點位置，最大應力為0.431Mpa，所以四邊中間位置附近易發生破壞，隨后裂紋擴展導致邊角斷裂。應變最大處位于底面中心，考慮到彈性地基對地磚的作用，其最大位移處也為應力較大處，所以也有可能從中間斷裂。長方形透水磚應力最大處位于長邊中點位置，尺寸為230*115*60的人行道磚最大應力為0.828MPa，200*100*60人行道磚為1.306Mpa，因此長方形人行道磚易在長邊中點附近發生破壞，最后從中間斷為兩截。其最大位移相比于正方形人行道磚磚要小很多，所以長方形磚主要是從長邊中點開始破壞最后整體從中間斷開。

5、結論

本文按照人行道地磚鋪裝原則，設計并完成了人行道地磚強度實驗，發現正方形光面磚多破壞于邊角斷裂與中心斷裂，長方形透水磚多破壞于中間斷裂。為了更深入研究這一現象，在Abaqus中進行了數值模擬，發現破壞位置為應力最大處相對應。解釋了常見正方形與長方形人行道磚破壞的現象。證實了人行道地磚用于機動車輛的停靠，會影響人行道磚的使用。但導致人行道磚破壞的直接原因和如何設計人行道地磚使得它能承受更多荷載，有待進一步開展理論和實驗研究。

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