水泥混凝土路面结构层温度力学影响的研究精品毕业论文

1、毕业设计（论文）相关材料题 目 水泥混凝土路面结构层温度力学影响的研究 重庆交通大学 2009 年目 录第一部分: 毕业设计任务书第二部分: 开 题 报 告第三部分: 文 献 综 述第四部分: 外 文 翻 译 毕业设计（论文）任务书题 目 水泥混凝土路面结构层温度力学影响的研究 （任务起止日期 2009 年 1 月 6 日 2009 年 6 月6 日）课题内容： 1.研究同一温度分布情况下路面结构应力的变化2.不同温度梯度情况下，对水泥混凝土路面结构应力的影响 3.改变结构层材料参数，在同一温度分布情况下应力的对比分析 课题任务要求： 1写作要求:中心突出、结构合理、论据充分、资料详实、结论准

2、确；2字数要求12000以上；3文献检索10篇以上。4严禁“复制”他人之作；主要参考文献： 1 唐伯明, 蒙华等. 欧美水泥混凝土路面设计使用现状综述J . 公路, 2003 , 10 :37 - 39 2 张笑冬, 王杰, 李国峰等. 高速公路发展综述J . 东北林业大学学报, 2001 , 29(4) :77 - 79 3 黄志义. 路基路面工程M . 浙江科学技术出版社, 2002 :249 - 381. 4 Concrete Pavement for General - Aviation , Busi2ness and Commuter Aircraft. American Concr

3、ete Pave2ment Association , 2002 :1 - 12 5 The Benefits of Concrete Highways. ConcreteRoads for the Long Haul , 2000 :2 - 7 6 甄占红, 贾学民. 高速公路的发展现状J .经济论坛, 2000 , 18 :38 7 Peter Zrymiak , Gerry Roberts. Partnering to Develop Concrete Pavements in Western Canada. The Canadian Experience Session Of the

4、Annual Conference of the Transportation Association of Canada Halifax ,Nova Scotia , 2001 毕业设计（论文）开题报告题 目 水泥混凝土路面结构层温度力学影响的研究 重庆交通大学2009年 一、选题目的的理论价值和现实意义交通运输是国民经济的大动脉，是国民经济发展的物质基础。一个完整的交通运输体系由铁路、道路、航空、水路等运输方式组成，它们各具特点，承担各自的运输任务，又相互补充，形成综合的运输能力。道路运输以其机动灵活性大、普及面广、适应性强、速度快、造价底、运量大等特点在综合运输体系中占有一席之地。概括地

5、说，道路具有交通、形成国土结构、营造公共空间、防灾和繁荣经济等方面的功能。近几十年来，我国的公路交通事业及其科学技术虽有很大的发展，但我国公路不仅数量少、标准底、质量差，而且公路的密度及铺装率远远底于发达国家水平，离国民经济发展的需要还很远。我国公路交通面貌鱼待改善。路面是在地基上用各种筑路材料铺筑的供汽车行驶的结构层。设置路面的目的是加固行车部分，使之在行车和各种自然因素作用下有一定的强度和稳定性保证，满足行车的安全、迅速、经济、舒适的需要。为了保证道路全年通车，提高行车速度、安全性和舒适性，降低运输成本和延长道路使用年限，路面应具有下述一系列性能:(1)强度和刚度;( 2)水温稳定性:(3

6、)耐久性:(4)表面平整度:(S)表面抗滑性能;(6)少尘性;(7)噪声底。路面是道路直接承受行车作用的部分，它下面受到路基的支撑作用，两侧受到路肩的支撑和保护。路面结构层一般由面层、基层和垫层组成。按面层的使用品质、材料组成类型以及强度和稳定性的不同，可将路面分成四个等级:(1)高级路面;(2)次高级路面;(3)中级路面;(4)低级路面。从路面力学性能出发，一般把路面分成柔性路面和刚性路面两种结构类型，柔性路面指粒料为主的沥青路面及一般的粒料路面.;刚性路面指水泥混凝土路面，因其具有较高的强度和弹性模量，在荷载作用下变形小而得此名。水泥混凝土路面是以水泥和水合成的水泥浆为结合料，碎(砾)石为

7、骨料，沙为填充料，按适当的配合比例，经加水搅拌、摊铺、.振捣、整平和养护而筑成，除了在接缝区和局部范围(边缘和角隅)外不配置钢筋的混凝土路面。其特点为强度和刚度高，稳定性好，使用寿命长，能适应较繁重的交通量，平整无尘，能保证高速行车。水泥混凝土路面初次修筑于1876年的法国，距今己有100 多年的历史。由于水泥混凝土路面能适应现代化交通重载、繁忙而快速的运输要求，而且经久耐用，因而在城市道路，厂矿道路、机场道路和停车场上常常被采用，我国干线公路上也将大力推广水泥混凝土路面。与其它类型的路面相比，水泥混凝土路面具有以下优点: (1)刚度大、强度高、板体性好;(2)耐久性好;(3)稳定性好:(4)

8、平整度和粗糙度好;(5)养护费用少，运输成本底;(7)色泽鲜明，反光能力强，有利于夜间行车。当然，它也有诸如挖掘和修补困难、对水泥和水需求量大、噪声大等缺点。环境对水泥混凝土路面的影响很大。如路基湿度状况的变化将影响路面结构强度、刚度和稳定性，而大气降水和蒸发、地面水的渗透、地下水等因素都能在一定程度上影响路基的湿度状况;冰冻与融冻会严重影响路面的整体刚度，有时甚至出现中断交通的严重后果。影响水泥混凝土路面温度状况的因素也很多，其中最主要的是气温和太阳辐射。大气温度在一年四季出现周期性的变化，每一天的昼夜气温变化也呈现一定幅度的周期性。水泥混凝土路面直接暴露在大气之中，经受着这些变化的影响，特

9、别是面层材料所受影响最大。水泥混凝土路面顶面的温度变化与大气温度变化大致是同步的，但是由于部分太，阳辐射热被水泥混凝土路面吸收，所以在夏天烈日照射下的水泥混凝土路面顶面温度略高于大气温度，有时会高出气温达之多。水泥混凝土面层结构不同深度处的温度也同样随着大气温度产生周期性变化，但是变化的幅度随着深度的增加而减小。道路使用的长期实践使人们逐渐认识到水泥混凝土路面温度状况可能对水泥混凝土路面结构的强度和使用效果带来严重的危害。从力学上分析，由于水泥混凝土路面·结构内的不稳定热流，路面结构的每一部分都将随着温度的升高或降低而趋于膨胀或收缩，这将使混凝土产生变形，如果这种变形y到约束，水泥混

10、凝土路面中就会在出现应力，称之为温度应力。例如，当气温上升时，路面板的长度便欲随之伸长，但板受到前后板的制约以及板底与基层的摩擦力的制约而不能自由伸长，于是在板内便产生一定的内压应力;相反，在气温下降时，路面板有随之缩短的趋势，受到制约后，便会在板内产生受拉的内应力。在某些情况下，温度应力(或和其它荷载产生的应力共同作用)能导致路面板的破坏。因此，对水泥混凝土路面温度应力的研究意义重大。二、本课题在国内外的研究状况及发展趋势水泥混凝土路面受温度变化的影响，将产生变形。温度变化所引起的变形如果受到约束，将会产生温度应力，有时温度应力甚至会大到超过荷载引起的应力，使路面遭到破坏。例如，由于混凝土路

11、面板顶部和底部的温差，使面板白天隆起夜晚下凹，称为温度翘曲。温度翘曲变形如果受到约束也将导致面板产生应力，称为温度翘曲应力。所以说温度应力是促使路面板破坏的直接原因之一。因而，研究水泥混凝土路面的温度应力具有重要的工程意义。进行水泥混凝土路面结构设计，必须对温度变化在路面板内产生的应力进行分析，以了解应力的最大值及出现的位置。有关水泥混凝土路面温度应力的研究，早在本世纪二十年代就己经引起人们的重视。1920年，C.Olde:和A.T.Goldbeck根据材料力学原理，提出了最早的水泥混凝土路面荷载应力计算和厚度设计方法，但当时并未考虑温度应力的影响 1927年，Westergaard提出了混凝

12、土路面由于温度变化引起的应力分析方法，1938年，Bradbury根据Westergaard温度应力计算公式绘制了温度应力系数曲线，使计算方法得到简化。水泥混凝土路面翘曲应力的分析方法，目前被广泛采用的仍然是Westergaard于1927年提出，后经Bradbury发展的计算理论。这一理论，采用Winkler地基模型，假设板同地基始终保持接触(即使板向上翘曲变形也如此)，温度沿板厚呈直线变化以及地基反力为唯一约束。这些假设同路面板在温度梯度影响下的实际情况不太吻合，因而计算结果有较大出入(特别是在板的长度较短时) 1940年，Thomlinson假设路顶面温度随时间呈正弦变化，根据Timos

13、henk。的温度应力公式，导出了温度沿板厚呈非线性变化时，可分别计算伸缩变形完全受约束，翘曲变形完全受约束以及两者完全受约束的温度应力计算公式。而后，Ghosh在1960年提出了一种新的计算方法，考虑Winkler地基上的矩形板在正温度梯度(顶面温度高于底面)作用下中部拱起时，由于板的自重约束所引起的翘曲应力也于1971年提出了类似的方法，采用刚性地基上圆板的假设，导出了正温度梯度作用下因自重约束而产生的翘曲应力计算公式1993年，Fwa和Tan利用经典薄板理论，得出了Pasternak地基上水泥混凝土板的温度应力解，研究表明Winkler地基上的解只是 Pasternak地基上解的特例，且后

14、者的假定比前者更符合实际情况。六十年代中期以来，有限乖法的应用使水泥混凝土路面应力分析与设计计算有了新的发展。与此同时，水泥混凝土路面温度应力的分析也出现了新的转机。1972年，姚祖康应用有限元法分析了Winkler地基和半无限地基上混凝土路面的温度翘曲应力，分析时考虑了半自重约束和板同地基部分脱空的影响。为了验证温度翘曲应力分析结果，同济大学和安徽省公路勘测设计院等单位在1983年合作进行了不同长度混凝土路面板温度翘曲应力的实验测定工作。在此基础上，严作人和王士林分别探讨了温度沿板厚非线性分布及混凝土板和地基的徐变特性对翘曲应力的影响。高博和王秉纲于1987年利用Laplace变换和近似反演

15、方法导出了粘弹性Winkler地基板温度翘曲应力的计算公式。其结果表明，板和地基的粘弹性可减小板的温度翘曲应力。周虎鑫、陈荣琪和何兆益于1995年对Westergaard计算温度翘曲应力方法与有限元法进行了比较，一并编制了相应程序，计算了水泥混凝土路面的温度翘曲应力，得出了温度翘曲应力与水.泥混凝土路面的基层材料参数间的关系。 1998年，周虎鑫、陈荣生和齐诚以有限元初应变增量法为基础，对水泥混凝土路面温度翘曲应力进行了分析，并编制了相应程序，但其中的某些假定与实际情况有一定出入。综合上述研究可以看出，几十年来，在各国学者的研究之下，水泥混凝土路面温度应力的分析方法和计算理论日在不断发展，但仍

16、然存在不少问题。一方面，大部分研究都集中于水泥混凝土路面温度翘曲应力方面，对水泥混凝土路面板中温度分布的非线性考虑不足，更谈不上对水泥混凝土路面温度应力的全面分析。另一方面，许多学者都把研究重点集中于某一特定参数或某一特定环境，从而使研究的结论缺乏普适性。 三、研究重点 计算温度应力,需要分析路面温度场,对于路面而言,存在三种热量传递模式,即对流、辐射、传导。对于辐射,太阳辐射能中有一部分被路面吸收,有一部分被反射,还有透过路面,而路面本身也辐射能量,其辐射能力与物体绝对温度的四次方成正比。温度翘曲应力来源于路面温度差异产生翘曲变形且受到变形约束,包括板的自重、相邻板的约束、面板与基层的摩阻等

17、。另根据他人的现场调查,温度梯度在路面结构中逐渐减小,在一般厚度的砼面层,其下基层和土基温度变化很小,即使在面层温度变化较大的6、7 月,基层日温度变化也只有24 ,而土基的温度变化在2 以下。在一般厚度的砼面层,气温下降较快, 可按最大温度梯度计算。由于日温度的周期性变化,在基层和底基层中,温度梯度明显减小,在土基中则更小。根据公路水泥混凝土路面设计规范(JTGD40- 2002) ,选取砼板的纵向边缘中部作为产生最大荷载和温度梯度综合疲劳损坏的临界荷位。在进行热与结构的耦合分析中,主要考虑温度相对稳定时的翘曲应力,将各层接触面温度作为约束条件,不考虑空气的对流和路面的辐射,通过计算可求得各

18、节点的温度分布,另外也可以输入辐射量、对流系数等参数直接求出温度分布,但需考虑一天中温度近似于正弦分布,较复杂,可操作性不强。ANSYS 软件中对于热应力分析问题推荐采用顺序耦合分析,先进行热分析计算,将热分析所得的节点温度施加到结构单元的节点上,再求解温度应力,施加汽车荷载后可单独求汽车荷载应力或汽车和温度共同作用下产生的应力。为便于与规范计算值对照,先用ANSYS 分别求出温度应力、荷载应力,再探讨温度场和行车荷载对路面所形成的复合应力。热分析1) 首先选定单元类型,本分析建立的是三维模型,土基、底基层、基层的热单元选用Thermal solid70 ,面层选用Thermal solid

19、90。2) 在材料参数设置时,将材料的回弹模量、泊松比、密度及导热系数输入。3) 三维模型中层间采用完全连续,用体(vol2ume) 与体的粘结(glue) 。4) 把材料属性施加到体上, 然后划分网格(mesh) ,该模型中采用自由网格。5) 按温度梯度施加温度荷载。按正温度梯度设置,即板顶温度比板底温度高,板边向下翘曲,板底面受拉应力。6) 求解,可得各节点的温度分布。利用大型有限元软件ANSYS ,通过层面温度约束可方便快捷地求出结构层各节点的温度分布,通过其耦合功能,可求出最大温度应力及其位置。在施加汽车荷载作用下,可单独求出最大汽车荷载应力或汽车和温度场的复合应力,并分析不同的因素对

20、应力的影响效应。利用ANSYS 的强大后处理功能,可直观一定横截面上的应力分布图。四、主要参考文献1 JTGD40 - 2002 ,公路水泥混凝土路面设计规范 S .2 胡长顺,王秉纲. 复合式路面设计原理与施工技术M . 北京:人民交通出版社,1999.3 姚祖康. 水泥混凝土路面设计M . 合肥:安徽科学出版社,1999.4 龚曙光. ANSYS 工程应用实例解析M . 北京:机械工业出版社,2003.5 刘银生,杨东援. 刚性路面有限元分析新见解J . 中南公路工程,1999 6 周虎鑫,陈荣生,何兆益. 水泥混凝土路面板的温度翘曲应力分析J . 重庆交通学院学报,1995 ,14 (4

21、) : 282357 谈至明,周玉民,刘伯莹. 水泥混凝土路面板温度翘曲应力J . 公路,2004 ,11 (11) : 63267.8 李恩林，陈斌生.微机接口300 例.北京：机械工业出版社.20039 曾繁泰，陈美金.VHDL程序设计.北京.清华大学出版社.200110 潘松，黄继业 曾毓.SOPC技术实用教程. 北京.清华大学出版社.200511 马忠梅，李善平，康慨，叶楠. ARM &Linux 嵌入式系统教程.北京：北京航空航天大学出版社.200412 魏立伟.计算机硬件开放式实践教学初探.高等工程教育研究.2002 NO.2五、指导教师意见 指导教师： 六、学院毕业设计（

22、论文）指导小组意见 负责人： 毕业设计（论文）文献综述题 目 水泥混凝土路面结构层温度力学影响的研究 重庆交通大学2009年内容摘要：分析水泥混凝土路面结构的意义和目的，水泥混凝土路面结构现状和发展前景关键字:水泥混凝土路面 结构层 力学性能（1）水泥混凝土路面结构性能水泥混凝土路面是一种复合结构。行车荷载和环境因素作用下，其使用性能的衰变速率主要与路面结构的物理性质有关，其中就包括复合结构的组合性质。路面是由不同结构层次组成的复合结构，从上到下依次为面层、基层、垫层，各结构层在整个体系中具有不同的功能，发挥着各自的作用，从而满足行车使用要求。路面结构除了为行车提供舒适性和安全性以外，其主要功

23、能是承受汽车荷载及环境影响，并将荷载自上而下扩散到地基。由于扩散的作用，路面结构中的应力自上而下逐渐减小，各个结构层的强度和刚度也随之降低。水泥混凝土路面板具有较高的力学强度，在车轮荷载作用下变形小，混凝土板通常工作在弹性阶段，也就是说，在汽车荷载作用下，板内产生的最大应力不超过水泥混凝土的比例极限应力。当水泥混凝土板工作在弹性阶段时，基层和土基所承受的荷载及产生的变形也很小，因此也工作在理论表明，如果路面各层性能正常，层间界面完全接触，设计和施工良好的水泥混凝土路面，一般要经过长期使用且达到设计使用年限后，才会开裂破坏。然而，从实际调查来看，相当多的水泥混凝土路面在远未到达设计使用年限前，就

24、己经出现了不同程度的开裂，甚至断裂。因此，通过结构分析，建立更为精确的荷载与环境因素的作用与混凝土路面结构反应之间的定量关系，不仅有利于完善水泥混凝土路面设计计算理论，同时还可以减少混凝土路面的结构性损坏，降低路面管理和维护费用。（3）水泥混凝土路面结构在国内外的发展水泥混凝土路面作为一种高级刚性路面结构形式, 其应用已超过百余年。水混混凝土路面以其抗压、抗弯、抗磨损、高稳定性等诸多优势, 在各级路面上得到广泛应用。在我国高等级公路中水混混凝土路面日渐增多, 加上一些地域的路基更适合水混路面, 使得水混凝土路面科学化施工的问题摆在许多施工单位面前。我国高速公路路面主要采用沥青混凝土路面和水泥混

25、凝土路面两种形式, 相对来说, 水泥混凝土路面给社会的印象较差, 常见病害有: 唧泥、断板、开裂等, 有些甚至刚通车就开始修补,质量不良状况特别严重, 极大的影响了行车的舒适性和安全性,在社会上造成了极大的影响。因此导致近年来国内在高等级路面上采用水泥混凝土路面越来越少。（4）参考文献 1 唐伯明, 蒙华等. 欧美水泥混凝土路面设计使用现状综述J . 公路, 2003 , 10 :37 - 39 2 张笑冬, 王杰, 李国峰等. 高速公路发展综述J . 东北林业大学学报, 2001 , 29(4) :77 - 79 3 黄志义. 路基路面工程M . 浙江科学技术出版社, 2002 :249 -

26、 381. 4 Concrete Pavement for General - Aviation , Busi2ness and Commuter Aircraft. American Concrete Pave2ment Association , 2002 :1 - 12 5 The Benefits of Concrete Highways. ConcreteRoads for the Long Haul , 2000 :2 - 7 6 甄占红, 贾学民. 高速公路的发展现状J .经济论坛, 2000 , 18 :38 7 Peter Zrymiak , Gerry Roberts. Partnering to Develop Concrete Pavements in Western Canada. The Canadian Experience Session Of the Annual Conference of the Transportation Association of Canada Halifax ,Nova Scotia