重載交通下CTCP-CRCP復(fù)合路面振動試驗(yàn)研究

郭 超， 陸 征 然＊2， 侯 世 偉， 于 紅 梅

（1.沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；2.沈陽建筑大學(xué) 管理學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

0 引 言

國內(nèi)外眾多學(xué)者都將路面簡化為作用在基層上的彈性地基梁，基于質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)動力學(xué)微分方程，建立車輛-路面-路基振動體系平衡方程［1－3］.然后，通過微分變換求解車輛荷載作用下路面隨機(jī)動力響應(yīng)及其可靠性［4］，并在此過程中利用數(shù)值模擬仿真技術(shù)補(bǔ)充上述理論計(jì)算中的不足［5］.在理論分析的基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)對水泥路面服役狀態(tài)快速無損的檢測評價(jià)分析［6］，應(yīng)用車輛的懸掛系統(tǒng)對路面不同平整度的動力反應(yīng)［7］，間接實(shí)現(xiàn)測試路面振動響應(yīng)的試驗(yàn)研究［8］.同時(shí)，還利用原位振動監(jiān)測技術(shù)［9］、微地震技術(shù)［10］，監(jiān)測車輛荷載作用下路面體系中彈性波的傳播特性［11－12］，進(jìn)而獲得路面動力響應(yīng)特性［13］.此外，通過測試隨機(jī)車輛荷載激勵(lì)下的路面加速度幅值，以達(dá)到預(yù)測車輛荷載等級的目的［14－15］.然而，對于復(fù)合路面結(jié)構(gòu)在不同重載車輛作用下的加速度反應(yīng)現(xiàn)場測試并不多見.

本文針對不同重載尤其是嚴(yán)重超載車輛沖擊作用下，“三明治”式復(fù)合路面結(jié)構(gòu)中各層路面板的加速度反應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場測試，并對瀝青砂應(yīng)力吸收層的應(yīng)力吸收能力進(jìn)行探討，以期為復(fù)合路面在重載交通尤其是嚴(yán)重超載路段中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考.

1 試驗(yàn)路面工程概況

為了準(zhǔn)確獲得復(fù)合路面各結(jié)構(gòu)層振動特性，本次研究選擇在遼寧省營口市岫水線路面大修工程中設(shè)置“三明治”式復(fù)合路面結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段.

岫水線為連接大石橋市鋁鎂礦區(qū)與營口港區(qū)碼頭的主要干道，屬于典型的重載交通路段，而且當(dāng)?shù)夭捎酶邏狠喬サ某d現(xiàn)象客觀存在.此種超載已經(jīng)遠(yuǎn)超出了現(xiàn)有路面設(shè)計(jì)的范疇.因此，需要探索一種適合重載交通實(shí)際工程情況的路面結(jié)構(gòu).基于上述原因，本試驗(yàn)段選擇了“三明治”式復(fù)合路面結(jié)構(gòu)作為重載交通的試驗(yàn)路面結(jié)構(gòu).

本次研究的“三明治”式復(fù)合路面結(jié)構(gòu)主要由如下3部分組成：斜向交叉緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土上面板（CTCP）、瀝青砂（AS）應(yīng)力吸收層、連續(xù)配筋混凝土下面板（CRCP）.其中，CTCP能夠充分發(fā)揮保證路面連續(xù)、減少溫縮縫的優(yōu)勢；AS應(yīng)力吸收層則能有效地吸收重載車輛的沖擊作用；CRCP具有強(qiáng)度高的特性，可以抵抗重載交通下的車輛荷載作用，相應(yīng)的復(fù)合路面結(jié)構(gòu)如圖1所示，預(yù)應(yīng)力筋及端部鋼筋網(wǎng)平面布置如圖2所示.

圖1 CTCP-CRCP復(fù)合路面結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of CTCP-CRCP composite pavement

圖2 預(yù)應(yīng)力筋及端部鋼筋網(wǎng)布置Fig.2 Prestressing tendons and end mesh reinforcement distribution

此復(fù)合路面結(jié)構(gòu)采用C35商品混凝土進(jìn)行現(xiàn)場澆筑.其中，CTCP連續(xù)長度150m、寬6m、厚0.18m，在板中心層面處設(shè)置直徑15.2mm、間距0.8m，極限抗拉強(qiáng)度1 860MPa并與線路縱向交叉角度為30°的斜向交叉緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋網(wǎng)，所用路面材料參數(shù)如表1所示.

表1 路面材料參數(shù)Tab.1 Parameters of pavement material

CTCP中采用緩黏結(jié)劑涂敷和高密度聚乙烯護(hù)套包裹的預(yù)應(yīng)力鋼絞線.通過調(diào)整緩黏結(jié)劑配合比，可以控制其凝固時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)緩黏結(jié)的功能.當(dāng)緩黏結(jié)劑未凝固時(shí)，鋼絞線能夠在護(hù)套內(nèi)移動，此時(shí)相當(dāng)于無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，應(yīng)進(jìn)行初次張拉；當(dāng)緩黏結(jié)劑凝固后，鋼絞線與護(hù)套黏結(jié)在一起，且護(hù)套與混凝土澆筑成整體，此時(shí)就相當(dāng)于有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋.

利用緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋具備的無黏結(jié)與有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的雙重優(yōu)勢，將其應(yīng)用到水泥混凝土路面中，并通過分階段張拉預(yù)應(yīng)力筋的方法以實(shí)現(xiàn)無黏結(jié)向有黏結(jié)的轉(zhuǎn)換，具體實(shí)施過程如下：

首先，當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到5MPa，緩黏結(jié)劑保持液態(tài)，張拉預(yù)應(yīng)力筋至極限抗拉強(qiáng)度的30%，防止路面溫度收縮裂縫；然后，當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到16.7MPa，緩黏結(jié)劑固化前，張拉預(yù)應(yīng)力筋到極限抗拉強(qiáng)度的75%，抵抗路面板內(nèi)的溫度應(yīng)力；最后，當(dāng)緩黏結(jié)劑固化后，預(yù)應(yīng)力鋼絞線通過護(hù)套與混凝土路面實(shí)現(xiàn)有效黏結(jié)成為有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力路面.

CRCP為每節(jié)10m、寬6m、厚0.18m的雙向配筋混凝土板.上下面板間設(shè)置2cm AS應(yīng)力吸收層.下部為0.60m水泥穩(wěn)定碎石基層CSMB.

2 試驗(yàn)路面振動監(jiān)測原理

上述“三明治”式復(fù)合路面結(jié)構(gòu)為在重載交通下的首次應(yīng)用，因此，需要探索其在重載車輛沖擊作用下的工作性能.引起重載車輛振動的原因主要有車輛自身振動、路面不平整造成的車輛振動、車輛-路面耦合而產(chǎn)生的振動.重載車輛的振動作為路面振動的外部激勵(lì)，將進(jìn)一步引起路面各結(jié)構(gòu)層的振動，并且，這些振動將在路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部形成彈性波.然而，這類彈性波的頻率較低，屬于低頻振動，采集到的信號頻帶較窄，而高頻分量則在向地層深部的傳播過程中發(fā)生衰減.

為了測量重載車輛在復(fù)合路面中引起的沖擊作用，利用預(yù)先埋設(shè)在CTCP、CRCP內(nèi)的加速度計(jì)記錄各結(jié)構(gòu)層在不同軸載激勵(lì)下的全時(shí)加速度反應(yīng)譜.引入CTCP與CRCP加速度比值作為AS應(yīng)力吸收層的應(yīng)力吸收因數(shù)，通過概率統(tǒng)計(jì)分析，以反映其應(yīng)力吸收能力的強(qiáng)弱.

3 試驗(yàn)路面振動測試

3.1 測試儀器

試驗(yàn)中的加速度計(jì)為秦皇島市協(xié)力科技開發(fā)有限公司研制的YD301電壓輸出型（IEPE）單軸向加速度傳感器，靈敏度1V／（m·s－2），頻率0.1～500Hz，測 量 范 圍 5m·s－2，分 辨 率0.000 03m·s－2，尺寸30mm×32mm.加速度信號采集分析儀采用江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的DH8301高性能動態(tài)信號采集測試分析系統(tǒng)，其采樣頻率為80Hz.

3.2 測試過程

為了使加速度計(jì)的測量位置處于重載車輛軸載作用的中心部位，同時(shí)保證重載車輛通過測量位置處不會導(dǎo)致路面局部破壞，在試驗(yàn)路面中心車道投影處埋入加速度計(jì)及其保護(hù)裝置，包括加速度計(jì)保護(hù)盒、數(shù)據(jù)線防護(hù)鋼管等.將加速度計(jì)數(shù)據(jù)線通過防護(hù)鋼管引到澆筑路面混凝土模板外側(cè)的線纜井中.為提高測試成功率，在同一路面內(nèi)分別埋設(shè)兩組加速度計(jì).車輛荷載激勵(lì)下的路面加速度采集測試系統(tǒng)包括動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、220V配電箱、電腦等.試驗(yàn)過程中，采用115型重載卡車作為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)車，并且通過調(diào)整車載礦粉體積來實(shí)現(xiàn)100、200、300kN的不同軸載作用.

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

圖3 100kN時(shí)頻曲線Fig.3 TF curve under 100kN

復(fù)合路面中各結(jié)構(gòu)層在40km／h的重載車輛作用下，加速度全時(shí)波形及通過對其進(jìn)行傅里葉變換得到的頻率曲線如圖3～5所示.由圖3可知：在100kN標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，CTCP與CRCP加速度最大峰值分別為0.022、0.010m·s－2，路面板加速度時(shí)程曲線與相位相關(guān).振動主頻分布在7～15Hz，傅里葉變換幅值分別為1.2、0.4.

由圖4可知：在200kN超標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，CTCP與CRCP加速度最大峰值分別為0.039、0.015m·s－2，路面板加速度時(shí)程曲線與相位相關(guān).振動主頻分布在5～15Hz，傅里葉變換幅值分別為0.70、0.10.由圖5可知：在300kN超標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，CTCP與CRCP加速度最大峰值分別為0.059、0.025m·s－2，路面板加速度時(shí)程曲線與相位相關(guān).振動主頻分布在2～23Hz，傅里葉變換幅值分別為0.42、0.16.

圖4 200kN時(shí)頻曲線Fig.4 TF curve under 200kN

圖5 300kN時(shí)頻曲線Fig.5 TF curve under 300kN

以上3種軸載作用下復(fù)合路面結(jié)構(gòu)中CTCP、CRCP的加速度及傅里葉變換幅值測試結(jié)果如圖6所示.隨著軸載從100kN增加到300kN，CTCP的加速度從0.022m·s－2增加到0.059 m·s－2，傅里葉變換幅值從1.2下降到0.42；CRCP的加速度從0.010m·s－2增加到0.025 m·s－2，傅里葉變換幅值從0.4下降到0.16.

圖6 加速度／傅里葉變換幅值隨軸載變化曲線Fig.6 Curves of acceleration and Fourier transformation amplitude with axle load

將CTCP與CRCP加速度比值定義為AS應(yīng)力吸收層的應(yīng)力吸收因數(shù)α，并對其統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖7所示.從圖中可以看出，在100、200、300 kN軸載作用下，α分別服從LN（3.15，0.040）、LN（3.38，0.0.038）、LN（3.46，0.041）的對數(shù)正態(tài)分布，應(yīng)力吸收因數(shù)α均值隨著車輛軸載的增大而有少量增加，可取為3.38.

圖7 CTCP與CRCP加速度比值Fig.7 Ratio of CTCP and CRCP accelerations

5 結(jié) 論

（1）隨著車輛軸載的增加，復(fù)合路面結(jié)構(gòu)的加速度幅值呈現(xiàn)非線性增長的趨勢，而且CTCP的加速度增長更為顯著，重載車輛將引起復(fù)合路面結(jié)構(gòu)的大幅振動，從而使路面結(jié)構(gòu)進(jìn)入加速破壞階段.

（2）隨著車輛軸載的增加，復(fù)合路面結(jié)構(gòu)的加速度時(shí)程曲線的傅里葉變換幅值呈現(xiàn)非線性減小的趨勢，這從頻譜特征上進(jìn)一步說明了復(fù)合路面結(jié)構(gòu)受車輛荷載激勵(lì)影響的頻率范圍越來越大，路面結(jié)構(gòu)與重載車輛更容易發(fā)生共振.

（3）復(fù)合路面結(jié)構(gòu)中AS應(yīng)力吸收層能夠有效降低重載車輛對于CRCP的沖擊作用，從而進(jìn)一步緩解對基層、土基等結(jié)構(gòu)層的破壞作用，所以“三明治”式復(fù)合路面結(jié)構(gòu)可以在重載交通中發(fā)揮重要作用.