新旧混凝土界面粘结强度计算

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1、新旧混凝土界面粘结强度的计算曾涛刘智堃彭涛（江西省萍乡市公路勘察设计院，江西萍乡337000）摘要：采用有限元方法，运用有限元软件ANSYS，建立数值分析模型，模拟新旧混凝土在标准轴条件下的受力状态，计算出新旧混凝土界面的粘结强度，为修补区混凝土开放交通提供控制参数。关键词：道路工程；路面修补;界面粘结力；有限元；计算0前言混凝土的小面机修补是将混凝土路面板破碎部分清除后，以新混凝土填补。由于混凝土不是一起成型，且材料不同，新填补的混凝土与旧混凝土间的结合面会成为修补后混凝土路面的薄弱点，如果粘结力不够，很容易引起新的破坏。因此用于路面局部修补的混凝土，新－旧混凝土的粘结能

2、力是一项重要指标，其混凝土必须要良好。基于此，本文采用有限元方法，建立数值分析模型，模拟新旧混凝土在标准轴条件下的受力状态，计算出新旧混凝土界面的粘结强度，为修补区混凝土开放交通提供控制参数。引起破坏的因素有多种，包括温度应力、干缩应力、汽车通过时对于混凝土的水平推力、车载作用下在粘结界面下表面产生的拉应力以及车辆行驶到界面边缘时产生的剪切应力等。其中温度应力、干缩应力、水平推力一般认为较小；由于路面需要修补的面层下还有两层弹性垫层（见表1），面层的竖向变形较小，因而剪切应力也较小。上述几种应力在本次计算中未加考虑，而主要是计算车载作用下产生的拉应力，这也与本次粘结力试验所

3、得应力形式更接近。1计算准备及软件介绍目前，在工程领域应用最广泛的数值模拟方法是有限元分析法，有限元计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据和有效手段。将实体的对象分割成不同大小、种类、小区域称为有限元。而有限元分析法是根据不同领域的需求推导出每一个元素的作用力方程，组合整个系统的元素并构成系统方程组，最后将系统方程组求解。有限元分析法必须结合其它软件才能解决设计问题，在众多的有限元软件中，ANSYS是一有着广泛用户的大型、通用的软件系统。ANSYS是基于工程学的理论以及许多数值分析的理论及技术的，在工程上应用相当广泛，可以解决机械、电机、土木、电子及航空等领域的

4、大部分工程问题。软件以使用者为导向，易于定义问题，拥有有效的解题技术以及完整且高度技巧的图形表示能力。其操作系统为交互式操作菜单环境，极大地简化了分析过程的操作性，使设计分析更加直观和可视化。软件包含了前置处理、解决程序和后置处理。1.1前置处理包括：建立有限元模型所需输入的资料，如节点、坐标资料、元素内节点排列次序；材料特性；元素切割的产生；边界条件；负载条件。1．2解题程序包括：元素刚度矩阵计算[K]；系统外力向量的组合{F}；线性代数方程[K]{U}＝{F}的求解；通过资料反算法求应力、应变、反作用力等。1．3后置处理将解题部分分析所得的解答，如位移、应力、反力等资料

5、，通过图形接口以各种不同表示方式把等位移图、等应力图等显示出来。2计算过程及结果分析2.1模型建立根据实际路基、路面构造，本文取面层、基层及垫层共三层作为计算对象，材料相关参数见表1，其中新、旧混凝土弹性模量为试验所得,泊松比为普通混凝土常用取值；基层和垫层弹性模量和泊松比按相关文献选取。表1计算用材料相关参数材料厚度/cm弹性模量/GPa泊松比面层新混凝土2423.20.15旧混凝土24300.15基层1520.90.25垫层200.150.252.2单元的选取采用三维实体单元模型进行分析，采用solid45单元，solid45单元用于构造三维实体结构。单元通过8个节点来

6、定义,每个节点有3个沿着x、y、z方向平移的自由度。2.3边界条件由于只考虑公路路基对公路的竖向支撑，且不考虑路基的弹性变形，因此可以假设垫层只受竖向约束；不考虑各层之间的滑移，在面层纵向约束水平位移；2.4荷载条件根据《城市公路设计荷载标准》（CJJ77-98），采用车道荷载：均布荷载集度取为5KN/m2，集中力取300KN，均布力作用在模型中央3m宽度范围内，集中力作用在粘结面顶部中点处（如图1、图4所示），使得粘结面底部拉应力最大；2.5粘结面底部拉应力计算计算考虑了两种情况情况一：修补面积为1×1m，平面示意图（X轴为行车方向）及空间计算模型如图1(长度单位:mm)

7、和图2所示：图1新老混凝土组合及尺寸图图2有限元计算模型计算结果表明：集中力作用的粘结面底部拉应力最大，达到0.6MPa，旧混凝土在荷载作用下应力分布云图的如图3所示：图3应力分布云图情况二：修补面积为1×2m，平面示意图（X轴为行车方向）及空间计算模型如图4(长度单位:mm)及5图所示：图4新老混凝土组合及尺寸图图5有限元计算模型计算结果表明：集中力作用的粘结面底部拉应力最大，达到0.58MPa，旧混凝土在荷载作用下的应力分布云图如6所示：图6应力分布云图2.6粘结力要求的确定由公路荷载组合规范知，汽车活载组合系