论文部分内容阅读
【摘要】针对近年来人行道地砖出现大量病害这一问题，基于Abaqus对人行道地砖受力进行研究，进而讨论地砖破坏的原因。首先通过实验测得常见人行道砖的弹性模量等参数，然后通过Abaqus数值模拟得到人行道砖的应力分布。对人行道地砖的设计优化有重要意义。
【关键词】地砖；破坏；统计；应力分布
1、引言
人行道地砖被广泛应用于城市道路改造中，近年来城市人行道地砖出现大量病害，除了施工质量问题，排水不当等原因，人行道被移作他用也是重要原因之一。越来越多的人行道地砖被用作机动车停靠，加剧了人行道破坏。文中采用统计、实验与数值模拟相结合的方法对人行道地砖破坏的原因进行了分析研究。首先去城市人行道调研，收集整理人行道地砖的破坏情况。然后，通过查阅规范了解人行道地砖的要求，并采购地砖样本进行实验采集人行道地砖强度。最后，通过Abaqus软件模拟不同种类地砖受力，得到应力分布与位移分布，分析地砖破坏原因。
2、人行道地砖破坏情况统计
在兰州市城关区、安宁区、西固区进行人行道地砖病害样本收集（主要为正方形光面砖与矩形透水砖）。对收集到的样本进行分类整理，从砖体形状，砖体类型，砖体断裂位置方面进行统计，得到样本病害普遍结论。
砖体形状主要分为：正方形（250*250*50），矩形（115*230*60与100*200*60） 单位：mm
砖体类型分为：混凝土光面砖，透水砖
砖体断裂位置分为：中心位置，边缘位置，四角位置，整体破坏
通过统计得到：
3、实验数据
4、数值模拟
4.1模型的简化
1.汽车轮胎与地面接触面常简化成圆形或矩形垂直均布接触模型。圆形图示简单，多在力学解计算时使用；矩形模拟较符合实际，且图示较为简单，便于在力学数值求解时使用。当汽车处于停驻状态时，仅考虑竖向接触应力，本研究中选择矩形垂直均布接触模型。轮印面积按式（1）计算
（1）
式中：A为轮印面积；P为一个车轮上的荷载；p为轮胎压力，kPa
常见的家用型车满载时的总重取2000㎏，因汽车静止时前后轴荷是平衡的，故一个车轮上的荷载为5000N；标准气压是240-280kPa，因单位压强p与轮胎内压大致相等，为简化计算，取250kPa，故轮印面积为 。紧凑型车的轮胎宽度大概在195㎜-225㎜之间，接地面矩形宽度取200㎜，故矩形长度为100㎜。
2.由于地砖之间均用水泥砂浆砌好，地砖的位移转角可忽略不计，可将边界条件简化为面固支。
4.2有限元计算参数
从表3中，从数值模拟结果可得，人行道砖在车辆荷载和人群荷载作用下，应力和应变存在极大差异，当车辆停驻在人行道上，通过车轮作用在人行道砖上的荷载更易造成人行道砖破坏。因为相比于人群荷载，车辆荷载对人行道砖的作用效果明显得多：车辆荷载作用下人行道砖产生的最大位移约是人群荷载作用的150倍；对于尺寸为230*115*60的人行道砖，在车辆荷载作用下，砖体产生的最大应力是人群荷载的97倍，尺寸为200*100*60的人行道砖为143倍，尺寸为250*250*50的人行道砖为54倍。故长期作用下，对于人行道砖的使用性能会产生不利的影响。另外，人行道砖可能自身存在孔洞等缺陷，在车辆荷载作用下，砖体更容易发生破坏。
对于人行道砖易破坏位置分析，正方形光面砖应力最大位置位于四边中点位置，最大应力为0.431Mpa，所以四边中间位置附近易发生破坏，随后裂纹扩展导致边角断裂。应变最大处位于底面中心，考虑到弹性地基对地砖的作用，其最大位移处也为应力较大处，所以也有可能从中间断裂。长方形透水砖应力最大处位于长边中点位置，尺寸为230*115*60的人行道砖最大应力为0.828MPa，200*100*60人行道砖为1.306Mpa，因此长方形人行道砖易在长边中点附近发生破坏，最后从中间断为两截。其最大位移相比于正方形人行道砖砖要小很多，所以长方形砖主要是从长边中点开始破坏最后整体从中间断开。
5、结论
本文按照人行道地砖铺装原则，设计并完成了人行道地砖强度实验，发现正方形光面砖多破坏于边角断裂与中心断裂，长方形透水砖多破坏于中间断裂。为了更深入研究这一现象，在Abaqus中进行了数值模拟，发现破坏位置为应力最大处相对应。解释了常见正方形与长方形人行道砖破坏的现象。证实了人行道地砖用于机动车辆的停靠，会影响人行道砖的使用。但导致人行道砖破坏的直接原因和如何设计人行道地砖使得它能承受更多荷载，有待进一步开展理论和实验研究。
参考文献：
[1]石亦平，周玉蓉，2006，Abaqus有限元分析实例详解[M]，北京：机械工业出版社.
[2]陈忠达，2009，路基路面工程[M]，北京：人民交通出版社.
[3]宋勇，梁彦龙，马学军，张垚.汽车轮胎与路面接触应力分布特点及力学模型[J]，公路交通科技杂志，2014，31（10）：112-118.
[4]牛玺荣，韩萍，张晓燕.车轮荷载下路基和基底竖向应力计算[J].长安大学学报：自然科学版，2011，31（1）：26-30
[5]公路工程技术标准（JTG B01-2014）[S].北京：人民交通出版社.
[6]砂基透水砖（JG/T 376-2012）[S].北京：中国标准出版社
[7]混凝土路面砖（GB 28635-2012）[S].北京：中国标准出版社.
【关键词】地砖；破坏；统计；应力分布
1、引言
人行道地砖被广泛应用于城市道路改造中，近年来城市人行道地砖出现大量病害，除了施工质量问题，排水不当等原因，人行道被移作他用也是重要原因之一。越来越多的人行道地砖被用作机动车停靠，加剧了人行道破坏。文中采用统计、实验与数值模拟相结合的方法对人行道地砖破坏的原因进行了分析研究。首先去城市人行道调研，收集整理人行道地砖的破坏情况。然后，通过查阅规范了解人行道地砖的要求，并采购地砖样本进行实验采集人行道地砖强度。最后，通过Abaqus软件模拟不同种类地砖受力，得到应力分布与位移分布，分析地砖破坏原因。
2、人行道地砖破坏情况统计
在兰州市城关区、安宁区、西固区进行人行道地砖病害样本收集（主要为正方形光面砖与矩形透水砖）。对收集到的样本进行分类整理，从砖体形状，砖体类型，砖体断裂位置方面进行统计，得到样本病害普遍结论。
砖体形状主要分为：正方形（250*250*50），矩形（115*230*60与100*200*60） 单位：mm
砖体类型分为：混凝土光面砖，透水砖
砖体断裂位置分为：中心位置，边缘位置，四角位置，整体破坏
通过统计得到：
3、实验数据
4、数值模拟
4.1模型的简化
1.汽车轮胎与地面接触面常简化成圆形或矩形垂直均布接触模型。圆形图示简单，多在力学解计算时使用；矩形模拟较符合实际，且图示较为简单，便于在力学数值求解时使用。当汽车处于停驻状态时，仅考虑竖向接触应力，本研究中选择矩形垂直均布接触模型。轮印面积按式（1）计算
（1）
式中：A为轮印面积；P为一个车轮上的荷载；p为轮胎压力，kPa
常见的家用型车满载时的总重取2000㎏，因汽车静止时前后轴荷是平衡的，故一个车轮上的荷载为5000N；标准气压是240-280kPa，因单位压强p与轮胎内压大致相等，为简化计算，取250kPa，故轮印面积为 。紧凑型车的轮胎宽度大概在195㎜-225㎜之间，接地面矩形宽度取200㎜，故矩形长度为100㎜。
2.由于地砖之间均用水泥砂浆砌好，地砖的位移转角可忽略不计，可将边界条件简化为面固支。
4.2有限元计算参数
从表3中，从数值模拟结果可得，人行道砖在车辆荷载和人群荷载作用下，应力和应变存在极大差异，当车辆停驻在人行道上，通过车轮作用在人行道砖上的荷载更易造成人行道砖破坏。因为相比于人群荷载，车辆荷载对人行道砖的作用效果明显得多：车辆荷载作用下人行道砖产生的最大位移约是人群荷载作用的150倍；对于尺寸为230*115*60的人行道砖，在车辆荷载作用下，砖体产生的最大应力是人群荷载的97倍，尺寸为200*100*60的人行道砖为143倍，尺寸为250*250*50的人行道砖为54倍。故长期作用下，对于人行道砖的使用性能会产生不利的影响。另外，人行道砖可能自身存在孔洞等缺陷，在车辆荷载作用下，砖体更容易发生破坏。
对于人行道砖易破坏位置分析，正方形光面砖应力最大位置位于四边中点位置，最大应力为0.431Mpa，所以四边中间位置附近易发生破坏，随后裂纹扩展导致边角断裂。应变最大处位于底面中心，考虑到弹性地基对地砖的作用，其最大位移处也为应力较大处，所以也有可能从中间断裂。长方形透水砖应力最大处位于长边中点位置，尺寸为230*115*60的人行道砖最大应力为0.828MPa，200*100*60人行道砖为1.306Mpa，因此长方形人行道砖易在长边中点附近发生破坏，最后从中间断为两截。其最大位移相比于正方形人行道砖砖要小很多，所以长方形砖主要是从长边中点开始破坏最后整体从中间断开。
5、结论
本文按照人行道地砖铺装原则，设计并完成了人行道地砖强度实验，发现正方形光面砖多破坏于边角断裂与中心断裂，长方形透水砖多破坏于中间断裂。为了更深入研究这一现象，在Abaqus中进行了数值模拟，发现破坏位置为应力最大处相对应。解释了常见正方形与长方形人行道砖破坏的现象。证实了人行道地砖用于机动车辆的停靠，会影响人行道砖的使用。但导致人行道砖破坏的直接原因和如何设计人行道地砖使得它能承受更多荷载，有待进一步开展理论和实验研究。
参考文献：
[1]石亦平，周玉蓉，2006，Abaqus有限元分析实例详解[M]，北京：机械工业出版社.
[2]陈忠达，2009，路基路面工程[M]，北京：人民交通出版社.
[3]宋勇，梁彦龙，马学军，张垚.汽车轮胎与路面接触应力分布特点及力学模型[J]，公路交通科技杂志，2014，31（10）：112-118.
[4]牛玺荣，韩萍，张晓燕.车轮荷载下路基和基底竖向应力计算[J].长安大学学报：自然科学版，2011，31（1）：26-30
[5]公路工程技术标准（JTG B01-2014）[S].北京：人民交通出版社.
[6]砂基透水砖（JG/T 376-2012）[S].北京：中国标准出版社
[7]混凝土路面砖（GB 28635-2012）[S].北京：中国标准出版社.