CN105975653B - 一种水泥混凝土路面灌浆材料水损害仿真分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水泥混凝土路面灌浆材料水损害仿真分析方法，包括以下步骤：1)建立水泥混凝土路面结构与底板脱空区域的有限元模型；2)对步骤1)建立的有限元模型进行约束，然后再采用自由划分网络的方式对该有限元模型进行网格划分，得若干网格；3)选择流体类型及约束类型，再采用动网格划分形式对网格进行划分，得有限元模型中水的形状；4)将有限元模型中水的形状进行均分，并将各均分点设置为观测点；5)获取在行车荷载冲击下各观测点的水压力信息，得动水压力参数，然后再根据动水压力参数选择冲击刷试验的动水压力，然后根据选择出来的冲击刷试验的动水压力预测灌浆材料的寿命。本发明能够获取灌浆材料的寿命。
Description
技术领域
本发明属于水泥混凝土路面仿真分析领域，涉及一种水泥混凝土路面灌浆材料水损害仿真分析方法。
背景技术
水泥混凝土路面是指以水泥混凝土做面层的路面。水泥混凝土路面由于其具有强度高、使用寿命长、耐久性好、能源消耗少、对交通等级和环境适应性强，价格低廉等特点，已经成为我国两大路面结构之一。
然而，随着水泥混凝土路面里程的不断增长，部分水泥混凝土路面在没有达到其使用年限就出现了不同程度的损坏，板底脱空就是其中的一种破坏形式。当水泥混凝土路面发生板底脱空时，板角或板边的应力和弯沉会远大于板底不脱空时，进而造成路面板的疲劳开裂、错台、唧泥等病害。目前，灌浆是目前治理水泥混凝土路面板底脱空最常用的方法。然而，采用这种方法处治好的板底脱空区域耐久性差，经常在灌浆后2～3年即再次出现脱空现象，究其原因主要是在车辆荷载和水作用下，灌浆材料不停地受动水压力的冲刷。如果灌浆材料抗冲刷性能不足，则灌浆材料会逐渐被冲刷而造成质量损失。
目前，国内外尚没有对水泥混凝土路面脱空区域灌浆材料水损害问题提出一种有效的分析方法，故不能预估灌浆材料的寿命，也不能对于灌浆材料的抗冲刷性能进行优化。
因此，道路工作者迫切需要一种灌浆材料水损害分析方法，以获得 行车荷载和水作用下产生的动水压力大小，从而可以获取灌浆材料的寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种水泥混凝土路面灌浆材料水损害仿真分析方法，该方法能够获取灌浆材料的寿命。
为达到上述目的，本发明所述的水泥混凝土路面灌浆材料水损害仿真分析方法包括以下步骤：
1)建立水泥混凝土路面结构与底板脱空区域的有限元模型；
2)对步骤1)建立的有限元模型的底部采用全约束，对有限元模型的四个侧面采用法向移动约束，然后再采用自由划分网络的方式对该有限元模型进行网格划分，得若干网格；
3)选择流体类型及约束类型，所述流体类型选择为水，再采用动网格划分形式对网格进行划分，得有限元模型中水的形状；
4)将有限元模型中水的形状进行均分，并将各均分点设置为观测点；
5)获取底板脱空区域中的水在行车荷载冲击下各观测点的水压力信息，再根据行车荷载冲击下各观测点的水压信息得动水压力参数，然后再根据动水压力参数选择冲击刷试验的动水压力，然后根据选择出来的冲击刷试验的动水压力预测灌浆材料的寿命。
步骤1)的具体操作为：绘制水泥混凝土路面结构及板底脱空区域，然后建立水泥混凝土路面结构及板底脱空区域的有限元模型。
水泥混凝土路面结构包括面层、脱空区域、基层、底基层及土基。
约束类型为自由无约束。
各网格的长度、宽度及高度均为5mm。
观测点的数目为31个。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的水泥混凝土路面灌浆材料水损害仿真分析方法在具体操作时，先建立水泥混凝土路面结构与底板脱空区域的有限元模型，然后对所述有限元模型进行约束，在进行网格划分，再选择流体的类型，获取有限元模型中水的形状，然后再设置观测点，获取行车荷载冲击下各观测点的水压信息，然后再根据各观测点的水压信息获得动水压力参数，通过动水压力参数为浆材料抗冲刷实验动水压力的选择提供依据，从而通过选择出来的冲击刷试验的动水压力预测灌浆材料的寿命，操作简单、实用。
附图说明
图1为本发明中水泥混凝土路面结构与底板脱空区域的有限元模型的结构示意图；
图2为本发明中水泥混凝土路面结构与底板脱空区域的有限元模型的侧视图；
图3为本发明中灌浆材料脱空裂缝的放大图；
图4为本发明中灌浆材料脱空裂缝形状图；
图5为本发明中水泥混凝土路面结构与底板脱空区域的有限元模型的坐标轴示意图；
图6为本发明中水流压强、流速观测点的位置示意图；
图7为本发明中荷载布置的整体图；
图8为本发明中行车荷载的时间历程曲线图；
图9为本发明中观测点10的压强时程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明所述的水泥混凝土路面灌浆材料水损害仿真分析方法包括以下步骤：
1)建立水泥混凝土路面结构与底板脱空区域的有限元模型；
2)对步骤1)建立的有限元模型的底部采用全约束，对有限元模型的四个侧面采用法向移动约束，然后再采用自由划分网络的方式对该有限元模型进行网格划分，得若干网格；
3)选择流体类型及约束类型，所述流体类型选择为水，再采用动网格划分形式对网格进行划分，得有限元模型中水的形状；
4)将有限元模型中水的形状进行均分，并将各均分点设置为观测点；
5)获取底板脱空区域中的水在行车荷载冲击下各观测点的水压力信息，再根据行车荷载冲击下各观测点的水压信息得动水压力参数，然后再根据动水压力参数选择冲击刷试验的动水压力，然后根据选择出来的冲击刷试验的动水压力预测灌浆材料的寿命。
步骤1)的具体操作为：绘制水泥混凝土路面结构及板底脱空区域，然后建立水泥混凝土路面结构及板底脱空区域的有限元模型。
水泥混凝土路面结构包括面层、脱空区域、基层、底基层及土基。
约束类型为自由无约束。
各网格的长度、宽度及高度均为5mm。
观测点的数目为31个。
实施例一
一、建立水泥混凝土路面结构及板底脱空区域的有限元模型：
(1)绘制路面结构和板底脱空区域
路面结构根据水泥板的受力建立水泥混凝土路面的面层、基层、底基层和土基，如附图1、附图2所示；建立灌浆材料脱空裂缝的三维几何模型，形状如附图3及图4所示，具体路面结构层尺寸和各层材料属性如表1所示；灌浆材料脱空裂缝处尺寸高度、宽度及长度都为5mm。
表1
(2)对模型施加边界条件约束和网格划分并创建分析步：
有限元模型的底部采用全约束，有限元模型的四侧面采用对法向位移进行约束。而灌浆材料填充处，由于车辆荷载的对称性，设定灌浆材料填充处的侧面为对称约束作用，在车辆行驶方向上限制x方向上的位移和y轴、z轴的转动，垂直车辆行驶方向上限制z方向上的位移和x轴、y轴的转动；道路结构部分为自由边界；有限元模型坐标轴如附图5，采用自由划分网格方式对该网格进行网格划分，分析步设置为0.002s。
(3)创建流体物质并进行边界条件设置和网格划分：
在ANSYS CFX-Pre创建一个新的模拟，命名为Fluid；流体类别选择water，温度25℃，密度1000kg/m3；高度、宽度及长度都为5mm；约束类型选择自由无约束；采用动网格划分形式进行网格划分。
(4)观测点设置
将模型中流体形状按长方体边长均分，设置脱空区横向、纵向共计31个观测点来研究水流压强纵横向变化规律，观测点坐标取值如表2所示，观测点位置如附图6所示：
表2
(5)创建流固耦合分析并提交处理器
该流固耦合分析的创建包括瞬态分析和结构分析两部分：
瞬态分析是在路面结构划分网格的基础上，在路面表面施加荷载。荷载布置在水泥混凝土路面板破坏最严重的板角区域，荷载布置的整体附图和俯视附图如附图7、附图8；车辆荷载为简化的冲击荷载，荷载作用一次的时间和大小如表3所示；采用荷载作用三次进行计算分析；行车荷载的的时间历程曲线如附图9；行车速度设置为120km/h，分析步为0.0002s。
表3
| 作用次数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 时间(s) | 0 | 0.01 | 0.02 | 0.03 | 0.04 | 0.05 | 0.06 |
| 荷载大小(KN) | 0 | 35 | 0 | 35 | 0 | 35 | 0 |
结构分析是将行车荷载的作用上传ANSYS CFX中，行车荷载作用下产生的动水压力施加路面结构内部，同时由于脱空区域内部采用全约束而对水压力存在约束作用。然后进入前处理器，指定新的分析类型为瞬态分析，路径为Main Menu|Preference|Strutural；将瞬态分析中的行车荷载施加到水上获得各点水的流速和压强，操作路径为Main Menu|Solution|Define Loads|Apply|Structural|Temperature|From ThermAnaly，单击对话框中的Browse 按钮，选择前面瞬态分析的结果文件，作为结构分析的载荷加到水体的各个节点上。
二、获得板底脱空中的水在行车荷载冲击下各点水压强大小及分布。
运行上述模型，通过ANSYS软件中MFX Multifield solver处理后，得到各个观测点的压强时程曲线。例如，选取观测点10，获得点10的压强时程图，从中选择最大值；选取观测点号为5、6、7、8、9、10这六个点，通过数据的整理，得到了各个点的压强最大值变化，进一步可以得到31个点的压强最大值。
三、获得动水压力参数，为抗冲刷实验的动水压力选择提供依据。
根据第二步获得的压强值，选择其中压强最大值51.5KPa为冲刷实验的动水压力参数。在测试灌浆材料抗冲刷性能试验中，动水压力应该控制在51.5KPa以上，从而能够较好的模拟灌浆材料在行车荷载作用下所受到的实际动水压力，为灌浆材料抗冲刷实验动水压力参数的选取提供依据。
Claims (5)
1.一种水泥混凝土路面灌浆材料水损害仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立水泥混凝土路面结构与底板脱空区域的有限元模型；
2)对步骤1)建立的有限元模型的底部采用全约束，对有限元模型的四个侧面采用法向移动约束，然后再采用自由划分网络的方式对该有限元模型进行网格划分，得若干网格；
3)选择流体类型及约束类型，其中，所述流体类型选择为水，再采用动网格划分形式对网格进行划分，得有限元模型中水的形状；
4)将有限元模型中水的形状进行均分，并将各均分点设置为观测点；
5)获取底板脱空区域中的水在行车荷载冲击下各观测点的水压力信息，再根据行车荷载冲击下各观测点的水压信息得动水压力参数，然后再根据动水压力参数选择冲击刷试验的动水压力，然后根据选择出来的冲击刷试验的动水压力预测灌浆材料的寿命。
2.根据权利要求1所述的水泥混凝土路面灌浆材料水损害仿真分析方法，其特征在于，步骤1)的具体操作为：绘制水泥混凝土路面结构及板底脱空区域，然后建立水泥混凝土路面结构及板底脱空区域的有限元模型。
3.根据权利要求2所述的水泥混凝土路面灌浆材料水损害仿真分析方法，其特征在于，水泥混凝土路面结构包括面层、脱空区域、基层、底基层及土基。
4.根据权利要求1所述的水泥混凝土路面灌浆材料水损害仿真分析方法，其特征在于，各网格的长度、宽度及高度均为5mm。
5.根据权利要求1所述的水泥混凝土路面灌浆材料水损害仿真分析方法，其特征在于，观测点的数目为31个。
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