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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

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128

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"

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