脱空跑道静载弯沉分析

脱空跑道静载弯沉分析

赵亮亮

（长安大学陕西西安710064）

摘要：本文计算了水泥混凝土道面板底不同脱空程度对道面板荷载弯沉的影响。使用水泥混凝土弹性模型，采用的H44.5×16.5-21型航空轮胎加飞机静载，分别计算不同深度、不同脱空尺寸脱空跑道弯沉值。计算结果表明：当脱空范围较小时，脱空引起水泥混凝土板的弯沉不大，但随着脱空范围的增加，混凝土板的弯沉明显增加；相对于脱空范围来讲，板底脱空高度对混凝土板的弯沉影响不大。

关键词：路面脱空；航空轮胎；弯沉

脱空是水泥混凝土路面最易出现的病害型式，也是裂缝、掉角、网裂等病害的原因、掉角、网裂等病害的原因。路面板底脱空现象主要出现在板角、板纵缝边缘及板横缝端部等处，板角下部脱空的形状接近于圆弧形直角三角形。刚性路面板下脱空，主要有3方面的因素：①车辆荷载对板的不同部位产生的压应力不同，导致基层的塑性变形不同；②地表水的入渗在板的不同空间部位强度上存在很大差别，致使基层强度不均，变形不均，引发唧泥冲刷作用；③高填方路堤侧面的临空面易造成侧向变形不均以及路基的不均匀沉降，板下脱空出现后，随着路面使用年限的增加，如不及时治理，脱空区的分布范围将逐渐扩大。

2模型

脱空路面力学模型假设：

①各结构层假设为线弹性体，对应板角的位置为脱空区，为了计算的方便，假定板角脱空高度均相同。板角脱空为等边直角三角柱体。

②各层间竖向、水平位移连续。地基底面各向位移为零，侧面水平方向位移为零；旧水泥混凝土面层两端横截面上的水平位移为零。

③不计路面结构自重的影响，脱空部分采用在模型中直接挖除相应大小的实体单元来模拟。

④土基在水平方向和向下的深度方向均为无限，其上路面各层厚度均为有限，但水平方向仍为无限。

表1脱空水泥混凝土跑道结构

轮胎力学模型

本文研究中所采用的H44.5×16.5-21型航空轮胎的结构简图，其基本结构自胎面沿径向方向指向轮辋中心点包括上胎面层，补强层，下胎面层，缓冲层，帘线层，气密层以及胎侧，胎圈，钢丝圈，三角胶等部分，如图2所示。采用先建立二维模型，再旋转生成三维实体的方法建立其几何模型。

图1H44.5×16.5-21航空轮胎结构图2轮胎与跑道接触有限元模型

橡胶-帘线复合材料有限元模型使用加强筋模型（Rebar模型）。采用各向同性不可压缩的8结点、线性、完全积分、常压力杂交六面体实体单元（C3D8H单元）模拟橡胶材料。采用各向异性的4结点、缩减积分、四面体表面单元（SFM3D4R）模拟帘线-橡胶复合材料。分别建立橡胶模型和帘线模型，以橡胶单元为基体，叠加帘线单元，共享相同节点，构造橡胶-帘线复合单元。模型中定义帘线角度、单根钢丝横截面积、帘线间距和帘线到面单元中面的距离等参数。

表2帘线结构参数

表3帘线材料性能参数

接触面的法向作用为硬接触，相对滑移定义为有限滑移，摩擦模型为各向同性罚函数法，接触算法为基于Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ方法，接触模型如图4所示。

板角脱空时，水泥板局部近似于悬臂梁；面层与基层会发生变形，当脱空范围一定时，水泥板受力处于非接触状态时，板底脱空高度对板底应力几乎没有影响，如表4所示。

表4不同脱空深度下面板弯沉值

表5不同脱空范围下面板的弯沉

随着荷载的增加或脱空面积的增加，脱空部位的弯沉变形将明显增加，此时较小的脱空高度将有助于基层及时对水泥混凝土板的弯沉变形进行支撑，从而有效降低混凝土板的应力、避免板体开裂。

3结论

1有限元计算结果表明，当脱空范围较小时，在标准荷载作用下，脱空引起水泥混凝土板的弯沉不大；但随着脱空范围的增加，混凝土板的弯沉明显增加。

2相对于脱空范围来讲，板底脱空高度对混凝土板的弯沉的影响不大；但当板的弯沉变形增加，使板与基层相接触时，将有效抑制板的应力的增加，因此通过灌浆等措施填充脱空范围和高度，将有助于减小混凝土板出现断落的可能性。

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