傳力桿偏位對水泥路面板接縫處傳荷能力影響分析

【摘 要】水泥混凝土路面接縫處傳力桿的位置，受施工技術(shù)等影響，傳力桿在水泥混凝土板中的位置會產(chǎn)生不同程度的偏離。本文建立二維有限元程序，采用實體單元模擬傳力桿及水泥混凝土板，對傳力桿不同偏轉(zhuǎn)下的力學(xué)響應(yīng)進行了計算分析。分析結(jié)果表明：對于板厚為0.24m的水泥混凝土板，傳力桿豎向偏離超過7.5度時，傳力桿的傳荷能力明顯下降，偏轉(zhuǎn)角度在5度以內(nèi)時對傳荷及結(jié)構(gòu)受力影響較小；傳力桿的豎向最佳位置為水泥混凝土板厚的1/2至2/3之間。

【關(guān)鍵詞】道路工程；傳荷能力；有限元分析；傳力桿偏位；水泥混凝土路面

前言

傳力桿的水平和豎向位置的不同程度的偏離，尤其是在溫度及濕度的作用下影響了水泥混凝土路面接縫處的力學(xué)性能。由于傳力桿喪失傳遞荷載的能力，嚴(yán)重時會出現(xiàn)混凝土的擠碎破壞。國內(nèi)在傳力桿偏位方面關(guān)注的較少，但國外從事了較多的相關(guān)研究并取得了一些研究成果。Milind Prabhu通過現(xiàn)場調(diào)查和實驗的方法研究了傳力桿在定位不準(zhǔn)時對縮縫張開量的影響。[1]在1988年Tayabji做了兩個拉拔實驗，指出對于456m的傳力桿可接受的偏斜為6.4mm，當(dāng)偏斜小于2.5mm時對混凝土拉應(yīng)力沒有較大影響[2]。Yu等分析了傳力桿偏差對水泥混凝土路面的重要影響，認(rèn)為傳力桿設(shè)置偏差會導(dǎo)致水泥混凝土路面接縫處的擠碎開裂，會造成傳力桿松動量的增加影響傳力桿的傳荷能力。[3]至今為止還沒有較為全面綜合的關(guān)于傳力桿偏差對水泥路面接縫的使用壽命及路面使用壽命的影響分析。

為此，本文建立二維限元模型，分析傳力桿發(fā)生不同偏轉(zhuǎn)時的傳荷能力，確定傳力桿的合理偏離程度。

1 傳力桿偏位的主要形式

為了獲得傳力桿在混凝土路面中的偏離狀態(tài)及偏離程度，維吉尼亞交通研究委員會于2006年，利用MT-SCAN-2儀器，探測水泥混凝土路面中傳力桿的位置情況，得到傳力桿在混凝土中的主要偏差形式主要有以下五種，如圖1所示。[4]

2 混凝土接縫二維有限元的建立

本文建立了設(shè)置橫縫間設(shè)傳力桿路面結(jié)構(gòu)模型如下圖所示，橫縫寬度設(shè)為10mm。傳力桿直徑取為30mm，長度為450mm，彈性模量取為210000MPa，泊松比取為0.2。其他材料參數(shù)及模型尺寸如表1-1所示。

加載面積按照單輪當(dāng)量圓面積，換算成正方形面積約為0.04m2，因此，本文線荷載的加載長度取0.2m。加載大小按單輪25kN換算成線荷載大小為0.125MPa，具體如圖1所示

傳力桿的基本功能是在相鄰板塊之間傳遞荷載，同時又不限制路面板在縱向自由移動。因此，為了在二維有限元中更好的模擬傳力桿在水泥混凝土路面中的工作狀態(tài)，在分析時將傳力桿一端與混凝土的接觸關(guān)系設(shè)置為完全連續(xù)狀態(tài)；而傳力桿的另一端與混凝土的接觸關(guān)系設(shè)置成自由滑動狀態(tài)，以模擬傳力桿在混凝土中滑動自由的狀態(tài)。

此外，混凝土板與基層的接觸關(guān)系并不是完全連續(xù)，依據(jù)ASSHTO路面設(shè)計指南建議混凝土與基層的摩擦系數(shù)為0.9~2.2，以下選取1.0進有限元分析。

2.1 傳力桿豎向偏位狀態(tài)下的有限元分析

依據(jù)我國《水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》，施工時傳力桿端上下左右的偏斜不超過10mm，而通過文獻[3]對維吉尼亞州五條水泥混凝土路面?zhèn)髁U使用情況的調(diào)查結(jié)果可知，在實際使用過程中傳力桿豎向偏位能達到50mm以上。據(jù)此本章以傳力桿中心點為旋轉(zhuǎn)點，分順時針及逆時針兩種方式， 擬取0度、2.5度、5度、7.5度、10度五個變換角度（對應(yīng)的豎向偏位距離分別約為：0mm、10mm、20mm、30mm、40mm），分別進行分析，以確度傳力桿豎偏位合理的范圍。

本文主要從混凝土路面板中傳力桿剪的應(yīng)力及傳荷系數(shù)兩個方面，對水泥混凝土路面接縫處的傳荷能力進行分析，各個主要的計算點位分布如圖3所示。

2.2 傳力桿豎向平動狀態(tài)下的有限元分析

為了分析方便，定義混凝土板厚為H，傳力桿在混凝土中的位置以混凝土板面為起點，以傳力桿中心線到混凝土板頂?shù)木嚯x，定義為傳力桿在水泥混凝土中的豎向距離。具體如圖4所示，列出了傳力桿在混凝土中1/4H、1/2H的位置。

為了分析，傳力桿在混凝土豎向上合理的位置，選取傳力桿到混凝土板頂?shù)木嚯x為1/3H、1/2H、2/3H及3/4H四處，分析板間的傳荷能力及混凝土板的受力，得出傳力桿在混凝土豎向上最佳位置。計算點位的分布如圖5所示

3 傳荷系數(shù)有限元計算分析

3.1 傳力桿豎向偏轉(zhuǎn)

圖6(a)列出的是傳力桿在混凝土中不同偏轉(zhuǎn)角度時，按撓度比定義傳荷系數(shù)的變化圖。圖7(b)給同的是傳力桿在混凝土中不同偏轉(zhuǎn)角度下，應(yīng)力比定義的傳荷系數(shù)變化圖。由兩圖可知，傳荷系數(shù)隨著傳力桿在混凝土中偏轉(zhuǎn)角的增大而減小，傳力桿偏轉(zhuǎn)角度在5度之后傳荷系數(shù)下降較快。可見，傳力桿在混凝土中豎向偏轉(zhuǎn)，以混凝土板間的傳荷能力影響較大，豎向偏轉(zhuǎn)角度越小傳荷能力就越好。

從以上分析可知，傳力桿豎向偏轉(zhuǎn)對混凝土板間的傳荷能力影響較大。為了確保板間的傳荷能力，豎向偏轉(zhuǎn)角度應(yīng)控制在5度以內(nèi)；從路面板板底的最大主應(yīng)力及基層層的最大主應(yīng)力方面來考慮，也應(yīng)將傳力桿豎向偏轉(zhuǎn)角度控制在5度以內(nèi)較為合適，最次也要將傳力桿的豎向偏轉(zhuǎn)角度控制在7.5度以內(nèi)。

3.2 傳力桿豎向平動

撓度比定義傳荷系數(shù)并不能完全代替應(yīng)力比定義傳荷系數(shù)，兩者有一定的區(qū)別。圖9(a)列出傳力桿位于豎向不同位置時，用撓度比定義傳荷系數(shù)的變化圖，從圖中可知，傳力桿在混凝土板厚2/3H處時，傳荷系數(shù)達到最大值；當(dāng)傳力桿在混凝土位置，超過2/3H板厚度傳荷能力下降較快。應(yīng)力或應(yīng)變比應(yīng)定義傳荷系數(shù)，列如圖7(b)所示。由圖可得，傳力桿離混凝土板頂越遠(yuǎn)，傳荷能力越好。

綜合考慮到傳力桿的剪應(yīng)力受力特點及傳荷系數(shù)兩方面，傳力桿豎向最佳位置應(yīng)位于混凝1/2H~2/3H處。

4 結(jié)論

本章分析了傳力桿產(chǎn)生豎向偏位及豎向平動兩種偏位后的二維有限元模型，經(jīng)計算可以得出以下結(jié)論：

4.1 傳力桿發(fā)生豎向偏轉(zhuǎn)比豎向平動傳荷能力的影響顯著。當(dāng)豎向偏轉(zhuǎn)角大于5度時，傳力桿的傳荷能力下降較快。因此，本文建議傳力桿豎向偏轉(zhuǎn)角度最好控制在5度以內(nèi)。

4.2 考慮傳力桿的傳荷能力，傳力力豎向最佳位置應(yīng)位于水泥混凝土1/2H~2/3H處。

參考文獻

[1]Milind Prabhu， Neeraj Buch， Amit H.Varma. Experimental Investigation of the Effects of Dowel Mis alignment on Joint Opening Behavior in Rigid Pavements. 2006 Annual Meeting of TRB， Washington， D. C.

[2]Patrick Leong， M.A.Sc， Susan Tighe， PhD， Leo Rothenberg， PhD， Finite Difference Modeling of Mis aligned Dowel Bars and Their Effects on Joint Performance Transp ortation Research Board， Washington， D.C.， January 2006

[3]Lev Khazanovich， PH.D.Neeraj Buch， PH.D. Alex Gotlif，Ph.D，Evaluation of Alignm ent Tolerances for Dowel Bars and their Effec ts on Joint Performance， [D]，June 2001;2~5

[4]Yu， H.T.， Smith， K.D.， Darter， M.I.， Jiang， J.， and Khazanovich， L. Performance of Concrete Pavements， Volume III: Improving Concrete Pavement Performance. FHWA- RD-95-111. Federal Highway Administration， Washington， D.C.， 1998.

作者簡介：

蔡海斌，1984年，碩士， 助理工程師；主要研究方向：剛性路面。