傳力桿對水泥混凝土路面的影響

李 磊

(山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司 太原市 030032)

為適應重載交通對高速公路路面的要求，采用水泥混凝土路面可以有效延長道路使用壽命，但由于水泥混凝土路面為剛性路面且路面荷載日趨增大，路面脹縮縫處應力較大，僅靠水泥混凝土材料的嵌鎖作用傳遞荷載已經(jīng)不能滿足道路的使用要求，容易在脹縮縫處產(chǎn)生斷裂、斷板和錯臺現(xiàn)象，嚴重影響了高速公路的使用性能和壽命[1-2]。覃炳賢等[3]對設置了傳力桿的水泥混凝土路面進行了實測分析，確定了傳力桿對防治路面病害有積極作用，曹云龍、王端宜等[4]通過數(shù)據(jù)調(diào)查認為傳力桿能夠有效地傳遞荷載，過去的研究主要是依靠現(xiàn)場數(shù)據(jù)實測，并沒有全面地分析接縫處設置傳力桿對水泥混凝土路面的影響，因此，通過對某公路的水泥混凝土路面接縫傳力桿設置進行有限元計算分析，得出傳力桿對變荷載水泥混凝土路面的影響。

1 路面結構有限元模型建立

建立水泥混凝土路面結構有限元模型，其中一個模型路面接縫處設置傳力桿，一個不設置傳力桿做對比分析，分析傳力桿對水泥混凝土路面的影響，在設置傳力桿的道路結構模型中考慮不同荷載情況下，傳力桿對水泥混凝土路面的影響。

在有限元模擬計算分析過程中，做以下假定：

(1)水泥混凝土路面結構下的地基滿足文克勒地基模型。

(2)水泥混凝土材料為各向同性、連續(xù)且均勻的材料。

(3)水泥混凝土路面與地基之間的接觸為完全連續(xù)，無脫空。

結合某公路的實際路面結構確定各部件物理及材料計算參數(shù)[5]見表1、表2。

表1 路面結構尺寸參數(shù)

注：傳力桿之間間距0.3m，共計13根，兩端埋置長度0.2m；接縫寬度0.01m

表2 各部件材料屬性

注：傳力桿橫截面為圓形且直徑為0.013m

該路面結構模型輪載作用在路面板中部，作用區(qū)域大小為18.6cm×19.6cm，兩輪中心距12.8cm，采用BZZ-100,水泥混凝土路面結構未設置傳力桿的如圖1、設傳力桿的如圖2。

本計算案例主要討論傳力桿對水泥混凝土路面的影響，并不研究傳力桿與水泥混凝土面板的接觸問題，故傳力桿與水泥混凝土之間采用嵌入約束；為提高計算精度與計算效率，非荷載區(qū)域的網(wǎng)格劃分采用全局布種0.4，荷載作用區(qū)域長邊為單精度個數(shù)6，寬邊為單精度個數(shù)4；水泥混凝土路面板單元類型為二十結點二次六面體單元,減縮積分,傳力桿單元類型為B31，邊界條件主要限制傳力桿X方向的轉動。路面結構有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖3。

將水泥混凝土路面分未設傳力桿與設傳力桿，分析應力與位移的變化，分析傳力桿對路面結構的影響。

2 有無傳力桿分析

將在接縫之間設傳力桿與不設傳力桿的水泥混凝土路面板的壓應力與豎向位移的分析云圖做對比，如圖4～圖7。

通過計算結果的云圖可知，從整體上分析：當不設置傳力桿時，水泥混凝土面板受車輪荷載時，壓應力與豎向位移的變化只發(fā)生在受荷板一側，未受荷板不受任何影響；當在兩板接縫之間設置傳力桿時，此時水泥混凝土面板在受到荷載時，不僅受荷板的壓應力與豎向位移發(fā)生變化，未受荷板在傳力桿的作用下，壓應力與豎向位移也隨著有一定的變化；當設置傳力桿時應力最大值將出現(xiàn)在傳力桿與混凝土接觸的位置，且設置傳力桿時荷載的影響范圍相較于未設置傳力桿時要小。

接下來從設置了傳力桿路面板層底最大豎向壓應力與位移的具體變化情況來分析。

水泥混凝土路面受荷板板底豎向位移隨道路橫斷面的變化規(guī)律如圖8。

從圖8分析可知，在接縫處設傳力桿時，受荷板一側整體豎向位移明顯減小，最大豎向位移位于輪載中心，有傳力桿時豎向位移為-0.00024m，無傳力桿時豎向位移為-0.00026m，有傳力桿時受荷板側最大豎向位移減小8%。

水泥混凝土路面未受荷板板底豎向位移隨道路橫斷面的變化規(guī)律如圖9。

通過前文的分析可知，在接縫處不設傳力桿時相鄰不受荷板無相關變化，通過圖9也可印證此規(guī)律；當在接縫處布設傳力桿時，相鄰未受荷板明顯發(fā)生豎向位移，最大豎向位移為0.00016m，說明傳力桿能有很好的傳力作用。

水泥混凝土路面受荷板側設傳力桿時與不設傳力桿時的最大拉應力變化規(guī)律如圖10。

在接縫處設傳力桿時的面層底最大拉應力為0.56MPa，在接縫處不設傳力桿時的面層底最大拉應力為0.64MPa，設傳力桿時的拉應力比不設傳力桿時的拉應力減少14%；由此表明設傳力桿能夠有效地傳力，控制減小荷載作用影響范圍。

水泥混凝土路面未受荷板側，設傳力桿時與不設傳力桿時的最大壓應力變化規(guī)律如圖11。

在接縫處設傳力桿時未受荷板的受荷區(qū)域?qū)拥鬃畲髩簯?.3MPa，在接縫處不設傳力桿時的最大壓應力約為0MPa；由此表明在路面板接縫處設置傳力桿之后，傳力桿能夠有效地傳遞車輪荷載，相鄰未受荷板能夠承受受荷板一側所傳遞過來的輪載。

3 荷載對傳力的影響

隨著社會的發(fā)展，道路承擔起更重的交通任務，超載現(xiàn)象時有發(fā)生，為研究水泥混凝土路面接縫處傳力桿隨著荷載的變化關系，設計了100kN、200kN、300kN、400kN的荷載。分析變荷載作用下傳力桿對水泥混凝土路面的影響。

隨著荷載的線性增加，由于水泥混凝土路面板被視作彈性材料，故層底豎向位移也表現(xiàn)為線性增長。

從圖13分析可知，隨著荷載以100kN遞增，受荷板面層底部的壓應力也隨之增加，增長的規(guī)律與豎向位移情況一般一致，其背后的機理也相同。

隨著荷載從100kN增長至400kN，由于傳力桿的作用，明顯可以看出相鄰未受荷板也受到了來自荷載板所傳遞過來的荷載，且隨著荷載的增加所分擔的荷載也隨之增加。

隨著荷載的增加，相鄰未受荷板層底壓應力也逐漸增加，但層底壓應力最大值并非發(fā)生在相對應的輪載相鄰區(qū)域，而是發(fā)生在板角處，表面由于傳力桿的作用，未受荷板受到傳遞過來的力，導致了板角翹曲。

圖12～圖15表明隨著荷載的線性增加，受荷板水泥混凝土面層底部的豎向位移也線性增加，層底所受壓應力也隨著荷載的增加而增加；在相鄰未受荷板側，隨著荷載的線性增加，未受荷板的層底豎向位移逐漸增加，為線性增長，未受荷板的層底壓應力也線性增加。

4 結論

文章從水泥混凝土面板接縫處是否設置傳力桿，通過建立模型對比分析得出以下結論。

(1)當路面板接縫處不設置傳力桿時，相鄰未受荷板基本不受任何影響，受荷板此時受輪載作用，受力影響范圍較大、豎向位移較大、層底拉應力較大。

(2)當路面板接縫處設置傳力桿時，受荷板豎向位移有所變化，此時豎向位移從-0.00053mm減少至-0.00048mm，減少了約10%的豎向位移；層底最大拉應力減小14%。相鄰未受荷板區(qū)域，豎向位移由之前的0mm變化為-0.00033mm，此時層底最大拉應力為0.3MPa。

(3)在接縫處設置傳力桿能夠有效地傳遞荷載，減小單一面板豎向位移與層底最大拉應力以及荷載作用的影響范圍。

(4)隨著荷載的增大，水泥混凝土面板之間通過接縫處設置的傳力桿，能夠有效地傳遞荷載到相鄰未受荷板，且通過傳力桿到相鄰未受荷板的力隨著荷載的增加線性增加，豎向位移也線性增加。