水泥混凝土路面板的動力特性試驗分析

周榆 周彥慶 劉晉林 吳江

湖南城市學院土木工程學院（413000）

水泥混凝土路面板的動力特性試驗分析

周榆 周彥慶 劉晉林 吳江

湖南城市學院土木工程學院（413000）

水泥混凝土路面板的脫空程度不同時，其振動特性存在差異性。通過在水泥混凝土路面板頂布設傳感器，對其進行瞬態(tài)沖擊獲得不同脫空程度下路面板的加速度、速度、位移時程曲線，并對其動力特性變化情況進行了分析。通過這些試驗研究，為以后的水泥混凝土路面板脫空檢測提供一定的參考。

脫空；動力特性；瞬態(tài)沖擊；DASP

水泥混凝土路面是高級路面，它具有較高的強度、穩(wěn)定性、耐久性和良好的平整度、粗糙度，能夠適應繁重和快速交通的要求，在我國道路網中占有相當大的比重。但是在路面板塊與板塊之間的接縫位置，由于車輛的重復作用和雨水的滲入，板下基礎容易產生一定的塑性變形和唧泥，導致板底脫空。目前，由于脫空導致的水泥混凝土路面斷板是影響我國混凝土路面使用性能和壽命的主要病害。為了便于對脫空部位壓漿或封底修復，必須對脫空部位和脫空程度進行準確的檢測和判斷。人工敲擊混凝土路面聽聲法由于受到人的主觀判斷，且需要熟練的工人操作，準確性難以保證并且難以推廣。落錘式彎沉儀(FWD)和探地雷達測試技術[1]雖然應用比較廣泛，但設備昂貴維護費用高，且很難定量的分析脫空面積，其檢測結果的可靠性也有待進一步深化。聲振法[2-3]檢測是激勵被測試件產生機械振動（聲波），通過測量其振動的聲學特征來判定脫空情況的技術。聲振法在檢測混凝土路面板脫空上有一定的突破，但其操作比較復雜并且用于實際工程中時的可靠度還有待進一步的研究確定。

水泥混凝土路面板在不同的脫空程度下，檔期受到瞬態(tài)激勵時，路面板振動所產生的加速度、速度、位移等動力特性參數是有差異的，通過對不同脫空面積的路面板進行試驗，分析和比較各種脫空情況下的加速度、速度、位移的變化情況，為以后混凝土路面板的脫空檢測及評價提供一定的參考。

1 試驗方案

在試驗室地基上澆筑長寬為3.0m×3.0m、厚度為0.15m的水泥混凝土板作為試驗路面板。采用將邊角地基逐步掏空的方式設置不同的三角形脫空面積,該試驗共設置了:0、312.5 cm2、2 500 cm2、5 000 cm2、7 500 cm2、11 250 cm2等六種不同的脫空面積，脫空面積與試驗板的面積比（S脫空/S）分別為0.000 0、0.003 5、0.027 8、0.055 6、0.083 4、0.125 0。沿脫空角對角線布設5個拾振器（如圖1所示），1#布設在脫空角，5#布設在板中心位置，陰影部分為脫空區(qū)域。

本次測試拾震器采用壓電式傳感器，數據采集及分析系統(tǒng)采用北京東方振動和噪聲研究所DASP系統(tǒng)。信號采集與分析系統(tǒng)包括拾震器、放大器、數據采集系統(tǒng)與數據分析系統(tǒng)等。采用力錘在脫空角的對角位置A點（見圖1）進行瞬態(tài)沖擊激振，使試驗路面板產生振動，通過對其響應信號進行采集并分析處理，得到混凝土板在不同脫空狀態(tài)下的動力特性。

圖1 試驗路面板及其拾振器布設圖

2 路面板振動動力特性分析

用DASP系統(tǒng)中的時域分析法對拾振器所采集的數據進行時域分析，得到6種不同脫空面積比情況下1#～5#拾振器位置的振動信號強度峰值。為了數據便于分析,每次激勵結果以板中心5#點位置信號強度峰值為基準,對其他測點進行歸一化處理。考慮到1#位置的特殊性，本次試驗以1#點為重點對象進行分析，主要考慮其在不同脫空面積比下的加速度、速度、位移歸一化值的變化情況。

2.1 加速度分析

圖2為1#位置在不同脫空面積比時加速度歸一化值變化情況。由圖2可以看出，隨著脫空面積比的增大，1#位置的加速度歸一化值也在逐步減小，當脫空面積比大于0.08時，其值變化趨小，近乎直線；脫空面積比小于0.08時，脫空板角的加速度歸一化值與脫空面積比有著較好的線性關系；脫空板角的加速度歸一化值，沒有脫空時為2.0左右，當脫空面積比較大時，其值趨于1.0。

圖21 #位置在不同脫空面積比時的加速度歸一化值

2.2 速度分析

圖3為1#位置在不同脫空面積比時速度歸一化值變化情況。由圖3可以看出，隨著脫空面積比的增大,脫空板角位置的速度歸一化值在逐步增大，但當脫空面積比大于0.08時，其值變化趨緩；當脫空面積比大于0.08時，脫空板角的速度歸一化值與脫空面積比近乎線性關系。

圖31 #位置在不同脫空面積比時速度的歸一化值

2.3 位移分析

圖41 #位置在不同脫空面積比時唯一歸一化值變化情況

圖4為1#位置在不同脫空面積比時唯一歸一化值變化情況。與圖4中可以看出，隨著脫空程度的增加，1#位置的位移歸一化值逐步增大，二者近乎成線性關系，當脫空面積比大于0.06時，隨著脫空面積比的繼續(xù)增大,其位移歸一化值增速趨緩；當脫空面積為0時，在脫空板角位置的位移歸一化值近為1.0，當脫空面積比大于0.16時，位移歸一化值趨于4.0。

綜合分析比較加速度、速度、位移歸一化值隨脫空面積比的變化情況，可以發(fā)現(xiàn)在脫空面積比較小時,隨著水泥混凝土路面板的脫空面積比的增大，板角的動力特征歸一化值變化較大，其值與脫空面積比近似成線性關系;隨著脫空面積比的繼續(xù)增大，動力特征歸一化值變化趨緩。

3 結論

1）隨著脫空面積比的增大，1#位置的加速度歸一化值也在逐步減小,當脫空面積比大于0.08時,其值變化趨小，近乎直線；脫空面積比小于0.08時，脫空板角的加速度歸一化值與脫空面積比有著較好的線性關系。

2）隨著脫空面積比的增大，脫空板角位置的速度歸一化值在逐步增大，但當脫空面積比大于0.08時，其值變化趨緩；當脫空面積比大于0.08時，脫空板角的速度歸一化值與脫空面積比近乎線性關系。

3）隨著脫空程度的增加，1#位置的位移歸一化值逐步增大，二者近乎成線性關系，當脫空面積比大于0.06時，隨著脫空面積比的繼續(xù)增大，其位移歸一化值增速趨緩。

[1]梁新政,潘衛(wèi)育,徐宏.路面無損檢測技術新發(fā)展[J].公路, 2002,09.

[2]彭永恒,陳靜云,潘寶峰,等.聲振法對剛性路面板脫空狀況檢測應用的研究[J].公路交通科技,2005,22(3):54～57.

[3]彭永恒,張肖寧,羅躍綱.給予頻率下降率的剛性路面脫空自適應神經網絡識別研究[J].公路,2004(2):50～53.

（201211527002），湖南省大學生研究性與創(chuàng)新性項目。

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目