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場(chǎng)道加鋪utw罩面的結(jié)構(gòu)特性研究畢業(yè)論文(參考版)

2025-06-25 17:49本頁面
  

【正文】 圖429機(jī)輪作用位置節(jié)點(diǎn)橫向位移、應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程曲線 圖430機(jī)輪作用位置節(jié)點(diǎn)水平位移、應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程曲線 圖431機(jī)輪作用位置節(jié)點(diǎn)水平剪、剪應(yīng)。圖428 機(jī)輪作用位置節(jié)點(diǎn)豎向位移、應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程曲線機(jī)輪恰好經(jīng)過的位置各結(jié)構(gòu)層節(jié)點(diǎn)的豎向位移及應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)最大,而相鄰前后的其它時(shí)間緩慢減小,均呈現(xiàn)“彎沉盆”現(xiàn)象。水平及橫向響應(yīng)亦是拉壓交變,罩面與舊道面變形較一致;而地基及基層應(yīng)變?nèi)匀惠^明顯地體現(xiàn)了模量的影響。板中(c)附近位置各節(jié)點(diǎn)的位移及應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程曲線如圖425至圖427所示。圖423 板邊位置節(jié)點(diǎn)豎向位移、應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程曲線圖424 板邊位置節(jié)點(diǎn)水平位移、剪應(yīng)力、剪應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程曲線 當(dāng)機(jī)輪靠近板邊位置時(shí),節(jié)點(diǎn)受到水平剪應(yīng)力的影響而表現(xiàn)剪應(yīng)變,如圖424所示。與板角位置節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變相應(yīng)規(guī)律相同,板邊(b)附近位置節(jié)點(diǎn)的水平及橫向響應(yīng)狀態(tài)較復(fù)雜,呈現(xiàn)拉壓交變的狀態(tài),說明荷載作用下道面板的荷載傳遞、擴(kuò)散作用明顯,下一時(shí)刻荷載作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不容忽視。圖420 板角位置節(jié)點(diǎn)豎向位移、應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程曲線圖421板角位置節(jié)點(diǎn)橫向位移、應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程曲線圖422板角位置節(jié)點(diǎn)水平位移、應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程曲線由節(jié)點(diǎn)的水平及橫向應(yīng)力應(yīng)變時(shí)程曲線圖,可以發(fā)現(xiàn)板角位置處節(jié)點(diǎn)水平及橫向受荷載的影響很不規(guī)律,在整個(gè)動(dòng)載過程中基本上處于拉壓交變的狀態(tài),且受壓(負(fù))影響大于受拉(正)影響;板角位置節(jié)點(diǎn)的豎向應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)較其它方向的響應(yīng)更為明顯,其中應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)砸越蛔兊姆绞匠尸F(xiàn)。圖419 理想荷載情況節(jié)點(diǎn)位置示意圖選取與上述實(shí)際工作情況相同位置的縱向節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位移及應(yīng)力應(yīng)變時(shí)程響應(yīng)分析,將其分別作為板角(a)、板邊(b)響應(yīng);同時(shí),為了明確板中位置及此荷載狀態(tài)下的機(jī)輪碾壓作用位置節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)情況,選取圖419中c點(diǎn)和d點(diǎn)位置處縱向各結(jié)構(gòu)層代表節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。 復(fù)合結(jié)構(gòu)在理想狀態(tài)下的性能響應(yīng)模擬分析通過以上實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果分析,為了表征UTW罩面復(fù)合結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化工作狀態(tài),假定在罩面與舊道面間粘結(jié)狀態(tài)良好的條件下,將飛機(jī)外荷載等效簡(jiǎn)化。沿飛機(jī)滑行方向(沿x 正向) 的豎向位移、應(yīng)力、應(yīng)變時(shí)程響應(yīng)規(guī)律可以看出,動(dòng)載引起道面結(jié)構(gòu)的彎沉盆效應(yīng),且該彎沉盆形狀大致呈半圓形。同時(shí),機(jī)輪荷載經(jīng)過時(shí),節(jié)點(diǎn)的縱向應(yīng)變響應(yīng)明顯,應(yīng)變值達(dá)到最大其主要產(chǎn)生縱向壓應(yīng)變,基層與土基層結(jié)合處,節(jié)點(diǎn)的縱向應(yīng)變也相對(duì)較大,;其他結(jié)構(gòu)層和層間結(jié)合處縱向應(yīng)變不明顯。這與以往工程實(shí)驗(yàn)的結(jié)果比較吻合。一般地,復(fù)合結(jié)構(gòu)整體縱向應(yīng)力由上而下逐漸減小,但縱向應(yīng)變卻完全相反,這與各結(jié)構(gòu)層的剛度和彈性模量有關(guān),表現(xiàn)出由上而下彈性模量的遞減性。由此說明,各結(jié)構(gòu)層間荷載的傳遞能力良好,荷載能夠通過上面的結(jié)構(gòu)層很好地?cái)U(kuò)散到下部基層、底基層,從而利用其較大的允許變形能力,降低荷載對(duì)剛度較大、抗拉剪能力較低的上部道面結(jié)構(gòu)的影響,可以更好地協(xié)同工作。從剪應(yīng)力時(shí)程響應(yīng)曲線可以看出,罩面和罩面與舊道面結(jié)合處剪應(yīng)力較大,且隨時(shí)間呈現(xiàn)拉壓轉(zhuǎn)變,說明水平面內(nèi)剪應(yīng)力擴(kuò)散作用明顯:機(jī)輪向節(jié)點(diǎn)正上方靠近時(shí)剪應(yīng)力增大;當(dāng)機(jī)輪恰好經(jīng)過正上方時(shí)剪應(yīng)力達(dá)到最大值,且為拉應(yīng)力;機(jī)輪通過后,隨時(shí)間節(jié)點(diǎn)的剪應(yīng)力逐漸減小,且出現(xiàn)壓剪的轉(zhuǎn)變。因此,實(shí)際工程中采取合理的措施保證結(jié)合界面的工作性能顯得極為重要?;谏鲜瞿M分析結(jié)果,節(jié)點(diǎn)的水平應(yīng)力及橫向應(yīng)力時(shí)程響應(yīng)曲線具有相同的一點(diǎn),就是罩面層表面和罩面與舊道面結(jié)合處節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)程響應(yīng)較明顯;道面底部與基層結(jié)合處響應(yīng)不明顯;其它各節(jié)點(diǎn)的水平、橫向應(yīng)力曲線較為集中,且應(yīng)力值相對(duì)較小。對(duì)比圖412和圖414節(jié)點(diǎn)的橫向及水平應(yīng)力時(shí)程響應(yīng)曲線圖,顯示節(jié)點(diǎn)的水平拉應(yīng)力分布較橫向拉應(yīng)力分布區(qū)域稍大,但最大橫向壓應(yīng)力值比最大水平壓應(yīng)力值大,且最大橫向拉應(yīng)力值也比最大水平拉應(yīng)力值大一些,可以說明交變的水平及橫向應(yīng)力是引起道面破壞的主要因素??傮w上來說,各節(jié)點(diǎn)的水平應(yīng)變時(shí)間歷程變化較明顯,水平拉、壓應(yīng)變交變情況較突出。實(shí)際工程中,不必過于擔(dān)心橫向力的影響,但也不能忽視該因素。與基層和土基層承受的橫向拉應(yīng)力相比,由于上層道面結(jié)構(gòu)剛度較大,在較大的橫向壓應(yīng)力作用下,上層罩面及舊道面發(fā)生的橫向應(yīng)變反而較下層結(jié)構(gòu)(主要包括基層和土基層)的橫向拉應(yīng)變值相對(duì)要小一些。最大的橫向壓應(yīng)力(,負(fù)號(hào)表示與坐標(biāo)軸正方向相反)發(fā)生在道面層上部(圖中最上層淺藍(lán)色標(biāo)識(shí)線代表的罩面結(jié)構(gòu)表面);最大橫向拉應(yīng)力(正號(hào)表示與坐標(biāo)軸正向一致)發(fā)生在基層中部(圖中豎向第五條標(biāo)識(shí)線代表);且最大橫向壓應(yīng)力值要大于最大橫向拉應(yīng)力值,說明復(fù)合結(jié)構(gòu)從上而下受荷載橫向力的作用逐漸降低,橫向作用對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的影響主要由道面層承載。這說明,各結(jié)構(gòu)層在粘結(jié)良好的條件下,能夠很好地協(xié)同變形,共同承受外荷載作用;而水平及橫向應(yīng)變主要由模量相對(duì)較低的土基層承受,這樣,既能保證道面結(jié)構(gòu)不會(huì)隨荷載作用而發(fā)生大變形導(dǎo)致脆性破壞,又能很好地緩沖機(jī)輪對(duì)道面的沖擊作用保證道面結(jié)構(gòu)的承載能力。其中,當(dāng)機(jī)輪在正上方經(jīng)過時(shí)節(jié)點(diǎn)水平位移在模量最低的土基層達(dá)到最大值,102(負(fù)號(hào)表示與機(jī)輪水平作用的方向相反);而橫向位移值亦在土基層達(dá)到最大,102(與橫向坐標(biāo)軸Z方向一致)。 圖49節(jié)點(diǎn)縱向位移響應(yīng)時(shí)程曲線 圖410 節(jié)點(diǎn)水平位移響應(yīng)時(shí)程曲線圖411 節(jié)點(diǎn)橫向位移響應(yīng)時(shí)程曲線由豎向位移時(shí)間歷程曲線可以看出,罩面層上表面節(jié)點(diǎn)18828(節(jié)點(diǎn)號(hào))的豎向位移最大,并隨深度的增加而減小,底層位移為零,其中,負(fù)號(hào)表示與坐標(biāo)軸定義方向相反,位移值大小的比較采用絕對(duì)值大小的比較。選取最不利荷載位置處(本文中下面的圖形,左邊為飛機(jī)后輪作用附近某位置,右邊為前機(jī)輪作用附近某位置),道面模型縱向五個(gè)節(jié)點(diǎn)作為分析對(duì)象,分別對(duì)應(yīng)道面的罩面表面、罩面與舊道面結(jié)合處、舊道面與基層結(jié)合處、基層與土基層結(jié)合處以及土基層內(nèi)部一點(diǎn)。 應(yīng)力應(yīng)變時(shí)程響應(yīng)分析假定界面層與舊道面混凝土粘結(jié)情況良好,各結(jié)構(gòu)層間通過MERGE命令粘結(jié)。這樣,既能減小罩面層的應(yīng)力集中現(xiàn)象防止罩面層板的脆性斷裂,同時(shí),又能充分地發(fā)揮舊道面的剩余承載能力,使復(fù)合結(jié)構(gòu)更好地協(xié)同變形,可以提高道面的整體抵抗能力。這些結(jié)果說明,當(dāng)界面層模量較低時(shí),提高界面層的模量可能很大程度上減小結(jié)構(gòu)應(yīng)力,從而提高道面板抵御外力作用的能力;當(dāng)界面層模量與上下層結(jié)構(gòu)模量相近時(shí),亦即界面粘結(jié)強(qiáng)度較高時(shí),界面模量的變化對(duì)整體性能改善的作用程度有所降低。本課題研究的模擬分析過程中,通過變化界面層的彈性模量,104平均五組模量下得到的荷載作用位置下,其對(duì)比走向圖如圖47和圖48所示。罩面層較薄且自身剛度較高,故一般不將傳力桿和拉桿裝置置入罩面層而是舊道面;本課題研究中,假定道面板間力的橫向傳遞連續(xù),故不設(shè)置傳力桿和拉桿,而通過增加舊道面的彈性模量來表征道面整體承載力的提高。在機(jī)場(chǎng)道面實(shí)際受力狀態(tài)中[37],要根據(jù)場(chǎng)道設(shè)計(jì)使用要求,依據(jù)最大服務(wù)機(jī)型和荷載強(qiáng)度在道面水平面橫向設(shè)置傳力桿和拉桿置入板中,以增強(qiáng)道面水平、橫向荷載傳遞能力,減小局部應(yīng)力集中,降低局壓破壞。圖45 靜載模型豎向應(yīng)力分布云圖 圖46 靜載模型豎向應(yīng)變分布云圖與前一章的室內(nèi)試件靜載實(shí)驗(yàn)相似,由于結(jié)構(gòu)材料自身剛度較大,橫向和水平方向的荷載分散不很明顯,導(dǎo)致在荷載作用位置的應(yīng)力集中現(xiàn)象;而縱向應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)顯示,各結(jié)構(gòu)層間的荷載傳遞效果顯著,從上到下,應(yīng)力、應(yīng)變呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì);同時(shí),在各結(jié)構(gòu)層交接界面處應(yīng)力應(yīng)變變化斜率較結(jié)構(gòu)層內(nèi)部要大一些,這與實(shí)際情況下,各界面處荷載的傳遞的橫向削弱有關(guān)。首先,對(duì)復(fù)合道面模型,在道面板最不利位置處施加相鄰多節(jié)點(diǎn)的均布荷載。 復(fù)合結(jié)構(gòu)有限元分析型圖 有限元模型結(jié)果分析 界面狀態(tài)對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)整體性能的影響分析模型建立后即可對(duì)模型進(jìn)行后處理分析,主要包括通用后處理和時(shí)間歷程后處理分析。為了模擬機(jī)輪移動(dòng)荷載,采用階躍式載荷進(jìn)行加載, s,采用ANSYS 軟件提供的Full法,并用瞬態(tài)SPARSE(稀疏矩陣求解器)求解器進(jìn)行動(dòng)力方程的求解,并打開時(shí)間積分效應(yīng)。邊界條件為:土基底面固定,與底面相垂直的面約束其法向位移。本課題研究中,橫向統(tǒng)一采用500mm500mm的單元網(wǎng)格尺寸,豎向從上到下依次分成4段;鋼筋單元縱向60份,與混凝土完全粘結(jié),這樣,共19800個(gè)單元,其網(wǎng)格劃分后的有限元幾何模型如圖43所示。然而,統(tǒng)一的精細(xì)網(wǎng)格會(huì)導(dǎo)致大量的節(jié)點(diǎn)和元素,這就需要足夠大的計(jì)算能力和時(shí)間;而較粗網(wǎng)格又可能無法提供必要的準(zhǔn)確性。為了使解決方案盡可能準(zhǔn)確,使其有限元分析模型尺寸獲得最佳平衡,幾何模型建立后,需要對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于罩面層較薄,按照傳統(tǒng)的罩面處理方式作業(yè)時(shí),罩面層本身的抗壓承載力不能滿足使用要求,必須依靠下層舊道面的剩余承載能力才不至于由于獨(dú)立承擔(dān)荷載而帶來破壞的危險(xiǎn),這就要求罩面加鋪時(shí)最大程度地提高罩面與舊道面間的粘結(jié)程度,增強(qiáng)荷載傳遞能力,提高復(fù)合結(jié)構(gòu)的協(xié)同變形能力[34]。表 有限元模型材料參數(shù)參數(shù) 罩面層 舊道面層 基層 墊層 天然土基 等效地基層彈性模量E/ 104 104 103 220 150 200泊松比 密度 2415 2415 2375 2100 1840 1892粘聚力C/ —— —— —— 10內(nèi)摩擦角θ(176。參考已有的相關(guān)研究的基礎(chǔ)參數(shù),確定本研究相關(guān)的模型參數(shù)。其中[35],SOLID65是在SOLID45的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,是專為混凝土、巖石等抗壓能力遠(yuǎn)大于抗拉能力的非均勻材料開發(fā)的單元。B747400是在大型客機(jī),其機(jī)輪布置比較特殊,屬四軸雙輪,其臨界荷位情況較為復(fù)雜,主起落架構(gòu)形如圖42所示:圖42 B747主起落架構(gòu)型及荷位布置研究中,采用圖52所示的板角荷位布置機(jī)輪荷載,研究道面結(jié)構(gòu)在此種不利荷位靜荷載作用下的狀態(tài)響應(yīng);另外,將該荷位作為動(dòng)荷載作用的起始狀態(tài),進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載模擬道面的動(dòng)態(tài)性能響應(yīng)情況。根據(jù)規(guī)范,當(dāng)主起落架為單輪、雙輪或雙軸雙輪時(shí),其臨界荷位的機(jī)輪布置如圖41所示[33]。最大荷載應(yīng)力的臨界荷位在板的縱縫或橫縫的邊緣中部,主要取決于板的接縫傳荷能力和飛機(jī)主起落架構(gòu)型。這里,為了簡(jiǎn)化計(jì)算將機(jī)輪荷載作用等效簡(jiǎn)化為作用在表層結(jié)構(gòu)單元面積上的均布荷載,模型網(wǎng)格劃分后單元表面面積為:。單輪的輪印通常呈橢圓形,[32]。研究中,將上述飛機(jī)荷載強(qiáng)度計(jì)算數(shù)據(jù),帶入公式()得:,取。本課題研究采用設(shè)計(jì)機(jī)型為B747400型飛機(jī),其最大起飛重量為3781KN,雙輪雙軸,主輪間距,CBR=,全面通過系數(shù)C取5368次。為了更準(zhǔn)確地反映這種動(dòng)力荷載的特性,以飛機(jī)靜力荷載為基準(zhǔn)定義動(dòng)力荷載系數(shù)如下: () 為比較不同機(jī)型對(duì)道面相對(duì)作用的大小,可以按照一定的規(guī)則換算成當(dāng)量單輪荷載(ESWL),在一定道面體系的指定位置上,單輪荷載產(chǎn)生預(yù)選參量的量應(yīng)力、應(yīng)變、位移或損壞與多輪荷載在道面結(jié)構(gòu)之內(nèi)同樣位置產(chǎn)生相等的量。在設(shè)計(jì)使用的飛機(jī)中,以運(yùn)行次數(shù)最多和主輪軸荷載較大的機(jī)型作為設(shè)計(jì)機(jī)型,飛機(jī)主輪軸上每個(gè)車輪傳遞荷載的大小為[30]: ()式中:G—設(shè)計(jì)機(jī)型的最大起飛重力,KN;KZ—主輪軸荷載分配系數(shù);—?jiǎng)虞d系數(shù);M—主輪軸個(gè)數(shù);N—單個(gè)主輪軸上的輪數(shù)。在進(jìn)行道面設(shè)計(jì)時(shí),需要知道主輪軸上每個(gè)車輪傳遞荷載的大小。在此階段,用戶可以定義分析類型、分析選項(xiàng)、荷載步數(shù)和荷載步選項(xiàng);當(dāng)完成計(jì)算以后,可以通過后處理查看結(jié)果,主要包括兩部分:通用后處理模塊(POST1)和時(shí)間歷程后處理模塊(POST26)。查看分析結(jié)果而在有限元的分析過程中,程序往往按照以下三部分模塊進(jìn)行[26]:前處理模塊(PREP7)、分析求解模塊(SOLUTION)和后處理模塊(POST1和POST26)。創(chuàng)建有限元模型有限元模型的節(jié)點(diǎn)系運(yùn)動(dòng)方程與框架結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程在形式上完全相同,兩種方法的不同之處僅在于單元?jiǎng)偠染仃嚭唾|(zhì)量矩陣的形成上。(5)形成總體結(jié)構(gòu)有限元模型的運(yùn)動(dòng)方程 ()其中:為單元節(jié)點(diǎn)系位移向量。 ()(4)將總體坐標(biāo)系下的單元?jiǎng)偠染仃?、質(zhì)量矩陣和外力向量進(jìn)行總裝,集成結(jié)構(gòu)體系的總體剛度矩陣、質(zhì)量矩陣和外力荷載向量。有限元模型中,不同單元之間的連接點(diǎn)成為有限元的節(jié)點(diǎn),不同單元通過節(jié)點(diǎn)連接。因此,從實(shí)質(zhì)上講,有限元法是變分直接法或加權(quán)殘值法中的一種特殊形式。這樣,整個(gè)連續(xù)體結(jié)構(gòu)的位移曲線就可以由這些廣義坐標(biāo)和插值函數(shù)表示出來,再由變分原理直接法或伽遼金法就可以列出節(jié)點(diǎn)位移為廣義坐標(biāo)的離散體結(jié)果的有限運(yùn)動(dòng)方程。 有限元離散化有限元法是一種離散化的數(shù)值方法,認(rèn)為地將連續(xù)體結(jié)構(gòu)劃分為有限單元,規(guī)定每個(gè)單元所共有的一組變形形式,稱之為單元位移模式或插值函數(shù)。最后再在每個(gè)單元上使用節(jié)點(diǎn)廣義位移插值就可以求得各種欲求的物理量,如位移、應(yīng)力、應(yīng)變等。由于能按不同的連接方式進(jìn)行組合,,單元本身又可以有不同形狀,因此可以模擬化各種幾何形狀復(fù)雜的求解域。 有限元分析的基本原理有限元法是將連續(xù)體離散化的一種近似方法,其理論基礎(chǔ)是變分原理、連續(xù)體剖分與分片插值[27]。通過它,可以讓我們知道結(jié)構(gòu)系
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