基于应变实测值的路面结构层模量反演分析
发布时间：2019-11-07 09:35
【摘要】：针对使用弯沉反演路面结构层模量存在的解不合理或不收敛等问题,提出使用应变进行模量反演的方法,在最优化理论的基础上建立了应变反演路面结构层模量的数学模型,根据大比例尺路面模型试验结果,采用ABAQUS有限元软件进行了基于应变实测值的模量反演分析。计算结果表明:在满足收敛标准时,能够得到较为符合实际情况的路面结构层模量反演结果,水泥混凝土、水泥稳定碎石、沥青混凝土3种典型路面材料的模量反演结果分别为24 084、3 642和1 246 MPa;利用模量反演值计算的各测点环向应变计算值与实测值之间的平均均方误差小(均小于0.1)、拟合精度高(相关系数达到0.98以上);基于应变实测值的路面结构层模量反演不受模量初始值和取值范围的影响,可获得唯一解,且可大幅提高反演的效率。
【图文】：
应变和位移等物理量的变化规律。３）理想弹性、完全均匀和各向同性假设。路面模型假设为理想线弹性体，由同一种材料组成并具有相同的弹性性质，同一点所有方向上的弹性参数相同、不随方向而变。已有研究［１８－１９］为了便于计算分析，通常将车辆荷载简化为圆形均布荷载，计算体系也做了相应简化。鉴于此，本文将路面模型形状设计为圆柱体，试验荷载设计为施加在模型表面形心处的圆形均布荷载ｐ（荷载圆直径为１５ｃｍ，半径δ＝７．５ｃｍ），试验分析体系可相应简化为轴对称空间问题，如图１所示。图１大比例尺路面模型设计示意图考虑到目前我国高等级公路沥青面层厚度一般为１５～２２ｃｍ、半刚性基层单层厚度为１８～２０ｃｍ［１９］、水泥路面面板厚度为２４～２６ｃｍ，为了能更好地模拟实际路面结构，本文将圆柱体路面模型的厚度ｈ设计为２０ｃｍ。为平衡室内试验与工程模拟的关系，采用ＡＢＡＱＵＳ有限元软件计算了荷载作用下圆柱体路面模型的受力情况。因计算分析体系可简化为轴对称问题，，本文取１／４模型的计算结果进行分析。计算荷载ｐ＝２．１ＭＰａ，模型厚度为２０ｃｍ，路面材料选择水泥混凝土（弹性模量Ｅ＝３０ＧＰａ、泊松比μ＝０．１７），计算模型直径Ｄ取２００ｃｍ，计算参数为沿直径方向的径向应力应变（σｒ、εｒ）和垂直于直径方向的环向应力应变（σθ、εθ），计算结果如图２和图３所示。由图２和图３可知：模型表面径向和环向的应力应变随着与荷载中心点距离ｒ的增加迅速减小；当ｒ＝３０ｃｍ时，径向和环向应力已衰减至０．０５ＭＰａ以下；
ｃｍ。为平衡室内试验与工程模拟的关系，采用ＡＢＡＱＵＳ有限元软件计算了荷载作用下圆柱体路面模型的受力情况。因计算分析体系可简化为轴对称问题，本文取１／４模型的计算结果进行分析。计算荷载ｐ＝２．１ＭＰａ，模型厚度为２０ｃｍ，路面材料选择水泥混凝土（弹性模量Ｅ＝３０ＧＰａ、泊松比μ＝０．１７），计算模型直径Ｄ取２００ｃｍ，计算参数为沿直径方向的径向应力应变（σｒ、εｒ）和垂直于直径方向的环向应力应变（σθ、εθ），计算结果如图２和图３所示。由图２和图３可知：模型表面径向和环向的应力应变随着与荷载中心点距离ｒ的增加迅速减小；当ｒ＝３０ｃｍ时，径向和环向应力已衰减至０．０５ＭＰａ以下；当ｒ＝５０ｃｍ时，径向和环向应变已衰减至０．５×１０－６以下；ｒ＞５０ｃｍ之后的应力应变数值太小，对路面结构受力分析而言已经失去意义。因此，考虑到路面模型既要较好地模拟实际路面情况又要便于开展室内试验研究，本文最终确定模型直径Ｄ＝１００ｃｍ。图２路面模型表面应力计算值图３路面模型表面应变计算值２．２试验测试装置本文使用门式ＭＴＳ液压伺服系统作为加载装置，通过在路面模型表面粘贴电阻式应变片，使用电测法量测荷载作用下模型表面的应变响应情况。２．３试验方案与测试结果为了对比分析不同路面材料的模量反演结果，基本试验方案如下：１）选取水泥混凝土、水泥稳定碎石和沥青混凝土３种典型路面材料开展路面模型的应变量测。试验材料的基本信息如表１所示。表１试验材料基本信息水泥混凝土水泥稳定碎石沥青混凝土强度等级Ｃ
本文编号：2557214
【图文】：
应变和位移等物理量的变化规律。３）理想弹性、完全均匀和各向同性假设。路面模型假设为理想线弹性体，由同一种材料组成并具有相同的弹性性质，同一点所有方向上的弹性参数相同、不随方向而变。已有研究［１８－１９］为了便于计算分析，通常将车辆荷载简化为圆形均布荷载，计算体系也做了相应简化。鉴于此，本文将路面模型形状设计为圆柱体，试验荷载设计为施加在模型表面形心处的圆形均布荷载ｐ（荷载圆直径为１５ｃｍ，半径δ＝７．５ｃｍ），试验分析体系可相应简化为轴对称空间问题，如图１所示。图１大比例尺路面模型设计示意图考虑到目前我国高等级公路沥青面层厚度一般为１５～２２ｃｍ、半刚性基层单层厚度为１８～２０ｃｍ［１９］、水泥路面面板厚度为２４～２６ｃｍ，为了能更好地模拟实际路面结构，本文将圆柱体路面模型的厚度ｈ设计为２０ｃｍ。为平衡室内试验与工程模拟的关系，采用ＡＢＡＱＵＳ有限元软件计算了荷载作用下圆柱体路面模型的受力情况。因计算分析体系可简化为轴对称问题，，本文取１／４模型的计算结果进行分析。计算荷载ｐ＝２．１ＭＰａ，模型厚度为２０ｃｍ，路面材料选择水泥混凝土（弹性模量Ｅ＝３０ＧＰａ、泊松比μ＝０．１７），计算模型直径Ｄ取２００ｃｍ，计算参数为沿直径方向的径向应力应变（σｒ、εｒ）和垂直于直径方向的环向应力应变（σθ、εθ），计算结果如图２和图３所示。由图２和图３可知：模型表面径向和环向的应力应变随着与荷载中心点距离ｒ的增加迅速减小；当ｒ＝３０ｃｍ时，径向和环向应力已衰减至０．０５ＭＰａ以下；
ｃｍ。为平衡室内试验与工程模拟的关系，采用ＡＢＡＱＵＳ有限元软件计算了荷载作用下圆柱体路面模型的受力情况。因计算分析体系可简化为轴对称问题，本文取１／４模型的计算结果进行分析。计算荷载ｐ＝２．１ＭＰａ，模型厚度为２０ｃｍ，路面材料选择水泥混凝土（弹性模量Ｅ＝３０ＧＰａ、泊松比μ＝０．１７），计算模型直径Ｄ取２００ｃｍ，计算参数为沿直径方向的径向应力应变（σｒ、εｒ）和垂直于直径方向的环向应力应变（σθ、εθ），计算结果如图２和图３所示。由图２和图３可知：模型表面径向和环向的应力应变随着与荷载中心点距离ｒ的增加迅速减小；当ｒ＝３０ｃｍ时，径向和环向应力已衰减至０．０５ＭＰａ以下；当ｒ＝５０ｃｍ时，径向和环向应变已衰减至０．５×１０－６以下；ｒ＞５０ｃｍ之后的应力应变数值太小，对路面结构受力分析而言已经失去意义。因此，考虑到路面模型既要较好地模拟实际路面情况又要便于开展室内试验研究，本文最终确定模型直径Ｄ＝１００ｃｍ。图２路面模型表面应力计算值图３路面模型表面应变计算值２．２试验测试装置本文使用门式ＭＴＳ液压伺服系统作为加载装置，通过在路面模型表面粘贴电阻式应变片，使用电测法量测荷载作用下模型表面的应变响应情况。２．３试验方案与测试结果为了对比分析不同路面材料的模量反演结果，基本试验方案如下：１）选取水泥混凝土、水泥稳定碎石和沥青混凝土３种典型路面材料开展路面模型的应变量测。试验材料的基本信息如表１所示。表１试验材料基本信息水泥混凝土水泥稳定碎石沥青混凝土强度等级Ｃ
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