傳力桿設(shè)置形式對低等級水泥路面?zhèn)骱傻挠绊懷芯?/h1>
2020-08-24 07:27:28羊金賢
交通科技 2020年4期
羊金賢
(海南路橋工程有限公司 三亞 572000)
隨著鄉(xiāng)村振興策略的迅速實施，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，農(nóng)村公路逐漸采用水泥混凝土路面形式，但由于農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以往的水泥混凝土路面標(biāo)準(zhǔn)及形式等級普遍較低，易出現(xiàn)錯臺、翹曲等公路病害問題，極大地加重了農(nóng)村公路養(yǎng)護(hù)成本，且往往未設(shè)置傳力桿，相鄰板之間不能進(jìn)行荷載傳遞。農(nóng)村公路相對于傳統(tǒng)高速公路有地質(zhì)地形差異較大、施工大型機(jī)械無法進(jìn)場質(zhì)量無法保證、公路橫斷面窄的特點，為減少水泥混凝土路面在接縫處產(chǎn)生斷裂、錯臺等現(xiàn)象，減少公路養(yǎng)護(hù)成本，推薦在農(nóng)村公路結(jié)構(gòu)中設(shè)置傳力桿[1-3]。蔣應(yīng)軍等[4]認(rèn)為溫度對水泥混凝土路面?zhèn)骱捎绊懛浅４?，溫度效?yīng)主要分為翹曲效應(yīng)和脹縮效應(yīng)兩部分，脹縮效應(yīng)一定程度上有助于緩解設(shè)傳力桿路面翹曲變形。周德云等[5]選用道路常用的汽車荷載參數(shù)和路面結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用有限元法分析了軸載作用于縱縫和橫縫邊緣時的接縫傳荷能力，并通過整理分析建立了撓度傳荷系數(shù)與應(yīng)力傳荷系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。楊斌[6]對桂柳高速公路混凝土路面接縫傳荷能力進(jìn)行了現(xiàn)場測試，采用有限元程序CPAP對混凝土路面板在不同荷載能力下彎拉應(yīng)力及撓度進(jìn)行了計算分析，得出保持接縫傳荷能力可有效降低路面板彎拉應(yīng)力，且撓度對防止混凝土路面斷裂破壞具有重要作用的結(jié)論。
過去對傳力桿的研究主要集中高速公路上，農(nóng)村公路由于其有自身的特點，因此，按照農(nóng)村公路尺寸及基本形式建立相應(yīng)道路模型，以分析傳力桿安裝形式在農(nóng)村公路中的效用。
1 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)模型建立
以某水泥混凝土路面，建立水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型。
在有限元模擬計算分析過程中，做以下假定：
1) 地基采用文克勒地基模型。
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。
輪載作用在水泥混凝土路面板中部，作用區(qū)域大小為18.6 cm×19.6 cm，2輪中心距12.8 cm。本文研究在橫向縮縫處設(shè)置傳力桿對路面?zhèn)骱傻挠绊懀⒉谎芯吭诿浛p處設(shè)置滑動傳力桿以及在縱縫處設(shè)置拉桿對水泥混凝土路面的影響，傳力桿布置位置及輪載作用區(qū)域見圖1。
圖1 傳力桿布置位置及輪載作用區(qū)域
以傳力桿直徑為26 mm、間距為0.3 m為例，某公路路面結(jié)構(gòu)尺寸見表1。
表1 路面結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)
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，荷載區(qū)域的網(wǎng)格劃2.5 cm×2.5 cm；水泥混凝土路面板單元類型為二十節(jié)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(zhuǎn)動，荷載采用BZZ-100；路面結(jié)構(gòu)有限元模型及網(wǎng)格劃分見圖2。
圖2 路面結(jié)構(gòu)模型
水泥混凝土路面接縫傳荷能力通常定義為接縫一側(cè)直接承受荷載的混凝上板向另一側(cè)間接承受荷載的板塊進(jìn)行荷載傳遞的能力。具體表征傳荷能力的直接指標(biāo)是接縫兩側(cè)所承受的位移或者荷載的比值[7]。即:
式中：α為接縫撓度傳荷系數(shù)；U1為受荷板豎向位移，mm；U2為未受荷板豎向位移，mm。
2 計算結(jié)果分析
為研究傳力桿安裝形式對傳荷的影響，對比傳力桿分別在不同安裝部位、角度、間距時，水泥混凝土路面?zhèn)骱傻挠绊懸?guī)律。
2.1 安裝角度對傳荷的影響
研究傳力桿在安裝角度為0°，15°，30°，45°情況下，對水泥混凝土接縫處傳荷的影響，安裝形式見圖3。
圖3 傳力桿安裝角度示意圖
通過模型計算結(jié)果分析并繪制出受荷板豎向位移、未受荷板豎向位移隨安裝角度的變化規(guī)律見圖4、圖5。
圖4 受荷板側(cè)豎向位移
由圖4可見，隨著傳力桿彈性模量的增長，當(dāng)傳力桿安裝角度由0°逐漸變化為45°時，受荷板側(cè)豎向位移基本不受影響。
圖5 未受荷板側(cè)豎向位移
由圖5可見，隨著傳力桿安裝角度從0°變化為45°，未受荷板側(cè)產(chǎn)生的豎向位移略微逐漸增加，表明未受荷板豎向位移受傳力桿安裝角度有一定的影響，但影響的程度較小。
經(jīng)計算，撓度傳荷系數(shù)隨著傳力桿安裝角度從0°逐漸增加至45°，豎向傳荷撓度系數(shù)分別對應(yīng)為0.691，0.697，0.698，0.692，即隨著傳力安裝角度的增加，傳荷撓度系數(shù)基本不變，說明傳力桿安裝角度對結(jié)構(gòu)受力影響不明顯。
2.2 安裝間距對傳荷的影響
研究傳力桿在不同間距情況下對水泥混凝土接縫處傳荷的影響，設(shè)計傳力桿布設(shè)間距從0.3，0.4 m增加至0.5 m。其中傳力桿間距為0.3 m時，傳力桿為13根。同樣地，傳力桿間距為0.4 m時，傳力桿為11根；傳力桿間距為0.5 m時，傳力桿為9根。傳力桿縱向以接縫為中心對稱布置，豎向位于板厚的中部。
通過模型計算結(jié)果分析并繪制出受荷板豎向位移、未受荷板豎向位移隨傳力桿布設(shè)間距的變化規(guī)律見圖6、圖7。
圖6 受荷板側(cè)豎向位移
由圖6可見，傳力桿布設(shè)間距從0.3 m變化到0.5 m，受荷板側(cè)最大豎向位移分別對應(yīng)為0.239，0.242，0.244 mm，表明隨著傳力桿間距的逐漸增加，受荷板側(cè)豎向位移逐漸增加，傳力桿傳力能力隨著間距的加大而減弱。
圖7 未受荷板側(cè)豎向位移
由圖7可見，傳力桿布設(shè)間距從0.3 m變化到0.5 m，未受荷板側(cè)產(chǎn)生的豎向位移逐漸降低，豎向位移分別為0.165，0.156，0.148 mm，該現(xiàn)象再次表明隨著傳力桿布設(shè)間距的增加，傳力效果減弱。
經(jīng)計算，當(dāng)傳力桿布設(shè)間距分別為0.3，0.4，0.5 m時，撓度傳荷系數(shù)分別對應(yīng)為0.69，0.64，0.60，表明隨著傳力桿布設(shè)間距的加大，傳荷系數(shù)逐漸減小，基本呈線性變化。
2.3 安裝部位對傳荷的影響
為研究傳力桿在不同布設(shè)位置對水泥混凝土接縫處傳荷的影響，設(shè)計了如圖8的布設(shè)方式。
圖8 傳力桿安裝部位橫斷面示意圖(單位：mm)
通過模型計算結(jié)果分析并繪制出受荷板豎向位移、未受荷板豎向位移隨傳力桿布設(shè)位置的變化規(guī)律，見圖9、圖10。
圖9 受荷板側(cè)豎向位移
由圖9可見，傳力桿布設(shè)在受荷板上部、中部、下部時，受荷板側(cè)豎向位移相差不大，其豎向位移分別為0.236，0.239，0.236 mm，從結(jié)果中可以看出，在上部、下部對稱布置時，受荷板側(cè)產(chǎn)生的豎向位移相同，但在中部布設(shè)時，受荷板側(cè)豎向位移相較于上、下布置，產(chǎn)生的位移明顯增加。
圖10 未受荷板側(cè)豎向位移
由圖10可見，傳力桿在上部與下部布置時，未受荷板側(cè)產(chǎn)生的豎向位移完全一致，最大豎向位移為0.159 mm。當(dāng)傳力桿布設(shè)位置為中部時，未受荷板側(cè)的豎向位移與另外2種布設(shè)方式比較。明顯增加，此時的最大豎向位移為0.165 mm。
經(jīng)計算，傳力桿在面板上部與下部對稱布置時，撓度傳荷系數(shù)均為0.676，在面板中部布設(shè)時，撓度傳荷系數(shù)明顯增加，此時為0.69，表明在中部布設(shè)傳力桿能夠更加有效地傳遞行車荷載。
3 結(jié)語
通過設(shè)置不同安裝形式的傳力桿，分析受荷板與未受荷板的豎向位移，以及撓度傳荷系數(shù)得出以下結(jié)論。
1) 傳力桿安裝角度從平行于行車方向，逐漸增加至斜向45°，撓度傳荷系數(shù)基本處于0.69，說明傳力桿安裝角度對混凝土面板間的傳荷影響極小。
2) 傳力桿安裝間距0.3，0.4，0.5 m，隨著安裝間距的逐漸增加，傳力桿密度減小，撓度傳荷系數(shù)逐漸降低，表面?zhèn)骱赡芰χ饾u降低。故在設(shè)計過程中應(yīng)在保證經(jīng)濟(jì)性的前提下，加大布設(shè)密度。
3) 當(dāng)傳力桿安裝部位為上、中、下時，其中上、下布設(shè)為對稱布置，上、下部位布設(shè)傳力桿時，撓度傳荷系數(shù)相同，表面?zhèn)骱赡芰σ恢?，?dāng)傳力桿布設(shè)在中部時，撓度傳荷系數(shù)明顯增加，故在設(shè)計時應(yīng)當(dāng)將傳力桿布設(shè)于混凝土面板中部。
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過去對傳力桿的研究主要集中高速公路上，農(nóng)村公路由于其有自身的特點，因此，按照農(nóng)村公路尺寸及基本形式建立相應(yīng)道路模型，以分析傳力桿安裝形式在農(nóng)村公路中的效用。
1 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)模型建立
以某水泥混凝土路面，建立水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型。
在有限元模擬計算分析過程中，做以下假定：
1) 地基采用文克勒地基模型。
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。
輪載作用在水泥混凝土路面板中部，作用區(qū)域大小為18.6 cm×19.6 cm，2輪中心距12.8 cm。本文研究在橫向縮縫處設(shè)置傳力桿對路面?zhèn)骱傻挠绊懀⒉谎芯吭诿浛p處設(shè)置滑動傳力桿以及在縱縫處設(shè)置拉桿對水泥混凝土路面的影響，傳力桿布置位置及輪載作用區(qū)域見圖1。
圖1 傳力桿布置位置及輪載作用區(qū)域
以傳力桿直徑為26 mm、間距為0.3 m為例，某公路路面結(jié)構(gòu)尺寸見表1。
表1 路面結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)
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，荷載區(qū)域的網(wǎng)格劃2.5 cm×2.5 cm；水泥混凝土路面板單元類型為二十節(jié)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(zhuǎn)動，荷載采用BZZ-100；路面結(jié)構(gòu)有限元模型及網(wǎng)格劃分見圖2。
圖2 路面結(jié)構(gòu)模型
水泥混凝土路面接縫傳荷能力通常定義為接縫一側(cè)直接承受荷載的混凝上板向另一側(cè)間接承受荷載的板塊進(jìn)行荷載傳遞的能力。具體表征傳荷能力的直接指標(biāo)是接縫兩側(cè)所承受的位移或者荷載的比值[7]。即:
式中：α為接縫撓度傳荷系數(shù)；U1為受荷板豎向位移，mm；U2為未受荷板豎向位移，mm。
2 計算結(jié)果分析
為研究傳力桿安裝形式對傳荷的影響，對比傳力桿分別在不同安裝部位、角度、間距時，水泥混凝土路面?zhèn)骱傻挠绊懸?guī)律。
2.1 安裝角度對傳荷的影響
研究傳力桿在安裝角度為0°，15°，30°，45°情況下，對水泥混凝土接縫處傳荷的影響，安裝形式見圖3。
圖3 傳力桿安裝角度示意圖
通過模型計算結(jié)果分析并繪制出受荷板豎向位移、未受荷板豎向位移隨安裝角度的變化規(guī)律見圖4、圖5。
圖4 受荷板側(cè)豎向位移
由圖4可見，隨著傳力桿彈性模量的增長，當(dāng)傳力桿安裝角度由0°逐漸變化為45°時，受荷板側(cè)豎向位移基本不受影響。
圖5 未受荷板側(cè)豎向位移
由圖5可見，隨著傳力桿安裝角度從0°變化為45°，未受荷板側(cè)產(chǎn)生的豎向位移略微逐漸增加，表明未受荷板豎向位移受傳力桿安裝角度有一定的影響，但影響的程度較小。
經(jīng)計算，撓度傳荷系數(shù)隨著傳力桿安裝角度從0°逐漸增加至45°，豎向傳荷撓度系數(shù)分別對應(yīng)為0.691，0.697，0.698，0.692，即隨著傳力安裝角度的增加，傳荷撓度系數(shù)基本不變，說明傳力桿安裝角度對結(jié)構(gòu)受力影響不明顯。
2.2 安裝間距對傳荷的影響
研究傳力桿在不同間距情況下對水泥混凝土接縫處傳荷的影響，設(shè)計傳力桿布設(shè)間距從0.3，0.4 m增加至0.5 m。其中傳力桿間距為0.3 m時，傳力桿為13根。同樣地，傳力桿間距為0.4 m時，傳力桿為11根；傳力桿間距為0.5 m時，傳力桿為9根。傳力桿縱向以接縫為中心對稱布置，豎向位于板厚的中部。
通過模型計算結(jié)果分析并繪制出受荷板豎向位移、未受荷板豎向位移隨傳力桿布設(shè)間距的變化規(guī)律見圖6、圖7。
圖6 受荷板側(cè)豎向位移
由圖6可見，傳力桿布設(shè)間距從0.3 m變化到0.5 m，受荷板側(cè)最大豎向位移分別對應(yīng)為0.239，0.242，0.244 mm，表明隨著傳力桿間距的逐漸增加，受荷板側(cè)豎向位移逐漸增加，傳力桿傳力能力隨著間距的加大而減弱。
圖7 未受荷板側(cè)豎向位移
由圖7可見，傳力桿布設(shè)間距從0.3 m變化到0.5 m，未受荷板側(cè)產(chǎn)生的豎向位移逐漸降低，豎向位移分別為0.165，0.156，0.148 mm，該現(xiàn)象再次表明隨著傳力桿布設(shè)間距的增加，傳力效果減弱。
經(jīng)計算，當(dāng)傳力桿布設(shè)間距分別為0.3，0.4，0.5 m時，撓度傳荷系數(shù)分別對應(yīng)為0.69，0.64，0.60，表明隨著傳力桿布設(shè)間距的加大，傳荷系數(shù)逐漸減小，基本呈線性變化。
2.3 安裝部位對傳荷的影響
為研究傳力桿在不同布設(shè)位置對水泥混凝土接縫處傳荷的影響，設(shè)計了如圖8的布設(shè)方式。
圖8 傳力桿安裝部位橫斷面示意圖(單位：mm)
通過模型計算結(jié)果分析并繪制出受荷板豎向位移、未受荷板豎向位移隨傳力桿布設(shè)位置的變化規(guī)律，見圖9、圖10。
圖9 受荷板側(cè)豎向位移
由圖9可見，傳力桿布設(shè)在受荷板上部、中部、下部時，受荷板側(cè)豎向位移相差不大，其豎向位移分別為0.236，0.239，0.236 mm，從結(jié)果中可以看出，在上部、下部對稱布置時，受荷板側(cè)產(chǎn)生的豎向位移相同，但在中部布設(shè)時，受荷板側(cè)豎向位移相較于上、下布置，產(chǎn)生的位移明顯增加。
圖10 未受荷板側(cè)豎向位移
由圖10可見，傳力桿在上部與下部布置時，未受荷板側(cè)產(chǎn)生的豎向位移完全一致，最大豎向位移為0.159 mm。當(dāng)傳力桿布設(shè)位置為中部時，未受荷板側(cè)的豎向位移與另外2種布設(shè)方式比較。明顯增加，此時的最大豎向位移為0.165 mm。
經(jīng)計算，傳力桿在面板上部與下部對稱布置時，撓度傳荷系數(shù)均為0.676，在面板中部布設(shè)時，撓度傳荷系數(shù)明顯增加，此時為0.69，表明在中部布設(shè)傳力桿能夠更加有效地傳遞行車荷載。
3 結(jié)語
通過設(shè)置不同安裝形式的傳力桿，分析受荷板與未受荷板的豎向位移，以及撓度傳荷系數(shù)得出以下結(jié)論。
1) 傳力桿安裝角度從平行于行車方向，逐漸增加至斜向45°，撓度傳荷系數(shù)基本處于0.69，說明傳力桿安裝角度對混凝土面板間的傳荷影響極小。
2) 傳力桿安裝間距0.3，0.4，0.5 m，隨著安裝間距的逐漸增加，傳力桿密度減小，撓度傳荷系數(shù)逐漸降低，表面?zhèn)骱赡芰χ饾u降低。故在設(shè)計過程中應(yīng)在保證經(jīng)濟(jì)性的前提下，加大布設(shè)密度。
3) 當(dāng)傳力桿安裝部位為上、中、下時，其中上、下布設(shè)為對稱布置，上、下部位布設(shè)傳力桿時，撓度傳荷系數(shù)相同，表面?zhèn)骱赡芰σ恢?，?dāng)傳力桿布設(shè)在中部時，撓度傳荷系數(shù)明顯增加，故在設(shè)計時應(yīng)當(dāng)將傳力桿布設(shè)于混凝土面板中部。
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