水泥混凝土路面结构力学分析软件KENSLABS

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内容简介

第1章 绪论
　　1.1 KENSLABS发展及应用简介
　　作为主流的路面结构形式之一，水泥混凝土路面结构的力学分析颇具挑战，这些挑战性主要体现在：水泥混凝土路面结构由面层、基层、底基层、垫层、土基等组成，筑路材料包括水泥混凝土、无机结合料、细粒土、粒料、钢筋等，各种材料工程特性复杂，彼此差异甚大；水泥混凝土面层呈块状，横向、纵向分别通过传力杆、拉杆予以联系；直接承受复杂轮载的重复作用，轮载作用位置并不确定；暴露于自然环境中，深受气温、降水等的影响，如设计、施工不当，易产生开裂、断板、上拱、唧泥、脱空、传力杆失效等病害，严重制约其路用性能。
　　1926年，Westergaard发表“Stresses in concrete pavements computed by theoretical analysis”一文，奠定了水泥混凝土路面结构力学分析的理论基础。但早期刚性路面的荷载应力分析及设计方法存在诸多问题与不足。20世纪中期，随着有限元法的创建以及电子计算机技术的迅猛发展，人们更多地使用有限元法来预测水泥混凝土路面结构的力学响应，从而更深入地理解路面结构行为，发展更为有效的路面设计方法，并科学揭示路面破坏机制。水泥混凝土路面结构的数值分析离不开相应的电算软件，由美国肯塔基大学Yang H. Huang教授主持研发的、基于有限元法的KENSLABS无疑是一款划时代的标志性软件。
　　该软件于1973年开始研究，并获得持续发展与改进。1985年Huang教授在第三届水泥混凝土路面设计与修复国际会议上发表“A computer package for structural analysis of concrete pavements”一文，介绍了KENSLABS程序；1993年，Huang教授在其所著Pavement Analysis and Design一书中更为全面地介绍了KENSLABS软件DOS版本的算法原理(Huang，1993)；2004年，Pavement Analysis and Design第二版出版(Huang，2004)，KENSLABS由早年的DOS版本调整为Windows 版本，与基于弹性层状体系理论的KENLAYER软件整合并命名为KENPAVE。值得一提的是，这些程序中的“KEN”字样表示肯塔基州或肯塔基大学，当时美国不少大学开发的路面力学专业软件通常都采用类似的命名方法，如MICHPAVE(美国密歇根州立大学开发的轴对称非线性有限元程序，用于沥青路面结构分析)、ILLIPAVE(美国伊利诺伊州立大学开发的轴对称非线性有限元程序，用于沥青路面结构分析)；而“SLABS”字样则表示用于水泥混凝土路面分析。
　　KENSLABS软件可考虑多块板，每块板可有不同的厚度与平面尺寸；可考虑单层板或双层板；地基模型可选用稠密液体地基、固体地基或层状地基；可考虑轮载、温度梯度等荷载的作用；可考虑部分接触(板底脱空)问题等。尤其需要指出的是，Huang教授著作Pavement Analysis and Design第一版相应的中文版《路面分析与设计》于1998年由人民交通出版社出版(黄仰贤，1998)，积极促进了该软件在国内的应用。关于该软件的正确性、可靠性等，Huang教授已通过与解析解、影响图、ILLI-SLAB计算程序等的比较，充分予以证实，详见Pavement Analysis and Design一书，此处不再赘述。
　　国内应用此软件的代表性研究工作主要包括：倪富健等(2002)应用KENSLABS程序的单块板常规分析计算功能，计算了不同路面结构在不同轴载作用下的板底拉应力和温度应力。冯光乐等(2004)应用KENSLABS程序的多块板、双层板、固体地基、温度翘曲、初始间隙等特性，分析了面层和基层底的弯拉应力。丘概新(2012)应用KENSLABS程序的接缝模拟功能，分析了传力杆直径对路面传荷性能的影响。刘竹君(2015)应用KENSLABS程序的初始间隙、接缝模拟、温度翘曲、损伤分析等特性，研究了板底脱空情况下水泥混凝土路面力学响应和设计寿命。杨鑫玮(2016)采用KENSLABS程序计算分析了温度、板厚、轴载三个因素对两种高性能混凝土路面结构力学响应的影响。蒋鑫等(2017)利用KENSLABS程序探讨了板底脱空对水泥混凝土路面接缝传荷的影响。吴玉(2017)、Wu等(2017)应用KENSLABS程序的地基季节调整系数功能，探讨了土基模量衰变对水泥混凝土路面结构轮致损伤的影响。Gu等(2019)较为系统地比较了KENSLABS与EverFE两款用于水泥混凝土路面结构分析的专用有限元程序。古含焱(2020)考虑路基填挖方土体回弹模量与沉降变形的不均匀性，利用KENSLABS程序分析了半填半挖路基水泥混凝土路面结构的力学行为。
　　1.2 本书主要内容
　　虽然KENSLABS是一款出色的水泥混凝土路面结构有限元计算分析程序，但对于初次接触的用户来说难以上手，原因如下：
　　(1) KENSLABS的DOS版本含有5个算例，有关的数据文件在随书磁盘中，Pavement Analysis and Design一书尽管在第4、5章、附录C、附录D中有所介绍，但限于篇幅，并未详细提供使用手册，读者需将这些数据文件打印出来，研究其内容，在KENSLABS上运行，观察其输出，方对其有一定感性认识。
　　(2)KENSLABS的Windows版本含有6个算例，Pavement Analysis and Design第二版也于第4、5章介绍了该程序，附录C关于KENPAVE的介绍则比较简略，读者主要通过安装KENSLABS后研读软件帮助文档方可初步入门。
　　(3)一般情况下有限元软件的使用多遵循前处理、计算求解、后处理的流程，核心工作是前处理(即模型建立)，包括计算模型范围、单元类型及网格剖分、材料模型及参数、边界条件、初始条件、荷载等内容，但Pavement Analysis and Design一书暂未按此通用流程介绍该程序的使用。
　　本书主要从应用层面(尤其是模型建立、计算结果处理与阐释)出发，详细解读基于DOS版本和Windows版本的KENSLABS程序标准算例，包括数据输入文件的编写、注意事项等，可大大降低用户的使用门槛，同时加深读者使用有限元法开展水泥混凝土路面结构力学分析的认知深度。
　　本书所使用的安装程序可以在Pavement Analysis and Design第一版、第二版的随书磁盘、光盘中获取，分别为DOS版本和Windows版本。为便于读者更加深刻地了解KENSLABS程序的功能及使用方法，程序附有数个标准算例供读者学习参考(DOS版本、Windows版本分别含有5个、6个算例)，所有算例数据输入文件均包含在随书磁盘、光盘中。关于这些算例的简要描述，对于DOS版本，见《路面分析与设计》附录C.4；对于Windows版本，则见KENPAVE程序安装后主界面的EDITOR→Editor Screen→Examples→Kenslabs中。表1-1为其DOS、Windows两个版本所有算例的简介汇总。
　　表1-1 两个版本的算例设置
　　第一篇 基于DOS版本的KENSLABS剖析