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1、湘潭大学 硕士学位论文 水泥混凝土路面板脱空的理论研究及工程应用 姓名：童宏贻 申请学位级别：硕士 专业：结构工程 指导教师：尹久仁 20080524 I 摘 要 板下脱空是造成水泥混凝土路面大规模路况严重恶化的主要原因。造成路面板脱空 的原因很多，其中最主要的包括行车荷载尤其是重载作用和温度荷载，两种荷载共同作 用加快了路面板的脱空，疲劳寿命大大减少。 本文一方面从力学角度出发，推导了脱空路面板结构在不同脱空尺寸下路面板最大 弯沉值计算公式，利用最大应力计算公式推导行车荷载和温度荷载共同作用下脱空路面 板疲劳寿命计算公式并建立了脱空尺寸与极限承载力之间的回归方程式；另一方面建立 了脱空路面板
2、 ANSYS 数值模型， 分析了影响脱空路面最大弯沉值的影响因素， 将 ANSYS 计算值与推导的最大弯沉值理论计算值和试验结果相比较，验证了理论公式的合理性。 本文主要研究内容如下 1将脱空路面板简化为悬臂变截面梁，推导板角最大挠度计算公式； 2通过最大弯拉应力的求解，推导了行车荷载和温度荷载共同作用下疲劳寿命计算 公式，拟合了脱空尺寸与极限承载力之间的回归公式，并提出考虑脱空尺寸和极限承载 力的设计方法； 3建立了脱空路面板 ANSYS 有限元数值模型，分析影响脱空路面板最大弯沉值的 影响因素，与理论结果和试验结果比较。 本文最后总结了本人在有关路面板脱空理论方面所得出的结论及其发展趋势。
3、 关键词：水泥混凝土路面；脱空尺寸；超载；重载；弯沉值；有限元分析；极限承载力；疲劳 寿命；影响因素 II ABSTRACT Hollow beneath the road slab was the main reason which caused cements concrete slabs largely damaged. There were many reasons which caused hollow below the slabs, the main reasons includes vehicle load and temperature load, these two loa
4、ds coactions quicken the hollow of slabs, fatigue life largely decreased. On one hand, in this paper the mechanical analysis method was used, the calculate equation of the maximum flexure value of hollow slab was deduced when it was in different dimension, the calculate equation of the fatigue life
5、of hollow slab was also deduced when the vehicle load and temperature load coactions, which the equation of the maximum stress was known, then regression equation about the hollow dimension and limit bearing capacity was established; On the other hand, the ANSYS finite element numerical model of hol
6、low slab was established, influencing factors which influenced the maximum flexure value of hollow slab were analyzed, then ANSYS value, theoretical value and test value about the maximum flexure were compared, proved that the theoretical equation was rational. In this paper the main research conten
7、t to be as follows 1. The hollow cement concrete slab was simplified as cross-section projecting beam, deduced the maximum deflection calculate equation of the corner of slab; 2. Through the solving of the maximum flexural-tensile stress, equation of the fatigue life was deduced which the vehicle lo
8、ad and temperature load coactions, regression equation about the hollow dimension and limit bearing capacity was fitted, and then a design method which hollow dimension and limit bearing capacity were considered was presented; 3. The ANSYS finite element numerical model of hollow slab was establishe
9、d, influencing factors which influenced the maximum flexure value of hollow slab were analyzed, the ANSYS value, theoretical value and test value about the maximum flexure were compared. In the end, some conclusions about theories of hollow road slab and the trend of development about hollow road sl
10、ab were generalized. Keywords：Cement concrete road slab; hollow dimension; over load; heavy load; flexure value; finite element analysis; limit bearing capacity; fatigue life; influencing factor 湘潭大学湘潭大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。 除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发
11、表 或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、 使用学位论文的规定， 同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权湘 潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 湘潭大学硕士学
12、位论文 1 第一章 绪论 1.1 国内外水泥混凝土路面发展概况 1824 年硅酸盐水泥发明问世，土木工程领域发生了革命性的变化。随着混凝土材料 及其应用技术的不断发展，混凝土逐渐成为现代土木工程中不可缺少的、用量最大、用 途最广的一种建筑材料。十九世纪七十年代，水泥混凝土路面试用于道路工程；二十世 纪初，世界各国开始将水泥混凝土路面作为一种路面形式加以推广；在二十世纪五十年 代以后，随着世界工业、技术、经济的迅速发展和高速公路的修建，水泥混凝土路面作 为高等级公路的一种主要路面形式得以快速发展 1 。 随着全球经济的发展，交通量迅速增长，世界各国越来越重视高等级公路的建设。 其中水泥混凝土路面
13、是高等级公路路面结构的主要类型之一，在西方高等级公路中，占 有较高比例。例如，在美国的高速公路网中占 51%，前东德高达 90%之多 2 。 水泥混凝土路面是一种刚度大(因此也成为刚性路面)， 扩散荷载能力强， 稳定性好的 路面结构。世界各国对水泥混凝土路面的修筑技术一直在进行研究和总结，使得技术上 日臻完善，经济上显示优势。 我国水泥混凝土路面发展比较缓慢。50 年代，由于国家建设资金有限，水泥短缺， 在公路上修建水泥混凝土路面的数量很少。1970 年底，全国公路仅有水泥混凝土路面 200km，占高级、次高级路面里程的0.9%。70年代，浙江、广东、江苏等省在沥青供应 不足等条件下，开始较多
14、地修建水泥混凝土路面。与此同时，一些单位较为系统地开展 了水泥混凝土路面技术的研究。到80年代，随着修筑里程的增长，实践经验的积累，科 学研究的深入，水泥混凝土路面修筑技术逐步改进，质量不断提高；加之水泥混凝土路 面实用性强，能较好地满足现代化交通的要求，且水泥材料可就近供应，因此，水泥混 凝土路面得到了较快的发展 3 。在国家“七五”重点建设的公路中，如南京杭州二级 公路全长为258km，全部采用水泥混凝土路面；大同运城二级公路连续修筑水泥混凝 土路面长153km，占全长的26%；南京上海二级公路有水泥混凝土路面90km，占全 长的34%；合肥南京一级公路安徽段87km为水泥混凝土路面，占全
15、长的79%；新乡 郑州段一级公路70km和阿城哈尔滨一级公路34km均为水泥混凝土路面。在县道、 乡道上也修建了不少水泥混凝土路面，其中广东省最多。到1997年底，全国各级公路上 水泥混凝土路面里程共有15324km，占高级、次高级路面的5.5%，虽较1970年提高了 4.6个百分点，但仍不能适应我国国民经济和交通运输业发展的需要(见表1.1) 4 。 湘潭大学硕士学位论文 2 表 1.1 全国公路 19601998 水泥混凝土路面所占比重 年份 高级、次高级路面里程(km)水泥混凝土路面里程(km)水泥混凝土路面所占比重(%) 1960 1943 60 3.1 1970 22976 200
16、0.9 1980 157851 1600 1.0 1987 216027 6041 2.8 1988 230781 8264 3.6 1989 244453 9193 3.8 1990 259958 11373 4.4 1991 279155 15324 5.5 1992 301651 21321 7.1 1993 327306 28049 8.5 1994 353142 35549 10.1 1995 386827 46172 11.9 1996 425786 55625 13.2 1997 467490 68740 14.7 1998 509278 83652 16.4 为改变我国公路交通事业的落后状况，适应国民经济发展的需要，交通部对今后公 路建设提出了用几个五年计划的时间，重点建设几条2500030000km，以汽车专用公 路为主的国道主干线。预计2000年全国公路里程达1200000km，19912000年每年需 铺筑高级、次高级路面10000km。为完成上述目标，其途径之一就是采用水泥混凝土路 面。它
