自調式升降井蓋與傳統井蓋力學性能對比分析

王東煒，李 芳，閆 磊

(1.鄭州大學土木工程學院，河南鄭州450001;2.鄭州市市政工程管理處，河南鄭州450053)

0 引言

隨著道路交通量和車輛荷載的不斷增大，道路的設計標準、施工工藝和工程質量也在不斷提高［1-3］，但各類檢查井周邊過早損壞問題依然是瀝青路面主要病害之一，且嚴重影響著道路的使用功能，也極度困擾著道路設施的養護單位［4］.

目前，關于路面井蓋問題的研究多數是集中于新型井蓋材料或井蓋專利的，如鋼纖維混凝土井蓋［5］、韌性無鋼骨架復合樹脂井蓋［6］等.理論研究方面，僅有少量關于井蓋結構優化和井蓋及路面受力分析的文獻［7-9］.

自調式防沉降井蓋近年來在城市道路中開始廣泛使用，在消除井蓋沉降、防偷盜、防井蓋跳起、防噪音等方面取得了不錯效果.作者以瀝青混凝土路面新型自調式升降井蓋(以下簡稱為新型井蓋)與傳統井蓋為對比對象，利用有限元分析軟件進行其受力和豎向變形對比分析，以期為研究檢查井周邊路面的損壞原因、傳統井蓋的修復方法以及為城市道路的施工工藝提供理論依據和技術支持.

1 有限元建模

目前尚無球墨鑄鐵材料的井蓋設計專用規范，筆者以JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋梁設計規范》［10］和JTG D60—2004《公路橋涵設計通用規范》［11］為依據，進行兩種井蓋的力學性能對比分析.

圖1所示分別為新型自調式和傳統井蓋有限元模型簡圖.兩種井蓋均為球墨鑄鐵材料，但新型井蓋是安裝在瀝青砼路面上，而傳統井蓋則是直接安裝在混凝土井壁上的.新型井蓋承壓為400 kN，內徑0.62 m，外徑0.85 m，高度0.19 m;傳統井蓋采用國家標準圖集97S501—1［12］中的直徑700(ZQ)重型球墨鑄鐵支座、井蓋(B).

圖1 新型和傳統井蓋模型簡圖Fig.1 Model diagram of the new type manhole cover and the traditional one

1.1 荷載工況

《公路橋涵設計通用規范》中車軸荷載按最不利情況選取，后軸車載取為140 kN，單輪荷載為70 kN;《城市道路工程設計規范》中對荷載標準的規定為道路路面結構設計應以雙輪組單軸載100 kN為標準軸載，筆者取值140 kN.參考《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》中橋梁計算的一般規定，將井蓋按整體單向板進行分析，把計算工況分如下3種情況.1)單車輪在井蓋中部;2)單車輪在井蓋與路面交界處;3)單車輪在距井蓋與路面交界x米處.

1.2 模型建立

建立有限元模型，取井蓋及周邊5 m×5 m的道路為研究對象，分析時取1/2模型，相應的荷載取1/2荷載.瀝青混凝土路面結構層自下而上依次為:回填土→石灰土→水泥穩定碎石→瀝青混凝土層;檢查井壁均為混凝土預制.圖2為新型井蓋和傳統井蓋的建模簡圖.有限元建模中各種材料的參數取值見表1.

圖2 新型和傳統井蓋建模簡圖Fig.2 Modeling diagram of the new type manhole cover and the traditional one

表1 有限元計算中各種材料參數Tab.1 Various material parameters in the finite element method

2 有限元分析

下面就以上3種工況對新型、傳統井蓋進行有限元分析.

2.1 行車荷載全部作用在井蓋上

有限元分析結果如圖3所示.由圖3可以看出:

(1)在相同大小的單輪荷載作用下新型井蓋的豎向最大變形為0.717 mm，而傳統井蓋為0.902 mm，新型井蓋的豎向變形要比傳統井蓋小;

圖3 新型井蓋和傳統井蓋豎向變形比較(工況一)Fig.3 Vertical deformation comparison of the new type manhole cover and the traditional one(condition 1)

(2)新型井蓋更好地體現出與路面整體協調沉降的性質，而傳統井蓋則表現為局部沉降的性質.可見，在長期車輛荷載作用下，傳統井蓋易造成與井蓋周圍路面的局部下沉與破壞，而新型井蓋因為能夠和路面的沉降相協調，井蓋與周邊路面的破壞相對較小.

究其原因:一是井蓋自身構造的不同(參見圖1);二是井蓋與周圍路面的結合方式不同.傳統井蓋直接安裝于混凝土井壁上(如圖2(b)所示)，井壁為主要傳力系統.由于井壁混凝土彈性模量遠大于瀝青混凝土彈性模量，在外界荷載和環境作用下，檢查井與周邊路面難以協調變形，較易產生裂縫等病害.而新型井蓋則安裝于瀝青混凝土面層上(如圖2(a)所示)，瀝青混凝土路面是主要傳力系統，井蓋易與路面協調變形，故而減小了荷載對井蓋周圍路面的破壞.

圖4所示為井蓋的應力圖，由圖可知，新型井蓋最大拉應力為58.4 MPa，傳統井蓋最大拉應力則為66.7 MPa.所以在長期反復行車荷載作用下，傳統井蓋的破壞將比新型井蓋嚴重.

圖4 新型井蓋和傳統井蓋第一主應力比較(工況一)Fig.4 The first main stress comparison of the new type manhole cover and the traditional one(condition 1)

2.2 行車荷載作用在交界處

有限元分析結果如圖5所示.由圖5可知，當相同的單輪荷載作用在井蓋與路面交界處時，新型井蓋的豎向最大豎向變形為0.229mm，傳統井蓋則為0.251mm.值得注意的是，新型井蓋的最大豎向變形發生在路面和井蓋的交界處，表現為井蓋與路面協調的整體沉降性質，而傳統井蓋的最大豎向變形則發生在井蓋上，表現為井蓋相對于周邊路面的局部沉降性質;且由圖5(b)可知，傳統井蓋與路面的豎向變形是不連續的，這也是傳統井蓋周邊瀝青混凝土路面容易產生破壞的原因之一.

2.3 行車荷載作用在離邊界x處

有限元分析結果如圖6所示.

由圖6可見，在相同大小的單輪荷載作用下，行車荷載作用在離邊界x處時，行車荷載對路面造成的豎向變形基本上不會影響到新型井蓋，但卻會影響到傳統井蓋.因此，行車荷載對傳統井蓋的破壞相對較大.

綜上所述，將3種工況的分析結果匯總于表2.

表2 新型井蓋和傳統井蓋各工況下的變形和應力Tab.2 Deformation and stress under various conditions of the new type cover and the traditional one

3 結論

(1)變形方面，新型井蓋與周圍路面的協調變形能力遠好于傳統井蓋;

(2)受力方面，新型井蓋承受的車輪軸載應力小于傳統井蓋.

因此，就理論分析而言，自調式防沉降井蓋是值得加以推廣應用的.

［1］中華人民共和國住房和城鄉建設部CJJ 37—2012城市道路工程設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2012.

［2］中華人民共和國交通部JTGD 50—2006公路瀝青路面設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2006.

［3］中華人民共和國住房和城鄉建設部CJJ 1—2008城鎮道路工程施工與質量驗收規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［4］齊雅敬.井蓋下沉與相關道路質量通病的防治［J］.市政技術，2006，24(4):210-211，227.

［5］楊海濱，王慶學.鋼纖維混凝土井蓋力學性能影響因素研究 ［J］.山西建筑，2009，35(5):12-13.

［6］萬培.韌性無鋼骨架復合樹脂井蓋及其生產工藝［P］.中國專利:CN101649623，2010.

［7］李雙貴.聚合物基復合材料檢查井蓋有限元分析及優化設計［D］.昆明理工大學材料加工工程學院，2008.

［8］王洪林，李宏卓，李德章，等.市政道路檢查井及周邊路面有限元分析［J］.工程與建設，2010，24(1):4-6.

［9］牛晨亮，王維，周輝.汽車軸載碾壓井蓋對其周邊路面下沉力學分析［J］.路基工程學院，2012(4):91-94.

［10］中華人民共和國交通部JTGD 62—2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋梁設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［11］中華人民共和國交通部JTGD 60—2004公路橋涵設計通用規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［12］中國建筑標準設計研究院97S501—1單層、雙層井蓋及踏步［S］.北京:中國計劃出版社，2009.