您的位置:山东大学 -> 科技期刊社 -> 《山东大学学报(工学版)》

山东大学学报 (工学版) ›› 2022, Vol. 52 ›› Issue (4): 139-150.doi: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.046

• 土木工程——新型材料与结构专题 • 上一篇    下一篇

装配式水泥混凝土路面板空心形式研究与优化

王旭昊1(),刘倩倩1,李虎成2,李程1,李鹏1,凌一峰3,*()   

  1. 1. 长安大学公路学院, 陕西 西安 710064
    2. 中铁第一勘察设计院集团有限公司, 陕西 西安 710043
    3. 山东大学齐鲁交通学院, 山东 济南 250002
  • 收稿日期:2022-01-24 出版日期:2022-08-20 发布日期:2022-08-24
  • 通讯作者: 凌一峰 E-mail:wangxh@chd.edu.cn;yfling@sdu.edu.cn
  • 作者简介:王旭昊(1987—),男,甘肃兰州人,副教授,博士,主要研究方向为道路材料与结构。E-mail: wangxh@chd.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(52178185);国家自然科学基金项目(51868066);陕西省科技厅基础研究项目(2021JQ-249);中铁第一勘察设计研究院科研项目(院科19-38)

Research and optimization of hollow form of precast concrete pavement slab

Xuhao WANG1(),Qianqian LIU1,Hucheng LI2,cheng LI1,Peng LI1,Yifeng LING3,*()   

  1. 1. School of Highway, Chang′an University, Xi′an 710064, Shaanxi, China
    2. China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi′an 710043, Shaanxi, China
    3. School of Qilu Transportation, Shandong University, Jinan 250002, Shandong, China
  • Received:2022-01-24 Online:2022-08-20 Published:2022-08-24
  • Contact: Yifeng LING E-mail:wangxh@chd.edu.cn;yfling@sdu.edu.cn

摘要:

为减轻装配式水泥混凝土路面板块的质量, 采用有限元软件ABAQUS研究水泥混凝土空心板, 推荐装配式水泥混凝土实心板块的最佳长、宽、厚和圆形空心类型, 设计和优化圆形截面的局部尺寸, 分析圆形半径、圆形个数和圆心高度对板底最大弯拉应力、板块最大竖向位移、薄壁处最大压应力和剪应力的影响规律。采用熵权法和优劣解距离法进行多指标优选, 得出最佳空心组合为10个半径为60 mm、圆心高度为160 mm的圆形; 对比空心板与实心板, 发现空心板的性能与实心板差异很小, 且空心板质量可减轻970 kg。本研究提出的装配式水泥混凝土空心板以及相应的圆形空心类型和空心局部尺寸均是可行的。

关键词: 装配式水泥混凝土路面, 空心形式, 局部尺寸优化, 有限元模拟, 力学响应

Abstract:

In order to reduce the self-weight of precast concrete pavement slab, the concrete hollow slab was studied by using ABAQUS, the optimal length, width and thickness and circular hollow type of precast concrete solid slab were recommended. The local sizes of the circular section were optimized, and the influences of the radius, numbers and height of circle on the maximum flexural-stress, the maximum vertical displacement, the maximum compressive stress and shear stress of the slab were analyzed. Entropy weight method and technique for order preference by similarity to an ideal solution method were introduced to optimize multiple parameters, and the optimal hollow combination was obtained as 10 circles with a radius of 60 mm and a center height of 160 mm. By comparing the mechanical performance of hollow slab with solid slab, it was found that the difference was marginal, while optimized hollow slab could lead to a 970 kg self-weight reduction. The precast concrete hollow slab, the circular hollow type and its local size were proposed and recommended.

Key words: precast concrete pavement, hollow form, optimization of local size, finite element simulation, mechanical response

中图分类号: 

  • U416

表1

路面各结构层材料设计参数"

类型 长/m 宽/m 厚度/m 弹性模量/MPa 泊松比
水泥面层 25 000 0.15
柔性基层 12 4.5 0.3 500 0.25
路基 12 4.5 3.0 30 0.40

图1

装配式水泥混凝土路面结构模型"

图2

单轴双轮组标准轴载荷载作用图"

图3

荷载分别作用于板中、板边、板角"

表2

尺寸结构优化正交试验方案"

试验号 长度 宽度 厚度
1 4.0 3.0 0.22
2 4.0 3.5 0.24
3 4.0 4.0 0.26
4 4.0 4.5 0.28
5 4.5 3.0 0.24
6 4.5 3.5 0.22
7 4.5 4.0 0.28
8 4.5 4.5 0.26
9 5.0 3.0 0.26
10 5.0 3.5 0.28
11 5.0 4.0 0.22
12 5.0 4.5 0.24
13 6.0 3.0 0.28
14 6.0 3.5 0.26
15 6.0 4.0 0.24
16 6.0 4.5 0.22

表3

不同荷载作用位置下不同尺寸板块的力学响应"

试验号 板底最大弯拉应力/MPa 板块最大竖向位移/mm
板中受力 板边受力 板角受力 板中受力 板边受力 板角受力
1 0.618 7 0.665 5 0.691 7 0.324 5 0.422 0 0.526 3
2 0.591 0 0.598 2 0.641 7 0.307 6 0.411 4 0.503 7
3 0.608 4 0.686 4 0.651 4 0.283 3 0.403 4 0.484 2
4 0.551 7 0.638 5 0.578 5 0.271 0 0.411 3 0.483 5
5 0.548 2 0.618 4 0.607 0 0.302 1 0.386 4 0.491 4
6 0.679 3 0.638 0 0.748 0 0.327 6 0.425 6 0.532 9
7 0.544 1 0.639 9 0.582 5 0.267 3 0.367 0 0.452 7
8 0.641 3 0.687 5 0.676 6 0.289 0 0.420 9 0.506 6
9 0.557 7 0.709 9 0.609 6 0.270 8 0.343 5 0.451 5
10 0.524 0 0.648 2 0.572 4 0.251 1 0.337 1 0.432 2
11 0.710 3 0.632 8 0.775 7 0.336 1 0.443 7 0.554 9
12 0.647 9 0.588 0 0.687 6 0.322 0 0.448 6 0.553 4
13 0.498 1 0.662 9 0.541 8 0.250 0 0.311 5 0.420 6
14 0.599 3 0.699 8 0.659 3 0.266 1 0.343 6 0.451 5
15 0.627 2 0.602 2 0.682 6 0.308 8 0.405 5 0.512 5
16 0.735 3 0.641 1 0.788 6 0.350 7 0.479 8 0.592 6

图4

板块长、宽、厚对板块最大竖向位移的影响"

图5

板块长、宽、厚对板底最大弯拉应力的影响"

表4

4种空心形式与尺寸"

形状 空心图示 尺寸图示
六角形
工字形
圆形
半圆形

图6

荷载作用于不同位置时六角形空心板受力"

图7

荷载作用于不同位置时工字形空心板受力"

图8

荷载作用于不同位置时半圆形空心板受力"

图9

荷载作用于不同位置时圆形空心板受力"

表5

4种空心形式下力学响应极大值"

空心形式 最大弯拉应力/MPa 最大竖向位移/mm 最大压应力/MPa
六角形 2.99 0.20 1.99
工字形 4.90 0.22 3.31
半圆形 2.50 0.20 1.70
圆形 2.36 0.19 1.45

表6

圆形空心形式局部尺寸试验方案设计"

水平 圆心高度/mm 圆形半径/mm 圆形个数
1 120 60 10
2 130 70 11
3 140 80 12
4 150 90 13
5 160 100 14

表7

圆形空心形式不同局部尺寸力学响应指标"

试验编号 半径/mm 圆形个数 圆心高度/mm 薄壁处最大压应力/MPa 板底最大弯拉应力/MPa 薄壁处最大剪应力/MPa 最大竖向位移/mm
1 60 10 120 0.93 1.82 0.35 0.178
2 60 11 130 0.99 1.77 0.47 0.179
3 60 12 140 1.07 1.71 0.60 0.179
4 60 13 150 1.15 1.65 0.73 0.179
5 60 14 160 1.13 1.50 0.87 0.181
6 70 10 130 0.90 1.79 0.53 0.182
7 70 11 140 0.99 1.74 0.66 0.182
8 70 12 150 1.09 1.69 0.81 0.183
9 70 13 160 1.15 1.64 0.93 0.183
10 70 14 120 0.85 2.31 0.66 0.186
11 80 10 140 0.88 1.79 0.72 0.186
12 80 11 150 0.97 1.74 0.85 0.184
13 80 12 160 1.06 1.70 0.96 0.183
14 80 13 120 0.77 2.37 0.68 0.186
15 80 14 130 0.85 2.21 0.71 0.186
16 90 10 150 0.86 1.75 0.93 0.190
17 90 11 160 0.94 1.70 1.05 0.191
18 90 12 120 0.64 2.42 0.79 0.194
19 90 13 130 0.72 2.35 0.92 0.195
20 90 14 140 0.79 2.29 1.05 0.194
21 100 10 160 0.84 1.71 1.12 0.194
22 100 11 120 0.53 2.39 0.85 0.201
23 100 12 130 0.63 2.34 0.98 0.201
24 100 13 140 0.71 2.30 1.14 0.199
25 100 14 150 0.78 2.25 1.27 0.202

表8

不同圆形半径、个数、高度下板块的力学响应指标均值"

水平 板底最大弯拉应力/MPa 最大竖向位移/mm 薄壁处最大压应力/MPa 薄壁处最大剪应力/MPa
圆形半径 圆形个数 圆心高度 圆形半径 圆形个数 圆心高度 圆形半径 圆形个数 圆心高度 圆形半径 圆形个数 圆心高度
1 1.690 1.722 2.262 0.179 0.186 0.189 1.054 0.882 0.744 0.604 0.730 0.666
2 1.834 1.868 2.092 0.183 0.187 0.189 0.996 0.884 0.818 0.718 0.776 0.722
3 1.962 1.972 1.966 0.185 0.188 0.188 0.906 0.898 0.888 0.784 0.828 0.834
4 2.102 2.062 1.816 0.193 0.188 0.188 0.790 0.900 0.970 0.948 0.880 0.918
5 2.198 2.112 1.650 0.199 0.190 0.186 0.698 0.880 1.024 1.072 0.912 0.986
极差 0.508 0.340 0.612 0.020 0.004 0.003 0.356 0.020 0.280 0.468 0.182 0.320

图10

不同圆形半径、个数、圆心高度下板块的最大应力"

图11

不同圆形半径、个数、圆心高度下板块的最大竖向位移"

图12

空心板块与实心板块弯拉应力对比"

图13

空心板块与实心板块竖向位移对比"

图14

板块搭接方式"

表9

使用梯形板间搭接方式时板块力学计算结果"

力学响应位置 最大主应力/MPa 剪应力/MPa 最大竖向位移/mm
受荷板一侧 1.179 0.200 0.516
未受荷板一侧 1.089 0.122 0.510

图15

梯形搭接方式下相邻板块竖向位移响应图"

1 王昊, 李鹏程, 毛洪录, 等. 水泥混凝土路面早期裂缝影响因素分析[J]. 山东大学学报(工学版), 2012, 42 (5): 108- 112.
WANG Hao , LI Pengcheng , MAO Honglu , et al. Analysis on influence factors of the early-age cracking of concrete pavement[J]. Journal of Shandong University(Engineering Science), 2012, 42 (5): 108- 112.
2 SYED A , SONPAROTE R . A review of precast concrete pavenment technology[J]. Baltic Journal of Road and Bridge Engineering, 2020, 15 (4): 22- 53.
doi: 10.7250/bjrbe.2020-15.493
3 SMITH P. Manual for jointed precast concrete pavement[R]. Carmel, USA: National Precast Concrete Association, 2019.
4 TAYABJI S. Precast concrete pavement current practices-2019[C]//International Conference on Airfield and Highway Pavements, Chicago, USA, 2019: 365-376.
5 TOMEK R . Advantages of precast concrete in highway infrastructure construction[J]. Procedia Engineering, 2017, 196, 176- 180.
doi: 10.1016/j.proeng.2017.07.188
6 SYED A , SONPAROTE R S . Development and early-age performance of an innovative prestressed precast concrete pavement[J]. Journal of Construction Engineering and Management, 2020, 146 (2): 05019018.
doi: 10.1061/(ASCE)CO.1943-7862.0001741
7 赵兰若, 赵鸿铎, 蔡爵威, 等. 考虑邻板高程差的装配式水泥路面行驶舒适性研究[J]. 公路交通科技, 2021, 38 (3): 14- 22.
doi: 10.3969/j.issn.1002-0268.2021.03.003
ZHAO Lanruo , ZHAO Hongduo , CAI Juewei , et al. Study on driving comfort of precast concrete pavement considering joint faulting[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2021, 38 (3): 14- 22.
doi: 10.3969/j.issn.1002-0268.2021.03.003
8 于华洋, 马涛, 王大为, 等. 中国路面工程学术研究综述·2020[J]. 中国公路学报, 2020, 33 (10): 1- 66.
doi: 10.3969/j.issn.1001-7372.2020.10.001
YU Huayang , MA Tao , WANG Dawei , et al. Review on China's pavement engineering research· 2020[J]. China Journal of Highway and Transport, 2020, 33 (10): 1- 66.
doi: 10.3969/j.issn.1001-7372.2020.10.001
9 VAITKUS A , GRAZULYTE J , KLEIZIENE R , et al. Concrete modular pavements-types, issues and challenges[J]. The Baltic Journal of Road and Bridge Engineering, 2019, 14 (1): 80- 103.
doi: 10.7250/bjrbe.2019-14.434
10 MADHKHAN M , ENTEZAM M , TORKI M J S I . Mechanical properties of precast reinforced concrete slab tracks on non-ballasted foundations[J]. Scientia Iranica, 2012, 19 (1): 20- 26.
doi: 10.1016/j.scient.2011.11.037
11 尹德清. 水泥混凝土空心路面应用研究与施工工艺[J]. 国外公路, 1999, (6): 16- 20.
YIN Deqing . Application research and construction technology of cement concrete hollow pavement[J]. Journal of Foreign Highway, 1999, (6): 16- 20.
12 查旭东, 王子威, 胡恒武, 等. 导光混凝土太阳能路面空心板块模拟与制备[J]. 长安大学学报(自然科学版), 2020, 40 (1): 87- 96.
ZHA Xudong , WANG Ziwei , HU Hengwu , et al. Simulation and preparation for hollow slab of solar pavement with light guide concrete[J]. Journal of Chang'an University(Natural Science Edition), 2020, 40 (1): 87- 96.
13 廖公云, 黄晓明. Abaqus有限元软件在道路工程中的运用[M]. 南京: 东南大学出版社, 2014: 283.
14 韩宇聪, 武科, 邢志豪, 等. 地铁车站大体积混凝土结构温度效应[J]. 山东大学学报(工学版), 2021, 51 (6): 93- 102.
HAN Yucong , WU Ke , XING Zhihao , et al. Temperature effect of mass concrete structure in subway station[J]. Journal of Shandong University(Engineering Science), 2021, 51 (6): 93- 102.
15 中国人民共和国交通运输部. 公路水泥混凝土路面设计规范: JTG D40—2011[S]. 北京: 人民交通出版社, 2011.
16 SADEGHI V , HESAMI S . Finite element investigation of the joints in precast concrete pavement[J]. Computers and Concrete, 2018, 21 (5): 547- 557.
17 谢年喜. 装配式水泥混凝土路面板底脱空损坏的力学响应分析[D]. 武汉: 湖北工业大学, 2019.
XIE Nianxi. Mechanical response analysis of voids beneath concrete slabs precast concrete pavement[D]. Wuhan: Hubei University of Technology, 2019.
18 李娣. 预制混凝土板快速修复水泥路面结构设计研究[D]. 南京: 东南大学, 2015.
LI Di. Study on concrete pavement structural design method of quick repair with precast concrete slab[D]. Nanjing: Southeast University, 2015.
19 陈雷, 王延章. 基于熵权系数与TOPSIS集成评价决策方法的研究[J]. 控制与决策, 2003, (4): 456- 459.
CHEN Lei , WANG Yanzhang . Research on TOPSIS integrated evaluation and decision method based on entropy coefficient[J]. Control and Decision, 2003, (4): 456- 459.
20 何鑫, 朱宏泉, 高成凤. 基于熵权法与TOPSIS法的房地产项目投资风险评价[J]. 商业研究, 2009, (3): 105- 108.
HE Xin , ZHU Hongquan , GAO Chengfeng . Risk evaluation of real estate project based on entropy weight model and TOPSIS method[J]. Commercial Rasearch, 2009, (3): 105- 108.
21 GOPALARTNAM V. Performance evaluation of precast prestressed concrete pavement[R]. Missouri, USA: Dept. of Transportation, 2007.
22 罗勇, 袁捷. 三维有限元法对水泥混凝土道面接缝传荷作用的模拟方法研究[J]. 公路交通科技, 2013, 30 (3): 32- 38.
LUO Yong , YUAN Jie . Research on simulation method for load transfer of joints of cement concrete pavement by 3D finite element method[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2013, 30 (3): 32- 38.
[1] 姚占勇 田腾辉. 不同轮压分布形式对半刚性路面结构力学响应的有限元分析[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(6): 105-110.
[2] 关小军,韩振强,申孝民,麻晓飞,刘运腾 . 09CuPTiRE钢动态再结晶的热模拟实验与有限元模拟[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(5): 17-20 .
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 王素玉,艾兴,赵军,李作丽,刘增文 . 高速立铣3Cr2Mo模具钢切削力建模及预测[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(1): 1 -5 .
[2] 张永花,王安玲,刘福平 . 低频非均匀电磁波在导电界面的反射相角[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(2): 22 -25 .
[3] 李 侃 . 嵌入式相贯线焊接控制系统开发与实现[J]. 山东大学学报(工学版), 2008, 38(4): 37 -41 .
[4] 施来顺,万忠义 . 新型甜菜碱型沥青乳化剂的合成与性能测试[J]. 山东大学学报(工学版), 2008, 38(4): 112 -115 .
[5] 孔祥臻,刘延俊,王勇,赵秀华 . 气动比例阀的死区补偿与仿真[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(1): 99 -102 .
[6] 来翔 . 用胞映射方法讨论一类MKdV方程[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(1): 87 -92 .
[7] 余嘉元1 , 田金亭1 , 朱强忠2 . 计算智能在心理学中的应用[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(1): 1 -5 .
[8] 李梁,罗奇鸣,陈恩红. 对象级搜索中基于图的对象排序模型(英文)[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(1): 15 -21 .
[9] 陈瑞,李红伟,田靖. 磁极数对径向磁轴承承载力的影响[J]. 山东大学学报(工学版), 2018, 48(2): 81 -85 .
[10] 王波,王宁生 . 机电装配体拆卸序列的自动生成及组合优化[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(2): 52 -57 .