裝配式水泥路面夾環(huán)連接式傳力桿接縫設(shè)計及驗(yàn)證

趙鴻鐸， 涂巧毓， 馬魯寬， 趙舉飛， 鐘 盛

（1. 同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2. 湖州吳興國有資本投資發(fā)展有限公司，浙江 湖州 313000；3. 上海同陸云交通科技有限公司， 上海 201804）

裝配式水泥混凝土路面具有施工速度快、可重復(fù)利用和易于拆換維修等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于道路修復(fù)和建設(shè)中[1］。與普通水泥混凝土路面相同，接縫是裝配式水泥混凝土路面的關(guān)鍵部位，其傳荷能力直接關(guān)系著路面的抗破壞性和耐久性。目前，裝配式水泥混凝土路面的接縫構(gòu)造常采用普通傳力桿結(jié)構(gòu)，即在預(yù)制板中預(yù)留傳力桿位置，在面板安裝過程中，將傳力桿置入預(yù)留的位置中，再使用修補(bǔ)材料填封空隙。但當(dāng)裝配式路面板損壞維修時，需要對路面進(jìn)行過切，即將周圍路面板含傳力桿的部分切除，再通過鉆孔或開槽，移植新的傳力桿[2］。上述過程費(fèi)時費(fèi)力，破壞接縫構(gòu)造，而且還會引起周圍板塊的局部損壞；同時，板塊切割及傳力桿移植對放樣精度及施工誤差控制有較高的要求，否則極易對裝配式路面的施工質(zhì)量產(chǎn)生影響。

為了避免因接縫帶來的裝配式路面結(jié)構(gòu)的施工和維護(hù)問題，同時便于部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件回收利用，可拆卸的接縫構(gòu)造應(yīng)運(yùn)而生[3］。目前，日本使用的可拆裝式接縫主要包括壓縮型接縫[4］和Cotter 連接構(gòu)件連接的接縫[5］。壓縮型接縫是Fumishige 等在喇叭型接縫的基礎(chǔ)上改進(jìn)形成的，其通過跨接縫設(shè)置的緊固件向接縫部分施加壓縮力來結(jié)合裝配式水泥路面板；Cotter 連接構(gòu)件是將H 型五金（楔形）壓入C型五金內(nèi)，用螺栓固定H型與C型五金，在螺栓上施加預(yù)緊力的結(jié)構(gòu)[5］，只要保證螺栓預(yù)緊力，則可保證使用過程中傳遞彎矩和剪力，需要拆除時將螺栓松開即可[6］。此外，美國Fort Miller公司提出了一種可拆裝式傳力桿Super Dowel[7］，與普通傳力桿相比，其為空心傳力桿且直徑更大，端部有螺紋，在使用時通過舍棄表面光滑的空心傳力桿，便可獲得路面板的可拆除性。2016 年，韓國現(xiàn)代工程建設(shè)研究開發(fā)部先進(jìn)材料研究組提出了一種新的接縫構(gòu)造[8］，將傳力桿及周圍混凝土作為整體，通過螺栓實(shí)現(xiàn)整體的可拆裝。與上述采用傳力構(gòu)件進(jìn)行傳荷的方法不同，荷蘭提出了一種面向未來的鋪面結(jié)構(gòu)ModieSlab[9-10］，其路面板直接放置在4個樁基上，板間不設(shè)置傳力桿；與此類似，Guo提出了梁基礎(chǔ)路面結(jié)構(gòu)的概念及其模型結(jié)構(gòu)[11］，其中的梁基礎(chǔ)是由在基層四周設(shè)置的梁和中間填充的柔性基層組成，在不設(shè)置傳力桿的情況下，冬夏季節(jié)接縫傳荷能力非常相近。ModieSlab和梁基礎(chǔ)路面都不需設(shè)置傳力構(gòu)件，因此便于拆裝與快速更換，屬于可拆式的范疇，但其面向修復(fù)時施工工藝相對復(fù)雜，尚待進(jìn)一步優(yōu)化。

基于以上研究，本文提出一種新的可拆裝式接縫—夾環(huán)連接式傳力桿接縫[12-13］，在詳細(xì)闡述其特征及參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過有限元方法分析參數(shù)對接縫傳荷性能的影響，并探究夾環(huán)連接式傳力桿接縫的構(gòu)件及界面應(yīng)力變化規(guī)律，以明確構(gòu)造參數(shù)取值；同時，通過室內(nèi)足尺試驗(yàn)，分析和驗(yàn)證夾環(huán)連接式傳力桿接縫在應(yīng)用于裝配式水泥混凝土路面時的傳荷性能。研究成果可為夾環(huán)連接式傳力桿接縫在裝配式水泥混凝土路面中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐，具有一定的工程價值。

1 夾環(huán)連接式傳力桿接縫特征與參數(shù)

1.1 接縫特征

夾環(huán)連接式傳力桿接縫主要包括夾環(huán)連接式傳力桿、下開口槽和接縫處開口，分別位于接縫兩側(cè)的路面板中，如圖1 所示，其中，夾環(huán)連接式傳力桿由一個緊固螺栓、螺母、上下夾環(huán)以及兩段桿件組成。

圖1 夾環(huán)連接式傳力桿接縫示意圖Fig.1 Schematic diagrams of the joint with clamping ring connected dowel bar

設(shè)置夾環(huán)連接式傳力桿接縫的方法如下：

（1）板塊裝配前，夾環(huán)連接式傳力桿置于預(yù)制混凝土板內(nèi)，且預(yù)制混凝土板在接縫處預(yù)留開口槽；

（2）裝配時，將兩預(yù)制混凝土板的傳力桿對準(zhǔn)，扣上夾環(huán)，擰緊緊固螺栓，完成傳力桿的連接；

（3）在槽內(nèi)注漿，之后對板表面的開口進(jìn)行封蓋及防水處理；

（4）拆卸時，直接通過接縫處開口將緊固螺栓拆卸，夾環(huán)將脫落，接縫間的連接解除。

因此，與傳統(tǒng)傳力桿接縫構(gòu)造相比，夾環(huán)連接式傳力桿接縫構(gòu)造實(shí)現(xiàn)了可拆卸功能，并且與Cotter傳力構(gòu)件接縫構(gòu)造相比，其結(jié)構(gòu)形式簡單；同時，相比于傳統(tǒng)傳力桿接縫，夾環(huán)連接式傳力桿接縫經(jīng)濟(jì)性欠佳，但其具有可重復(fù)利用的特點(diǎn)，在一定程度上彌補(bǔ)了其經(jīng)濟(jì)性不足的問題。

1.2 接縫基本參數(shù)

根據(jù)圖1，夾環(huán)連接式傳力桿接縫的基本參數(shù)如表1所示。

表1 夾環(huán)連接式傳力桿接縫基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters for the joint with clamping ring connected dowel bar

2 夾環(huán)連接式傳力桿接縫參數(shù)分析

2.1 有限元模型

采用ABAQUS 軟件構(gòu)建有限元模型。水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)假定為Winkler 彈性地基上的雙層板結(jié)構(gòu)。其中，選擇兩塊路面板作為分析對象，路面板之間設(shè)置夾環(huán)連接式傳力桿接縫；同時，為保證分析結(jié)果的合理性，考慮基層兩側(cè)橫向0.75 m超寬。路面結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)如表2所示。

表2 有限元模型中路面結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)Tab.2 Pavement structural parameters and material parameters in the finite element model

對于接縫，夾環(huán)連接式傳力桿的間距為0.3m，最外側(cè)傳力桿距離路面板側(cè)面0.375m；考慮實(shí)際情況，夾環(huán)連接式傳力桿一端設(shè)置為滑動端，另一端設(shè)置為固定端，滑動端與固定端交替布設(shè)。夾環(huán)連接式傳力桿接縫采用實(shí)體建模，鋼材的彈性模量取值210GPa，泊松比為0.30；在滑動端，傳力桿與混凝土路面板間采用非連續(xù)接觸，切向摩擦系數(shù)為0.25，法向接觸為硬接觸；同時，傳力桿部分和下開口槽均采用C3D20R單元，傳力桿凸出連接部分構(gòu)造較為復(fù)雜，采用四面體C3D10單元，螺栓采用2mm網(wǎng)格密度，夾環(huán)網(wǎng)格為2.5mm，傳力桿總體網(wǎng)格密度為1cm，圓周上網(wǎng)格均分為20等分。最終，夾環(huán)連接式傳力桿的單元劃分如圖2中夾環(huán)連接式傳力桿所示。

圖2 夾環(huán)連接式傳力桿接縫構(gòu)造參數(shù)分析的有限元模型Fig.2 Finite element model for the analysis of structural parameters of the joint with clamping ring connected dowel bar

在模型中，路面板和基層間采用非連續(xù)接觸，切向摩擦系數(shù)為5[10］，法向接觸為硬接觸；路面板和基層均采用C3D8I單元；同時，為提高模型的計算速度，路面板和基層的網(wǎng)格平面尺寸為0.3m，厚度方向分為3層，在傳力桿范圍內(nèi)加密至0.03m。對于模型邊界條件，約束路面板前后側(cè)面在行車方向上的水平向位移，約束基層側(cè)面在垂直于側(cè)面方向上的位移[14-15］。此外，不考慮荷載間的疊加作用，在接縫中部位置處路面板上施加BZZ-100的一個雙輪組荷載，大小為50kN，胎壓為0.7MP，假定輪印為長0.192m，寬0.186m的矩形，雙輪印間距為0.128m。夾環(huán)連接式傳力桿接縫構(gòu)造參數(shù)分析有限元模型如圖2所示。

2.2 結(jié)果與分析

（1）分析參數(shù)及水平

本文參照傳力桿型接縫的設(shè)置方法，固定傳力桿長度為30cm，下開口槽深度取20cm；另外，螺栓預(yù)緊力大小根據(jù)螺栓直徑取值[16］；根據(jù)夾環(huán)連接式傳力桿接縫的構(gòu)造特征和基本參數(shù)，考慮參數(shù)對接縫性能的影響，分析了如表3所展示的9個參數(shù)，并給出了參數(shù)水平，選取L27（313）正交表設(shè)計正交分析試驗(yàn)。

表3 有限元模型的分析參數(shù)及水平Tab.3 Analysis parameters and levels of the finite element model

（2）夾環(huán)連接式傳力桿接縫構(gòu)造參數(shù)正交分析

基于正交分析表試驗(yàn)工況，分別以撓度傳荷系數(shù)Et（非受荷板最大彎沉和受荷板最大彎沉之比）和彎沉差Δω（受荷板最大彎沉與非受荷板最大彎沉之差）表征夾環(huán)連接式傳力桿接縫的傳荷性能和變形協(xié)調(diào)性能，利用構(gòu)建的有限元分析模型計算27種工況；在此基礎(chǔ)上，開展直觀分析及方差分析，結(jié)果如圖3和表4所示。

表4 接縫傳荷性能受構(gòu)造參數(shù)影響的方差分析結(jié)果Tab.4 Analysis of variance results of the influence of structural parameters on the load transfer capacity of joints

圖3 接縫傳荷性能受構(gòu)造參數(shù)影響的水平均值結(jié)果Fig.3 Horizontal mean value results of influence of structural parameters on load transfer capacity of joints

圖4 夾環(huán)構(gòu)件的空間應(yīng)力分布特征Fig.4 Spatial stress distribution characteristics of clamping ring

由圖3和表4可知，撓度傳荷系數(shù)隨著傳力桿直徑、傳力桿桿壁厚度、傳力桿距板底距離、下開口槽模量的增大而增大，增大值在0.5%～1.25%之間；隨下開口槽寬度的增大先減小后不變，減小值為0.4%左右，幾乎不隨其他因素變化。從影響程度上看，傳力桿直徑、傳力桿桿壁厚度、傳力桿距板底距離、下開口槽模量的影響為 “高度顯著影響” ，而其他因素皆無顯著影響，因此可忽略下開口槽寬度的影在分析界面應(yīng)力的變化規(guī)律時，當(dāng)荷載加載于下開口端（荷載在右）時，選?。合麻_口槽材料的最大豎向壓應(yīng)力S33min、下開口槽材料的豎向最大拉應(yīng)力S33max、下開口槽材料最大剪應(yīng)力S23max、混凝土端界面最大水平拉應(yīng)力S22max、側(cè)面最大豎向拉應(yīng)力S33max 這5 個指標(biāo)；當(dāng)荷載加載于混凝土端（荷載在左）時，選?。夯炷炼私缑孀畲蠹魬?yīng)力S23、最大豎向壓應(yīng)力S33min這2個指標(biāo)。

圖5 是傳力桿－混凝土/下開口槽界面應(yīng)力及螺栓預(yù)緊力損失均值隨各構(gòu)造參數(shù)的變化情況。從圖5可以看出：

圖5 構(gòu)造參數(shù)對夾環(huán)連接式傳力桿接縫構(gòu)造界面應(yīng)力的影響Fig.5 Influence of structural parameters on interface stress of the joint with clamping ring connected dowel bar

（1）傳力桿－混凝土界面最大壓應(yīng)力S33min隨夾環(huán)厚度、夾環(huán)內(nèi)斜面坡度變化較小，隨傳力桿直徑、下開口槽寬度的增大而減小，減小值約0.5MPa，受其他因素影響均呈上升趨勢，特別是傳力桿桿壁厚度影響較大，極差約為2.0MPa；

（2）傳力桿－下開口槽材料界面最大壓應(yīng)力S33min 受夾環(huán)構(gòu)件參數(shù)及下開口槽寬度的影響較

此外，從圖5還可以看出，螺栓預(yù)緊力的損失值與各因素均相關(guān)。螺栓預(yù)緊力的損失值隨夾環(huán)厚度、傳力桿桿壁厚度、下開口槽高度的增大而減小，受夾環(huán)厚度影響最大，減小幅度為7.5MPa；隨螺栓直徑、傳力桿直徑、下開口槽材料模量的增大而增大，螺栓直徑的影響最大，增大幅度為7.5MPa；隨著響。同時，接縫兩端彎沉差隨傳力桿直徑、傳力桿桿壁厚度、傳力桿距離板底的距離、下開口槽模量的增大而減小，其中，下開口槽模量的影響最大，減小值為2μm 左右；幾乎不隨其他因素而變化。從方差分析來看，傳力桿直徑、傳力桿桿壁厚度、傳力桿距離板底的距離、下開口槽模量的影響都為 “高度顯著影響” ，其他因素皆無顯著影響。

（3）夾環(huán)連接式傳力桿接縫的構(gòu)件及界面應(yīng)力變化規(guī)律

圖4是夾環(huán)傳力構(gòu)件在荷載作用下的典型受力圖。圖4可以看出，桿件卡口、夾環(huán)的最大主應(yīng)力在100～130MPa 之間，螺栓所受拉應(yīng)力在僅有預(yù)緊力作用時為240MPa，在荷載和預(yù)緊力共同作用時為224MPa，傳力桿構(gòu)件所受剪應(yīng)力約為1.35MPa，對鋼材而言該應(yīng)力遠(yuǎn)不及其屈服應(yīng)力，因此構(gòu)件的承載能力能滿足路面使用需求。值得注意的是，在螺栓受荷載力后，螺栓會逐漸松動，從而致使螺栓最終失效，因此對預(yù)緊力減小值的評估應(yīng)作為螺栓類構(gòu)件應(yīng)力的主要指標(biāo)，選取的觀測點(diǎn)位于螺栓中部。小，隨傳力桿直徑、下開口槽高度的增大而減小，隨傳力桿桿壁厚度、傳力桿距板底距離、下開口槽材料模量的增大而增大，下開口槽材料模量影響最大，極差約為1.5MPa；

（3）傳力桿－混凝土界面最大剪應(yīng)力S23max隨傳力桿直徑的增大而略有減小，隨傳力桿桿壁厚度的增大先增大后減小，隨傳力桿距板底距離的增大而增大；

（4）傳力桿－混凝土界面?zhèn)认蜃畲罄瓚?yīng)力S33max、混凝土界面橫向最大拉應(yīng)力S22max 隨傳力桿距板底距離的增大而減小，減小幅度為1.0～2.0MPa，傳力桿－下開口槽材料界面最大剪應(yīng)力S23max隨傳力桿距板底距離的增大而小幅增大，三者基本不受其他因素影響；

（5）傳力桿－下開口槽材料界面最大豎向拉應(yīng)力S33max隨螺栓直徑、傳力桿距板底距離、下開口槽材料模量的增大而增大，隨傳力桿直徑、傳力桿桿壁厚度、下開口槽高度的增大而減小，幅度變化均較小。夾環(huán)內(nèi)斜面坡度的增大先增大后減小，隨傳力桿距板底的距離、下開口槽寬度的增大先減小后增大。

2.3 接縫參數(shù)確定

根據(jù)上述有限元分析結(jié)果，綜合考慮傳荷性能、變形協(xié)調(diào)性能和受力狀況，最終確定的夾環(huán)連接式傳力桿接縫的合理參數(shù)如表5所示。

3 夾環(huán)連接式傳力桿接縫試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證夾環(huán)連接式傳力桿的傳荷性能，在室內(nèi)鋪設(shè)足尺的裝配式水泥混凝土路面板，并通過撓度傳荷系數(shù)Et表征接縫傳荷能力。

3.1 足尺試驗(yàn)方案

（1）裝配式水泥混凝土路面板尺寸及傳力構(gòu)件布設(shè)

足尺路面板的結(jié)構(gòu)，如圖6所示。板塊尺寸為2.5×2.5×0.24m3，使用C40混凝土澆筑。兩板之間接縫預(yù)留下開口的傳力桿槽（槽口長25cm、寬10cm、高16cm），在槽口內(nèi)設(shè)置①～⑦共7個傳力桿，相鄰傳力桿間距為0.3m。其中，①～③為夾環(huán)連接式傳力桿，直徑為40mm，其余構(gòu)造參數(shù)如表5 所示，緊固螺栓直徑為12mm；④～⑦為普通傳力桿，桿件直徑為40mm，長度與夾環(huán)連接式傳力桿相同。

圖6 足尺裝配式路面板結(jié)構(gòu)及尺寸Fig.6 Structure and dimensions of the full-scale precast pavement slab

此外，為了給夾環(huán)預(yù)留操作空間，在路面板接縫端傳力桿槽位置預(yù)留寬10cm，深2.5c m的開口。路面板預(yù)制好28d 后，先在一側(cè)路面板中安裝傳力構(gòu)件，并用快凝砂漿填封傳力桿槽（傳力構(gòu)件位于槽口間位置，豎向位于板塊厚度中間）。待快凝材料形成強(qiáng)度后，在試槽內(nèi)完成板塊的拼裝，將兩塊路面板放置于平整基層上；調(diào)整好板塊的水平、高程位置后，在板底注漿，并填封另一側(cè)板塊的傳力桿槽。路面板裝配，如圖7所示。

圖7 路面板裝配施工Fig.7 The construction of pavement slab assembly

（3）接縫傳荷能力測試

使用落錘式彎沉儀（Falling Weight Deflectometer，F(xiàn)WD）對試驗(yàn)路面板的接縫傳荷能力進(jìn)行測試。由于場地限制，測試時分別測試②③夾環(huán)連接式傳力桿間、⑤⑥普通傳力桿間的接縫傳荷能力。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對②③夾環(huán)連接式傳力桿間、⑤⑥普通傳力桿間這兩個測點(diǎn)各進(jìn)行兩次測試，每次測試進(jìn)行7 級荷載測試（50kN-50kN-50kN-80kN-80kN-110kN-110kN）。將每次測的數(shù)據(jù)中第一次測試數(shù)據(jù)（50kN）及明顯異常數(shù)據(jù)舍棄；使用除第一次外的數(shù)據(jù)計算接縫撓度傳荷系數(shù)，獲得多個接縫撓度傳荷系數(shù)Et。對Et從大到小排序，將序列中下四分之一點(diǎn)記為q1，上四分之一點(diǎn)記為q3，當(dāng)測試數(shù)據(jù)Et不滿足q1－1.5(q3－q1)＜Et＜q3+1.5(q3－q1) 時，將數(shù)據(jù)剔除；將排除異常值后的數(shù)據(jù)求平均，得到該接縫的平均接縫傳荷系數(shù)。測試結(jié)果如表6。

表6 FWD荷載作用下接縫傳荷能力測試結(jié)果Tab.6 Test results of load transfer capacity of joints under FWD loading

由表6可知，除個別異常值外，測試結(jié)果總體正常；排除異常值后，夾環(huán)連接式傳力桿的接縫撓度傳荷測試結(jié)果為79.0%～99.9%，平均撓度傳荷系數(shù)為93.3%，夾環(huán)連接式傳力桿個別測試的撓度傳荷系數(shù)較低，其對應(yīng)的當(dāng)量荷載也較低，可能是由于設(shè)備測量誤差引起的；排除異常值后，普通傳力桿的接縫撓度傳荷測試結(jié)果為86.6%～99.2%，平均撓度傳荷系數(shù)為94.4%。夾環(huán)連接式傳力桿在路面板中的傳荷能力略低于普通傳力桿，反映出夾環(huán)連接式傳力桿因空心桿件、接縫處留有開口，傳荷能力有所下降；總體而言，本文提出的夾環(huán)連接式傳力桿接縫的傳荷能力與普通傳力桿接縫類似，能夠承擔(dān)接縫間的荷載傳遞，是一種較為有效的接縫傳力構(gòu)件。

4 結(jié)論

（1）夾環(huán)連接式傳力桿接縫的撓度傳荷系數(shù)隨著傳力桿直徑、傳力桿桿壁厚度、傳力桿距板底距離、下開口槽模量的增大而增大，隨下開口槽寬度的增大先減小后不變，幾乎不受其他因素影響。

（2）夾環(huán)連接式傳力桿接縫的接縫兩端彎沉差隨傳力桿直徑、傳力桿桿壁厚度、傳力桿距離板底的距離、下開口槽模量的增大而減小，其中下開口槽模量的影響最大，幾乎受其他因素影響。

（3）數(shù)值分析表明，夾環(huán)連接式傳力桿接縫的構(gòu)件承載能力能滿足路面使用性能需求，同時基于下開口槽、傳力桿、夾環(huán)構(gòu)件等構(gòu)造參數(shù)對傳力桿－混凝土和傳力桿－下開口槽界面應(yīng)力的響應(yīng)分析，明確了其合理構(gòu)造參數(shù)。

（4）足尺試驗(yàn)表明，夾環(huán)連接式傳力桿接縫的傳荷能力略低于普通傳力桿接縫，但總體能滿足路面接縫傳荷性能需求，且拆卸拼裝便捷，是一種較為有效的接縫傳力構(gòu)件。

本文僅對夾環(huán)連接式傳力桿接縫傳荷能力的短期性能開展了試驗(yàn)分析，后續(xù)建議開展室內(nèi)和現(xiàn)場長期性能試驗(yàn)，以探究夾環(huán)連接式傳力桿接縫的耐久性，從而推動其工程應(yīng)用。

作者貢獻(xiàn)聲明：

趙鴻鐸：論文審定，論文整體結(jié)構(gòu)與研究方法指導(dǎo)；

涂巧毓：論文撰寫，文獻(xiàn)調(diào)研以及圖表繪制；

馬魯寬：研究思路和技術(shù)指導(dǎo)；

趙舉飛：有限元建模與參數(shù)分析；

鐘 盛：文獻(xiàn)調(diào)研與有限元建模。