水泥混凝土面層板剩余疲勞壽命分析

周獻(xiàn)高，任 帥

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530000)

0 引言

隨著高速公路里程的增長(zhǎng)和高速公路網(wǎng)的逐漸形成，高速公路的路面養(yǎng)護(hù)越來越受到重視和關(guān)注。對(duì)高速公路養(yǎng)護(hù)決策進(jìn)行研究，能有效轉(zhuǎn)換傳統(tǒng)公路養(yǎng)護(hù)管理理念，保證高速公路運(yùn)行效率，為路面管理決策者進(jìn)行路面使用性能評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)、合理分配資金需求、優(yōu)化路面養(yǎng)護(hù)決策方案等提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。

混凝土為脆性材料，受重復(fù)荷載作用時(shí)，構(gòu)件損傷度不斷增加，同時(shí)強(qiáng)度和模量隨之下降[1]。目前水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)方法主要是鉆芯測(cè)厚度和強(qiáng)度，F(xiàn)WD檢測(cè)估算基層頂面模量、板底脫空和橫縫傳荷系數(shù)，這些檢測(cè)手段均無法實(shí)測(cè)動(dòng)模量衰減量，也無法得到疲勞損傷及剩余疲勞壽命。本文通過對(duì)廣西某高速公路道路狀況現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、檢測(cè)、路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，試圖采用路面力學(xué)其他參數(shù)指標(biāo)的衰減結(jié)合交通荷載狀況來預(yù)估混凝土板的剩余壽命。

1 交通量調(diào)查與分析

從沿線各收費(fèi)站收集2006-2016年本路段交通量及車型分布比例，計(jì)算出2006-2015年全年累計(jì)設(shè)計(jì)車道(慢車道)和快車道承受的當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次，見表1。

表1 上行車道2006-2016年歷年累計(jì)當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次表

2 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

對(duì)于路面來講，慢車道承受約70%重車作用[2](現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范推薦高速公路單向2車道的設(shè)計(jì)車道的分配系數(shù)為0.70～0.85)，快車道承受約30%重車作用。

將實(shí)測(cè)基層頂面模量、上行快車道累計(jì)當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次和上行慢車道累計(jì)當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次的比值(0.43)列于表2，根據(jù)該表建立的基層頂面模量衰減關(guān)系見圖2。

圖1 基頂回彈模量衰減方程示意圖

車道基頂回彈模量平均代表值Et(MPa)ExtE0tNxeN2006-2016e初始490.51.000上行一車道360.340.730.25上行二車道306.460.621.00

圖2 基頂回彈模量衰減關(guān)系圖

根據(jù)圖2，建立基層頂面模量隨累計(jì)當(dāng)量軸載作用次數(shù)降低的衰減方程：

(1)

αEt=0.951 8·e-0.419x

(2)

(3)

式中，αEt——基層頂面模量衰減系數(shù)；

βNe——以2006-2016年累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)為基數(shù)的累計(jì)軸次系數(shù)；

應(yīng)用基層頂面模量衰減方程可計(jì)算其衰減系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見下頁表3。

表3 基頂回彈模量衰減系數(shù)表

3 地基模量換算

Winkler地基上無限大板的相對(duì)剛度半徑為[3]：

(4)

彈性實(shí)體地基上無限大板的相對(duì)剛度半徑為[2]：

(5)

式中，l——地基板的相對(duì)剛度半徑，mm；

Ec——混凝土彈性模量，MPa；

νc——混凝土泊松比；

K0——Winkler地基反應(yīng)模量，MPa/mm；

Et——彈性實(shí)體地基模量，MPa；

hc——混凝土板厚度，mm。

取混凝土泊松比為0.15，令上兩種地基板相對(duì)剛度半徑相等，得到兩種地基模量的換算關(guān)系式：

(6)

根據(jù)此關(guān)系式，將本次檢測(cè)的4個(gè)車道地基模量E0換算為Winkler地基反應(yīng)模量K0，列于表4，以用于后文采用EverFE對(duì)混凝土板應(yīng)力進(jìn)行分析。

表4 彈性實(shí)體地基的模量與Winkler

4 按現(xiàn)行規(guī)范分析路面疲勞損耗及疲勞壽命

采用現(xiàn)行公路水泥混凝土路面規(guī)范(2011年)確定板厚時(shí)，水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)以面層板在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，在行車荷載和溫度梯度綜合作用下，不產(chǎn)生疲勞斷裂作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；并以最重軸載和最大溫度梯度共同作用下，不產(chǎn)生極限斷裂作為驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)。其極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式可分別采用式(7)和式(8)表示：

γr(σpr+σtr)≤fr

(7)

γr(σp，max+σt，max)≤fr

(8)

根據(jù)實(shí)測(cè)的基層頂面模量、面板厚度、混凝土模量和換算彎拉強(qiáng)度代表值，取可靠度系數(shù)為1.2，采用現(xiàn)行路面設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算的路面疲勞壽命列于表5。應(yīng)該指出，表5采用的參數(shù)：地基模量代表值、板厚、混凝土模量和混凝土面板彎拉強(qiáng)度均是在完好板塊實(shí)測(cè)，因此計(jì)算的疲勞壽命是這些完好板塊的疲勞壽命估算值。

表5 按現(xiàn)行規(guī)范取值計(jì)算的車道剩余疲勞壽命表

對(duì)比表1可以發(fā)現(xiàn)，2016年的各車道累計(jì)經(jīng)受當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次(η=0.2)遠(yuǎn)大于表5的剩余疲勞壽命，但目前這些板塊完好且顯然不可能所有的板塊在一年之內(nèi)全部壞掉，可見現(xiàn)行路面設(shè)計(jì)規(guī)范的混凝土面板疲勞分析不能反映路面的真實(shí)狀況。

5 按本文方法取值分析面板疲勞損耗

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)混凝土面板長(zhǎng)5 000 mm，寬4 000 mm，車道與標(biāo)線幾何關(guān)系見圖3。

圖3 車道與標(biāo)線幾何關(guān)系圖

實(shí)際車輛一般情況下在標(biāo)線中央行駛，據(jù)此提出本檢測(cè)路段的力學(xué)模型(圖4)，實(shí)際輪印邊緣距縱縫邊緣631 mm。采用EverFE分析圖4所示的模型在標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN作用下的AB軸上的荷載應(yīng)力σPS，同時(shí)采用現(xiàn)行規(guī)范的方法計(jì)算溫度疲勞應(yīng)力σtr，進(jìn)而分析估算路面的剩余疲勞壽命。

圖4 混凝土板荷載應(yīng)力計(jì)算力學(xué)模型圖

混凝土板長(zhǎng)5 000 mm，寬4 000 mm，厚度260 mm左右，單元?jiǎng)澐职彘L(zhǎng)向50格、板寬向40格、板厚向5層，單元?jiǎng)澐帜Ｐ鸵妶D5，應(yīng)力云圖見圖6，最大應(yīng)力坐標(biāo)點(diǎn)為X=2 500 mm，Y=1 200 mm。荷載應(yīng)力及剩余疲勞壽命計(jì)算結(jié)果見表6，表中混凝土板參數(shù)為調(diào)查路段代表值，因此計(jì)算得疲勞壽命偏安全，需要說明的是此疲勞壽命僅是目前完好板塊的。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN作用下面板單元?jiǎng)澐质疽鈭D

圖6 標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN作用下無脫空板板底應(yīng)力云圖

車道基頂回彈模量代表值Et(MPa)混凝土板厚Hc代表值(m)混凝土彎拉回彈模量Ec(MPa)混凝土板彎拉強(qiáng)度fr(MPa)荷載應(yīng)力σps(MPa)最大溫度應(yīng)力σt,max(MPa)溫度疲勞應(yīng)力σtr(MPa)疲勞壽命Ne(標(biāo)準(zhǔn)軸次)1010上行一車道360.340.269 333 3994.5840.6471.6410.60710.019上行二車道306.460.259 132 0794.3300.7031.5760.5920.759

6 結(jié)語

(1)按混凝土面層板的臨界荷位的位置在縱縫邊緣中部計(jì)算，得到的疲勞壽命與實(shí)際路況相差較大，因此本文采用臨界荷位的位置在輪印邊緣計(jì)算。

(2)計(jì)算得到的疲勞壽命可用于養(yǎng)護(hù)對(duì)策分析，確定中長(zhǎng)期養(yǎng)護(hù)規(guī)劃方案。

[1]楊 健.淺談混凝土裂縫的原因及處理方法[J].黑龍江科技信息，2009(33)：339.

[2]JTG D40-2011，公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]黃 衛(wèi)，錢振東.高等水泥混凝土路面設(shè)計(jì)理論與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2000.