多孔鋼筋混凝土植被路面承載能力研究

楊大峰，趙 振，張 偉

(1.總參工程兵科研三所，河南洛陽471023;2.河南科技大學(xué)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，河南洛陽471003)

0 前言

在強(qiáng)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的今天，人們環(huán)保意識也在不斷加強(qiáng)，多孔植被混凝土正是應(yīng)生態(tài)環(huán)保要求而產(chǎn)生的新興產(chǎn)物。多孔植被混凝土主要運(yùn)用于人行道、停車場、公園、輕量級車道及各種體育場地的道路和路面鋪裝，多孔植被混凝土可以使雨水迅速滲入地表，對土壤水和地下水進(jìn)行補(bǔ)給，同時，路面上的植物還能起到蓄水功能，有利于改善人們的生存環(huán)境［1-3］。

目前，國內(nèi)外對可生長植被的混凝土的研究主要集中在邊坡和河堤的固土、護(hù)坡、綠化的方向上，通常其抗壓強(qiáng)度、耐久性等性能指標(biāo)不高，對車輛碾壓性、耐踐踏性等考慮不足。因此，需要從力學(xué)上分析研究植被路面的承載能力［4-6］。本文采用有限元軟件ANSYS對植被混凝土路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計算分析，從而得到了在車載作用下路面結(jié)構(gòu)的承載能力，為該植被混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考借鑒。

1 有限單元法計算

1.1 荷載取值

車輛正常行駛時，路面主要承受車輛的重力和摩擦力，以黃河汽車JN1171/127(JN162)為例，滿載時總重180 kN。車輛后軸總重117 kN，取值為120 kN。后軸分左右兩側(cè)，每側(cè)兩輪，共有4輪，每側(cè)兩輪承重為60 kN。汽車行走時與干燥混凝土路面的摩擦因數(shù)一般為0.6～0.8，考慮到植草混凝土路面的摩擦因數(shù)比干燥混凝土路面低，本次計算時摩擦因數(shù)取0.4，即每側(cè)兩輪對地面的水平向作用力為24 kN。

表1 不同載重汽車對地面作用力

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計規(guī)范》，每側(cè)車輪與地面接觸面積為0.6 m×0.2 m。而車輪的荷載僅有接觸面內(nèi)的混凝土小柱子承擔(dān)，其接觸總面積為0.053 m2，可求出單側(cè)兩輪對地面的豎向壓力近似取值為1.1 MPa。采用同樣的方法，可求得載重為150 kN、130 kN的車輛對地面的壓力與摩擦力。不同載重汽車對地面作用力見表1。

1.2 單元的選取及材料選擇

本文有限元分析用組合式模型，用Solid65單元模擬混凝土，用Solid45單元模擬墊層，采用鋼筋均勻分布在底層50 mm厚的混凝土中，以直徑20 mm鋼筋為例，在底層混凝土?xí)r常數(shù)設(shè)置中設(shè)鋼筋混凝土的體積率為0.05，由于配筋角THETA為90°和0°方向各設(shè)置一組用Link8模擬的鋼筋，兩組鋼筋的PHI均為 0°［7-8］。

查得混凝土的材料屬性:C30混凝土彈性模量為30 GPa，混凝土的泊松比為0.2［9］，裂縫張開剪力傳遞系數(shù)設(shè)為0.35，裂縫閉合剪力傳遞系數(shù)設(shè)為1，單軸抗壓強(qiáng)度設(shè)為-1，即取消混凝土壓碎模擬。鋼筋的彈性模量取201 GPa，泊松比取0.3。墊層泊松比取0.35。

通過一系列布爾操作，建立有限元模型，根據(jù)計算精度要求，模型總共劃分為12 506個單元，8 705個節(jié)點(diǎn)。模型見圖1。

1.3 約束與荷載

對于植被混凝土墊層的底面施加x，y，z方向約束，在對稱位置設(shè)置對稱約束，另兩個側(cè)面約束其法相位移。由于采用1/4模型計算，所以只取3個凸臺加載，在凸臺的端面上施加均勻壓力，同時在端面所在的節(jié)點(diǎn)上施加集中力。

1.4 結(jié)果及分析

通過計算發(fā)現(xiàn):結(jié)構(gòu)最薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)在混凝土底層與墊層的接觸位置，混凝土凸臺不會最先破壞，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化時可以考慮加強(qiáng)混凝土的底部結(jié)構(gòu)設(shè)計，而不需要在混凝土凸臺內(nèi)設(shè)置豎向鋼筋。

1.4.1 不同墊層彈性模量對結(jié)構(gòu)的承載力影響

墊層彈性模量不同，結(jié)構(gòu)的承載力不同。分別選取130 kN、150 kN、180 kN車輛載重，在未配置鋼筋的情況下，結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度與墊層彈性模量之間的關(guān)系如圖2所示。從圖2中可以看出:墊層彈性模量越大，結(jié)構(gòu)的最大裂縫寬度越小。提高墊層的彈性模量，可以提高結(jié)構(gòu)的承載力，因此在設(shè)計與施工時應(yīng)注重墊層的材料選擇，盡量選擇一些彈性模量較大的碎石、卵石做墊層，同時保證壓實(shí)度。混凝土為帶裂縫工作構(gòu)件，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計規(guī)范》，混凝土構(gòu)件的裂縫限值為0.2 mm。通過圖2還可以看出:在不設(shè)置鋼筋時，130 kN車輛可以正常通過，提高墊層彈性模量，150 kN車輛也能正常通過。

1.4.2 墊層厚度對結(jié)構(gòu)承載力的影響

墊層厚度模量不同，結(jié)構(gòu)的承載力不同。分別選取130 kN、150 kN、180 kN車輛載重，在未配置鋼筋的情況下，其最大裂縫寬度隨墊層厚度之間的關(guān)系如圖3所示。從圖3中可以看出:墊層厚度越大，結(jié)構(gòu)的最大裂縫寬度越小。因此，提高墊層的厚度，能顯著提高結(jié)構(gòu)的承載能力。

圖1 植被混凝土有限元模型

圖2 墊層彈性模量與承載力關(guān)系

圖3 墊層厚度與承載力關(guān)系

1.4.3 鋼筋對結(jié)構(gòu)承載力的影響

結(jié)構(gòu)配筋不同，結(jié)構(gòu)的承載能力不同。分別選取130 kN、150 kN、180 kN車輛載重，在墊層彈性模量為1 GPa情況下，其最大裂縫寬度與結(jié)構(gòu)配筋率之間的關(guān)系如圖4所示。從圖4中可以看出:鋼筋直徑越大，結(jié)構(gòu)的最大裂縫寬度越小。提高結(jié)構(gòu)的配筋率對結(jié)構(gòu)承載力影響較大，但是，提高配筋率將大大提高工程成本，因此，實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)綜合平衡原則選擇一個既能滿足工程要求又經(jīng)濟(jì)合理的配筋率。

混凝土是帶裂縫工作的，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計規(guī)范》，混凝土構(gòu)件的裂縫限值為0.2 mm。通過圖4可以看出:在不設(shè)置鋼筋時，130 kN車輛可以正常通過;提高結(jié)構(gòu)配筋率，150 kN車輛也能正常通過;當(dāng)選用直徑22 mm的鋼筋作為配筋時，可以滿足180 kN車輛通行。

2 結(jié)論

(1)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)在底層混凝土與墊層接觸的位置，混凝土凸臺不會最先破壞。下次進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，可以加強(qiáng)底層混凝土的承載能力。

(2)墊層對該結(jié)構(gòu)的影響較大，提高墊層的彈性模量及墊層厚度能大大提高結(jié)構(gòu)的承載能力。

(3)內(nèi)部配置鋼筋對結(jié)構(gòu)的承載力影響較大，提高配筋率能提高路面的承載能力，但是，提高配筋率會提高路面的成本。設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮，選擇合適的配筋率。

(4)ANSYS軟件可以方便的計算出植被路面的受力狀況，是路面結(jié)構(gòu)分析中一種理想的分析軟件。本次計算忽略了土體對結(jié)構(gòu)的影響，下一步計算，把土壤約束作用考慮進(jìn)去，計算將更貼近實(shí)際情況。另外，在實(shí)際工程中，山地路面很大一部分為斜坡，受車輛碾壓時，植草混凝土結(jié)構(gòu)受力形式將發(fā)生很大的改變，這有待進(jìn)一步研究來解決。

圖4 鋼筋直徑與承載力關(guān)系

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