CRCP制動板錨固強度影響因素分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計

黃小平

(貴州省高速公路建設(shè)總公司，貴州貴陽550004)

1 分析模型的建立

連續(xù)配筋混凝土路面(簡稱CRCP)除在特殊位置處設(shè)置必須的橫向接縫外，其余部位不設(shè)任何形式的縮縫，由于縱向連續(xù)鋼筋對水泥混凝土縱向變形的約束作用，使混凝土收縮裂縫細小而均勻分散，形成完整、連續(xù)的行車路面，從而解決了普通水泥混凝土路面由于存在各類接縫造成的多種病害，其路用性能大大優(yōu)于普通水泥混凝土路面［1］。但由于路面板預(yù)留接縫極少，溫度上升引起的縱向膨脹變形相對較大，對路面板兩端結(jié)構(gòu)物的安全造成不利影響［2］。因此，必須在連續(xù)配筋混凝土路面兩端設(shè)置錨固設(shè)施，用以阻止溫度變形引起的縱向膨脹變形。為了克服現(xiàn)行規(guī)范推薦使用的錨固地梁等設(shè)施存在施工難度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高等問題，筆者研究開發(fā)了一種新型錨固設(shè)施——端部制動板。本文即分析其受力特點并推薦結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。

根據(jù)試驗工程實體結(jié)構(gòu)，分析模型制動板厚度為0.5 m，長度為10.0 m，制動板板下路基厚度為5 m，板左側(cè)、右側(cè)土體寬度分別取1 m，5 m。自頂向下建立幾何模型，即直接按實際尺寸生成面，其相對應(yīng)的較低層的圖元對象會自動產(chǎn)生。用于分析端部制動板受力情況的計算模型如圖1［3－4］，路面基層和面層材料參數(shù)如表1。

圖1 制動板計算模型Fig.1 Brake board computing model

表1 路面結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)Table 1 Material parameters of pavement layer

2 錨固強度影響因素分析

2.1 影響因素

制動板端部錨固強度以位移和最大應(yīng)力表征。影響因素主要有端部錨固力(FX)、制動板長度(L)、路基回彈模量(E0)、混凝土彈性模量(E1)、基層彈性模量(E2)。取試驗路實測數(shù)據(jù)作為計算參數(shù)FX=500 kN/m，L=10 m，E0=60 MPa，E1=30 000 MPa，E2=1 700 MPa。通過變化某一參數(shù)，固定其余參數(shù)的方式分析各因素的影響。5個影響因素與位移，最大應(yīng)力的變化規(guī)律見表2。

表2 位移、最大應(yīng)力隨各影響因素變化分析結(jié)果Table 2 Displacement，maximum stress with analysis of each factor changes

2.2 結(jié)果分析

由表2可知:

1)制動板位移和最大應(yīng)力隨著端部錨固力的增加相應(yīng)有所增加。

2)隨制動板長度增加，其位移減少，最大應(yīng)力則基本保持不變，因此可得出制動板長度對彎矩的影響不明顯。

3)制動板位移隨著混凝土彈性模量的增加而減少，最大應(yīng)力增大，但變化幅度都不明顯。因此，在工程實踐中，不需要調(diào)整制動板混凝土配合比。

4)連續(xù)配筋混凝土路面主要應(yīng)用于重載交通高等級的公路，故選取高速公路和一級公路常見路面基層的彈性模量，隨著基層彈性模量的增加，制動板端部位移和最大應(yīng)力均減小，尤其當(dāng)采用貧混凝路基層時，制動板端部位移僅0.87 cm。因此，與制動板相接的路面基層強度大小對制動板錨固效果影響很大。

5)不同土質(zhì)的路基具有不同的回彈模量，根據(jù)工程實踐采取不同的路基回彈模量，計算分析得出制動板位移和最大應(yīng)力與路基回彈模量的關(guān)系，隨著路基回彈模量的增加，制動板位移和最大應(yīng)力均減小，提高路基回彈模量可有效增加制動板錨固效果。

3 制動板結(jié)構(gòu)設(shè)計

在我國，連續(xù)配筋混凝土路面主要應(yīng)用于重載、大交通量、路基工作環(huán)境差等情況的特殊路段［5］。應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟性和技術(shù)可行性要求，綜合考慮當(dāng)?shù)刈匀粭l件、路面結(jié)構(gòu)形式等實際情況，確定結(jié)構(gòu)合理、錨固可考的端部制動板結(jié)構(gòu)形式。

端部制動板開埋置深度不宜過大。當(dāng)原地基為不同土體時，開挖深度過大會造成不同程度的影響，而且導(dǎo)致經(jīng)濟大幅度降低，經(jīng)分析，建議制動板厚度應(yīng)該控制為0.5 m左右。

3.1 與制動板端部接觸的路面結(jié)構(gòu)及計算參數(shù)

以板端部位移量作為確定制動板結(jié)構(gòu)尺寸的控制指標(biāo)，根據(jù)JTG D 40—2002《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》［6］、JTG D 50—2006《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》［7］相關(guān)要求和示范工程實體結(jié)構(gòu)情況，確定制動板端部最大位移量為2 cm。在具體設(shè)計計算時，設(shè)置不同條件下的計算參數(shù)，假定幾種制動板幾何尺寸，采用有限元方法確定位移量。與連續(xù)配筋混凝土路面端接觸的路面結(jié)構(gòu)組合形式及各結(jié)構(gòu)層計算參數(shù)見表3。

表3 連續(xù)配筋混凝土路面結(jié)構(gòu)推薦類型Table 3 The structure type of bridge deck pavement

3.2 推薦的制動板結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)表3路面結(jié)構(gòu)形式及相應(yīng)計算參數(shù)，通過反復(fù)假定與驗算，得出不同條件下制動板最優(yōu)幾何尺寸，如表4。

表4 制動板結(jié)構(gòu)尺寸類型Table 4 Brake board size type table /m

4 結(jié)語

應(yīng)用有限元軟件計算、分析了端部制動板的端部位移與最大應(yīng)力受各因素影響而變化的規(guī)律，得到以下結(jié)論:

1)各影響參數(shù)均隨制動板端部錨固力的增加而增加。

2)隨著制動板長度、基層彈性模量、土基彈性模量的增大，端部位移相應(yīng)減小，而混凝土彈性模量對位移的影響不明顯。建議在實際工程中不需要調(diào)整制動板混凝土的配合比，可采用與路面板同一等級的混凝土澆注。

3)土基彈性模量與基層彈性模量對制動板位移與最大應(yīng)力值影響相對較大。因此，在連續(xù)配筋混凝土路面設(shè)計中，應(yīng)優(yōu)先采用彈性模量較大的基層(如貧混凝土基層、水泥穩(wěn)定碎石基層)。

4)當(dāng)采用連續(xù)配筋混凝土路面時，可以通過增加與CRCP相接路面結(jié)構(gòu)基層的彈性模量或提高制動板下方路基強度來減小制動板位移量和最大應(yīng)力。

5)根據(jù)路面結(jié)構(gòu)形式及有限元軟件計算，得出在不同條件下，滿足實際工程所需要的制動板最優(yōu)幾何尺寸。

［1］張彬.連續(xù)配筋路面端部錨固地梁研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2006.

［2］胡長順，曹東偉.國家自然科學(xué)基金項目研究報告:連續(xù)配筋混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法研究［R］.西安:長安大學(xué)，2000.

［3］周氏，李詠楷.鋼筋混凝土有限元分析［M］.南京:河海大學(xué)出版社，1988:88 －102.

［4］尚曉江，邱峰，趙海峰，等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與應(yīng)用范例［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.

［5］呂西林，金國芳.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性有限元理論及應(yīng)用［M］.上海:同濟大學(xué)出版社，1997:49－69.

［6］JTG D 40—2002公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2003.

［7］JTG D 50—2006《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》［S］.北京:人民交通出版社，2006.