基于abaqus的路橋過渡段動力分析

1橋臺與回填區(qū)域的非一致性豎向變形交通負(fù)荷是車輛的隨機(jī)負(fù)荷。在路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析中，反復(fù)作用的車輪荷載通常被簡化為半波正弦變化的周期荷載橋臺后回填區(qū)域位于剛?cè)嵯酀?jì)處，回填材料工后沉降可導(dǎo)致橋臺與回填區(qū)域的非一致性豎向變形（差異沉降）。國內(nèi)外大量調(diào)研資料表明，開放交通后車輛荷載的反復(fù)作用致使路橋過渡段差異沉降不斷發(fā)展，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)損壞（車轍、沉陷、開裂）程度加劇，并使道路服務(wù)性水平降低2單元劃分和尺寸輪胎與路面的接觸作用較為復(fù)雜，黃仰賢車胎與路相互作用的等效接觸面積大小如圖2所示。在有限元網(wǎng)格劃分時，考慮到車胎與路面的接觸面積，將輪跡下路面及其下相應(yīng)部分的各水平面皆劃分為3×20個單元。根據(jù)公式（2）計算的有效長寬尺寸，每個單元的水平剖面尺寸近似為0.16m×0.22m。為了模擬路面結(jié)構(gòu)中交通荷載產(chǎn)生的動力效應(yīng)，采用ABAQUS顯示積分中VDLOAD用戶子程序來反映荷載隨時間與空間坐標(biāo)的變化3計算值的模型3.1模型設(shè)計及約束為了研究路橋過渡段地基、路堤與路面結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，建立了如圖3所示的三維有限元計算模型。路面結(jié)構(gòu)組成為：0.18m厚的瀝青混凝土面層和0.40m厚的半剛性基層。路堤填土高3.6m，為粉細(xì)砂材料。地基0～2m深度內(nèi)為粉質(zhì)黏土，2～6m深度內(nèi)為圓礫。地下水位位于粉質(zhì)黏土層底部。在路線橫向，取4m寬的行車道為研究對象，路堤邊坡坡比為1:1.5。在路線縱向，橋臺寬2m，基礎(chǔ)埋置深度為2m，計算范圍沿橋臺前伸展3.5m，橋臺后伸展8.8m。模型的邊界約束條件為：地基（填土）豎向邊界設(shè)置x或y向約束，地基底部設(shè)置x,y與z向約束。同時，通過設(shè)置ABAQUS面面接觸來模擬橋臺與填土、路面與填土的相互作用。有限元數(shù)值計算分兩階段進(jìn)行，第1階段采用Standard模塊模擬路堤分期填筑過程3.2材料模型的建立計算中針對不同材料采用了不同本構(gòu)模型，以反映材料應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)的差異性。其中，地基粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂與圓礫采用Drucker-Prager彈塑性模型（見表1），硬化規(guī)律采用剪切硬化曲線來確定（見表2）；橋臺水泥混凝土采用線彈性模型，彈性模量為35.4GPa，泊淞比為0.15，容重24.3kN/m材料阻尼根據(jù)Rayleigh提出的線性阻尼假設(shè)來確定，即為公式[C]=α[M]+β[K]。實(shí)際中常采用簡化的取值形式α=2ζ4結(jié)論分析4.1yz截面上單元應(yīng)力-應(yīng)變應(yīng)變的變化規(guī)律在車速為90km/h，阻尼比為5%，胎壓為700kPa情況下，通過計算得到了路面各結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力與應(yīng)變響應(yīng)，由圖4可見：單次循環(huán)下路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力與應(yīng)變隨時間的變化規(guī)律相同；應(yīng)力（應(yīng)變）峰值大小隨深度增加而減?。粦?yīng)力（應(yīng)變）峰值出現(xiàn)時間隨深度增加而依次滯后，其中路面頂部在移動荷載經(jīng)過瞬間達(dá)到峰值；應(yīng)力（應(yīng)變）隨著移動荷載的遠(yuǎn)離以及阻尼的作用而衰減為0。圖5給出了YOZ截面上單元相應(yīng)應(yīng)力的動響應(yīng)情況，由圖可知：在移動荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)層單元中剪應(yīng)力與正應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律是不同步的；路面頂部剪應(yīng)力值遠(yuǎn)小于正應(yīng)力，表明單元主應(yīng)力方向始終與坐標(biāo)軸平行，而基層底部受剪應(yīng)力的影響較大，即單元主應(yīng)力方向隨荷載的移動而發(fā)生旋轉(zhuǎn)。4.2不設(shè)置橋墩搭板沉降特性在車速為90km/h，阻尼比為5%，胎壓為700kPa情況下，通過ABAQUS有限元計算得到了移動荷載反復(fù)作用下的路面各結(jié)構(gòu)層應(yīng)力與應(yīng)變響應(yīng)。如圖6所示，基層底部應(yīng)力中S路橋過渡段設(shè)置相應(yīng)長度搭板情況下的割線斜率計算公式為式中S當(dāng)過渡段不設(shè)置橋頭搭板時，瀝青路面及其下填土共同下沉，橋臺與回填區(qū)銜接處差異沉降呈階躍型，過渡段將發(fā)生嚴(yán)重跳車現(xiàn)象，此時采用切線坡差（即為沉降曲線的切線斜率，沉降U圖8給出了輪跡下路表面結(jié)點(diǎn)（結(jié)點(diǎn)18896,18926與橋臺距離分別為1.1m,7.7m）差異沉降、切線坡差與循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線。隨著作用次數(shù)的增加，路堤與路面的塑性變形得到發(fā)展，路橋過渡段差異沉降與切線坡差不斷增加。由圖8(a)與8(b)可知，循環(huán)次數(shù)N=50000時結(jié)點(diǎn)18896沉降量達(dá)到0.193cm，切線坡差達(dá)到0.048%；而結(jié)點(diǎn)18926沉降量達(dá)到0.375cm，切線坡差達(dá)到0.175%?？梢姡S著開放交通后道路使用時間的增長，路橋過渡段差異沉降的累計將導(dǎo)致近橋臺處路面結(jié)構(gòu)的損壞程度加劇，從而影響道路的正常使用。4.3路面結(jié)構(gòu)損傷裂縫初始形態(tài)分析根據(jù)ABAQUS混凝土smearedcracking模型，當(dāng)應(yīng)力滿足Rankine破裂面表達(dá)式時，材料內(nèi)出現(xiàn)首條裂紋，該裂紋面正交于該點(diǎn)最大主拉應(yīng)力方向；該點(diǎn)處后續(xù)裂紋則將沿最大主拉應(yīng)力方向生成；一旦裂紋生成，即認(rèn)為不可恢復(fù)，但可能合攏或再張開圖9給出了循環(huán)次數(shù)N=1000與N=50000時差異沉降導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展直至破壞的裂紋分布云圖，計算結(jié)果與大量調(diào)研所得路橋過渡段斷裂破壞情況較為吻合。分析認(rèn)為：隨著填土與橋臺差異沉降的加大以及上部交通荷載的施加，交通荷載作用區(qū)域正下方基層底部拉應(yīng)力也逐步增大到材料的拉裂強(qiáng)度而出現(xiàn)初始裂紋。圖9(a）表明，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)損傷裂縫起初主要出現(xiàn)在荷載作用下路面局部區(qū)域內(nèi)，并在近橋臺處主要沿基層豎向擴(kuò)展；圖9(b）則表明，隨著循環(huán)作用次數(shù)的增大，差異沉降與交通荷載的繼續(xù)作用將導(dǎo)致開裂區(qū)域主要沿基層橫斷面方向不斷發(fā)展?？梢灶A(yù)見，隨著開放交通后道路使用時間的增長，路橋過渡段差異沉降的累計將導(dǎo)致裂紋貫穿整個路面結(jié)構(gòu)層，道面損壞程度加劇，致使路面結(jié)構(gòu)承載能力與服務(wù)性水平進(jìn)一步下降，從而影響道路的正常使用。5移動荷載作用下路堤與路面變形機(jī)理分析通過ABAQUS有限元計算分析了車速90km/h、阻尼比5%、胎壓700kPa條件下單次與多次循環(huán)荷載作用下的路橋過渡路段動應(yīng)力、位移及裂紋發(fā)展的變化規(guī)律，相應(yīng)結(jié)論歸納如下：(1)在移動荷載作用下，路面頂部單元剪應(yīng)力值遠(yuǎn)小于正應(yīng)力，而基層底部受剪應(yīng)力的影響較大，表明單元主應(yīng)力方向隨荷載的移動而發(fā)生旋轉(zhuǎn)。(2)基層底部水平拉應(yīng)力與拉應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)增加而不斷增加；受移動荷載的激勵作用，S(3)路