傳力桿直徑對(duì)水泥混凝土路面?zhèn)骱尚阅苡绊懙臄?shù)值分析

丘概新

(廣東省高速公路有限公司)

1 引言

水泥混凝土路面長(zhǎng)期處于自然環(huán)境中，在大氣溫度周期性的變化下會(huì)產(chǎn)生溫度變形。倘若這種變形受到約束，將會(huì)成為板內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)板內(nèi)應(yīng)力超出容許范圍時(shí)，板即產(chǎn)生不規(guī)則裂縫，被擠壓碎，甚至隆起。為了消除溫度引起的內(nèi)應(yīng)力，需要用縱向和橫向各種形式的接縫將道面分割開來。

普通水泥混凝土路面設(shè)置切縫的目的是避免溫度變化引起的不規(guī)則開裂。然而，接縫的設(shè)置又破壞了結(jié)構(gòu)的整體性，反而成為路面中的薄弱環(huán)節(jié)。因此，《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F30-2003)規(guī)定，特重、重交通高速公路水泥混凝土路面應(yīng)采用每條縮縫插傳力桿的結(jié)構(gòu)形式。實(shí)踐表明，接縫插傳力桿可以有效地提高接縫傳荷能力，并減小錯(cuò)臺(tái)量，改善行車舒適性;同時(shí)，由于傳力桿和拉桿能夠?qū)④囕喓奢d向四周的板塊進(jìn)行傳遞，減小了直接承受輪載作用面板的內(nèi)應(yīng)力，因此使面板的疲勞應(yīng)力強(qiáng)度比有所降低，使用壽命可提高3年以上;又由于板角傳力桿與拉桿的存在，提高了板角對(duì)脫空斷裂的抵抗能力。

我國(guó)對(duì)傳力桿的研究工作較少，傳力桿的設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步完善。如傳力桿的適宜直徑如何設(shè)計(jì)，直徑過小，不能有效地傳遞荷載;直徑過大，采用傳力桿自動(dòng)插入法施工時(shí)，會(huì)影響接縫部位的施工質(zhì)量，并直接導(dǎo)致路面平整度變差。因此，我國(guó)學(xué)術(shù)界有兩個(gè)截然不同的觀點(diǎn):一個(gè)觀點(diǎn)從提高水泥混凝土路面平整度的角度，認(rèn)為現(xiàn)有規(guī)范的傳力桿直徑過粗，應(yīng)該采用較細(xì)的傳力桿直徑;另外一個(gè)觀點(diǎn)從減少面板錯(cuò)臺(tái)的角度，認(rèn)為需采用比現(xiàn)有規(guī)范推薦傳力桿直徑更粗的傳力桿。采用合適的傳力桿直徑對(duì)于提高高速公路水泥混凝土路面工程質(zhì)量和延長(zhǎng)路面壽命具有重要意義。因此，建立水泥混凝土路面的有限元模型，采用剛性路面分析程序KENSLABS研究傳力桿直徑和間距對(duì)路面?zhèn)骱尚阅艿挠绊憽?/p>

2 傳力桿直徑對(duì)路面?zhèn)骱尚阅苡绊懙臄?shù)值分析

2.1 建立有限元模型

采用黃仰賢教授編寫的剛性路面分析程序KENSLABS分析傳力桿尺寸對(duì)路面力學(xué)性能，并根據(jù)某高速公路的路面結(jié)構(gòu)建立有限元模型。面板長(zhǎng)5 m，寬4.5 m，彈性模量為3.1 GPa，泊松比為0.15?；鶎雍穸?7 cm，彈性模量為1 300 MPa，底基層厚度為17 cm，彈性模量為600 MPa，路基彈性模量為40 MPa，各結(jié)構(gòu)層泊松比為0.4，根據(jù)《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D40-2002)可得到基層頂部當(dāng)量回彈模量為198 MPa。標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN荷載作用在板邊。接縫處設(shè)置傳力桿，接縫寬為3 mm。傳力桿間距為30 cm，假定板和基層間無空隙。面板有限元網(wǎng)格可見圖1。

2.2 不同傳力桿直徑對(duì)傳荷效率的影響

根據(jù)數(shù)值分析可知，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用在板邊接縫邊緣時(shí)的位移是最大的。因此，分析采用不同直徑傳力桿，受荷板和未受荷板接縫邊緣的彎沉差和接縫傳荷系數(shù)，計(jì)算結(jié)果可見表1，接縫傳荷系數(shù)計(jì)算公式如下

式中:wu為未受荷板接縫邊緣處的彎沉值;wl為受荷板接縫邊緣處的彎沉值。

圖1 水泥路面的有限元網(wǎng)格

由表1可見，水泥混凝土面層彎沉差隨著傳力桿直徑的增大而呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。傳力桿直徑小于38 mm時(shí)，隨著傳力桿直徑增大，面板縮縫的傳荷能力有了明顯的提高，相鄰兩塊板之間的沉降差減少，可以有效地減少路面的錯(cuò)臺(tái)和斷板現(xiàn)象。傳力桿直徑大于和等于38 mm時(shí)，面板的沉降差和傳荷系數(shù)減少的趨勢(shì)減緩，傳荷系數(shù)大于80%，由表2可知，傳荷能力可達(dá)到優(yōu)良等級(jí)。

表1 不同直徑傳力桿對(duì)傳荷效率影響 mm

表2 接縫的傳荷能力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 不同傳力桿間距對(duì)傳荷效率的影響

假定傳力桿直徑為35 mm和30 mm，分析不同傳力桿間距對(duì)傳荷系數(shù)的影響。由表3和表4可知:隨著傳力桿間距的減少，面板縮縫的傳荷能力有了明顯的提高，相鄰兩塊板之間的沉降差減少。傳力桿直徑為30 mm，間距為250 mm與傳力桿直徑為35 mm，間距為300 mm的傳荷系數(shù)和沉降差都非常接近。這說明減少傳力桿間距可以有效提高接縫的傳荷能力，減少錯(cuò)臺(tái)和斷板病害。

表3 不同傳力桿間距對(duì)傳荷效率影響 mm

表4 不同傳力桿間距對(duì)傳荷效率影響 mm

續(xù)表4

3 結(jié)論

(1)根據(jù)數(shù)值分析可知，水泥混凝土面層彎沉差隨著傳力桿直徑的增大而呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。傳力桿直徑小于38 mm時(shí)，隨著傳力桿直徑增大，面板縮縫的傳荷能力有了明顯的提高，傳力桿直徑大于和等于38 mm時(shí)，面板的沉降差和傳荷系數(shù)減少的趨勢(shì)減緩。

(2)傳力桿間距對(duì)水泥路面?zhèn)骱尚视绊戄^大，減少傳力桿間距可以有效提高接縫的傳荷能力，減少錯(cuò)臺(tái)和斷板病害。

(3)對(duì)于承受特重或重交通路面應(yīng)增大傳力桿直徑，建議設(shè)置直徑38 mm的傳力桿，傳力桿間距為30 cm，或者傳力桿直徑尺寸參照現(xiàn)行規(guī)范，但是縮小傳力桿間距到20～25 cm。

[1]廣東省交通廳.廣東省水泥混凝土路面施工技術(shù)指南[J］.2009.

[2]高偉，徐明.水泥混凝土路面縮縫傳荷體系的力學(xué)分析與優(yōu)化[J］.公路，2008，(6):83-87.

[3]黃仰賢.路面分析與設(shè)計(jì)[M］，人民交通出版社，1998.