以三維有限元素法模擬混凝土版塊受力行為-以中正機場為例

Abstract

我國混凝土版塊在設計時主要是以國外的混凝土版塊設計規範作為設計上的參考依據。然而我國由於路基土壤類型與地區的氣候特性等客觀條件的不同，常使得設計出來的剛性道面壽命仍未能達到預期的目標，因此建立一系列能夠確實反映我國國情的鋪面設計因子實為相關主管單位所欲努力的課題。 以往混凝土版塊的設計方法多是以理論公式或是版塊實驗的觀察結果作為設計方法的依據，然而理論公式在使用上會受到推導過程中的假設所限制，使得理論公式多僅能解決簡單的受力問題，無法涵蓋各種複雜的現場環境。而在版塊實驗中所得到的觀察結果，則僅能確保適用在與實驗版塊的設計與環境都極為相似的情況中，要得到能夠適用於大部分情況的試驗結果，必須要長期就各種不同版塊設計與環境進行實驗才能求得。因此發展一個能夠模擬版塊實際受力情形的模型實有其必要性。本研究利用電腦模擬的方式，以有限元素軟體建立一三維版塊模型，並以「中正機場剛性鋪面版塊監測分析計畫」中所蒐集的版塊應變實測值作為版塊模型的驗證，以確認該模型在模擬上與版塊實際受載重與環境因素作用時的誤差。 本研究待版塊模型驗證完成後，以不同的中心線位置與版塊尺寸進行載重應力的模擬。研究中發現，若以近年來中正機場的航機起降狀況而言，當中心線位置位於版塊邊緣及版塊尺寸為7x7（公尺x公尺）時，航機對版塊的總疲勞損傷最小。

Designs of the concrete pavements are usually based on theoretic solutions or pavement experiments. Theoretic solutions are somehow limited by their hypotheses. They could predict simple mechanical reactions but they could not explain how concrete pavements would behave under complex situations. The results of pavement experiments could only be applied to those pavements that are under the same or similar situations as experiments’. It would take a long period of time experimenting on various designs and under many situations to get trustworthy results that could be applied to most pavement designs. A three-dimensional pavement model programmed with finite-element software would be presented in this paper. The model is verified by real pavement strain data which is gained from the plan of “Rigid Pavement Monitoring and Analysis in Chiang Kai-Shek International Airport” to evaluate the difference between real pavement behavior and modeling results. After the verification, the location of center lines and the size of concrete pavements would be modeled to find out suitable location of center lines and the size of concrete pavements.