傳力桿對(duì)水泥混凝土路面的影響

李 磊

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司 太原市 030032)

為適應(yīng)重載交通對(duì)高速公路路面的要求，采用水泥混凝土路面可以有效延長(zhǎng)道路使用壽命，但由于水泥混凝土路面為剛性路面且路面荷載日趨增大，路面脹縮縫處應(yīng)力較大，僅靠水泥混凝土材料的嵌鎖作用傳遞荷載已經(jīng)不能滿足道路的使用要求，容易在脹縮縫處產(chǎn)生斷裂、斷板和錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了高速公路的使用性能和壽命[1-2]。覃炳賢等[3]對(duì)設(shè)置了傳力桿的水泥混凝土路面進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析，確定了傳力桿對(duì)防治路面病害有積極作用，曹云龍、王端宜等[4]通過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)查認(rèn)為傳力桿能夠有效地傳遞荷載，過(guò)去的研究主要是依靠現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)，并沒(méi)有全面地分析接縫處設(shè)置傳力桿對(duì)水泥混凝土路面的影響，因此，通過(guò)對(duì)某公路的水泥混凝土路面接縫傳力桿設(shè)置進(jìn)行有限元計(jì)算分析，得出傳力桿對(duì)變荷載水泥混凝土路面的影響。

1 路面結(jié)構(gòu)有限元模型建立

建立水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)有限元模型，其中一個(gè)模型路面接縫處設(shè)置傳力桿，一個(gè)不設(shè)置傳力桿做對(duì)比分析，分析傳力桿對(duì)水泥混凝土路面的影響，在設(shè)置傳力桿的道路結(jié)構(gòu)模型中考慮不同荷載情況下，傳力桿對(duì)水泥混凝土路面的影響。

在有限元模擬計(jì)算分析過(guò)程中，做以下假定：

(1)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)下的地基滿足文克勒地基模型。

(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(wú)脫空。

結(jié)合某公路的實(shí)際路面結(jié)構(gòu)確定各部件物理及材料計(jì)算參數(shù)[5]見(jiàn)表1、表2。

表1 路面結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

注：傳力桿之間間距0.3m，共計(jì)13根，兩端埋置長(zhǎng)度0.2m；接縫寬度0.01m

表2 各部件材料屬性

注：傳力桿橫截面為圓形且直徑為0.013m

該路面結(jié)構(gòu)模型輪載作用在路面板中部，作用區(qū)域大小為18.6cm×19.6cm，兩輪中心距12.8cm，采用BZZ-100,水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)未設(shè)置傳力桿的如圖1、設(shè)傳力桿的如圖2。

本計(jì)算案例主要討論傳力桿對(duì)水泥混凝土路面的影響，并不研究傳力桿與水泥混凝土面板的接觸問(wèn)題，故傳力桿與水泥混凝土之間采用嵌入約束；為提高計(jì)算精度與計(jì)算效率，非荷載區(qū)域的網(wǎng)格劃分采用全局布種0.4，荷載作用區(qū)域長(zhǎng)邊為單精度個(gè)數(shù)6，寬邊為單精度個(gè)數(shù)4；水泥混凝土路面板單元類(lèi)型為二十結(jié)點(diǎn)二次六面體單元,減縮積分,傳力桿單元類(lèi)型為B31，邊界條件主要限制傳力桿X方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。路面結(jié)構(gòu)有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖3。

將水泥混凝土路面分未設(shè)傳力桿與設(shè)傳力桿，分析應(yīng)力與位移的變化，分析傳力桿對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響。

2 有無(wú)傳力桿分析

將在接縫之間設(shè)傳力桿與不設(shè)傳力桿的水泥混凝土路面板的壓應(yīng)力與豎向位移的分析云圖做對(duì)比，如圖4～圖7。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果的云圖可知，從整體上分析：當(dāng)不設(shè)置傳力桿時(shí)，水泥混凝土面板受車(chē)輪荷載時(shí)，壓應(yīng)力與豎向位移的變化只發(fā)生在受荷板一側(cè)，未受荷板不受任何影響；當(dāng)在兩板接縫之間設(shè)置傳力桿時(shí)，此時(shí)水泥混凝土面板在受到荷載時(shí)，不僅受荷板的壓應(yīng)力與豎向位移發(fā)生變化，未受荷板在傳力桿的作用下，壓應(yīng)力與豎向位移也隨著有一定的變化；當(dāng)設(shè)置傳力桿時(shí)應(yīng)力最大值將出現(xiàn)在傳力桿與混凝土接觸的位置，且設(shè)置傳力桿時(shí)荷載的影響范圍相較于未設(shè)置傳力桿時(shí)要小。

接下來(lái)從設(shè)置了傳力桿路面板層底最大豎向壓應(yīng)力與位移的具體變化情況來(lái)分析。

水泥混凝土路面受荷板板底豎向位移隨道路橫斷面的變化規(guī)律如圖8。

從圖8分析可知，在接縫處設(shè)傳力桿時(shí)，受荷板一側(cè)整體豎向位移明顯減小，最大豎向位移位于輪載中心，有傳力桿時(shí)豎向位移為-0.00024m，無(wú)傳力桿時(shí)豎向位移為-0.00026m，有傳力桿時(shí)受荷板側(cè)最大豎向位移減小8%。

水泥混凝土路面未受荷板板底豎向位移隨道路橫斷面的變化規(guī)律如圖9。

通過(guò)前文的分析可知，在接縫處不設(shè)傳力桿時(shí)相鄰不受荷板無(wú)相關(guān)變化，通過(guò)圖9也可印證此規(guī)律；當(dāng)在接縫處布設(shè)傳力桿時(shí)，相鄰未受荷板明顯發(fā)生豎向位移，最大豎向位移為0.00016m，說(shuō)明傳力桿能有很好的傳力作用。

水泥混凝土路面受荷板側(cè)設(shè)傳力桿時(shí)與不設(shè)傳力桿時(shí)的最大拉應(yīng)力變化規(guī)律如圖10。

在接縫處設(shè)傳力桿時(shí)的面層底最大拉應(yīng)力為0.56MPa，在接縫處不設(shè)傳力桿時(shí)的面層底最大拉應(yīng)力為0.64MPa，設(shè)傳力桿時(shí)的拉應(yīng)力比不設(shè)傳力桿時(shí)的拉應(yīng)力減少14%；由此表明設(shè)傳力桿能夠有效地傳力，控制減小荷載作用影響范圍。

水泥混凝土路面未受荷板側(cè)，設(shè)傳力桿時(shí)與不設(shè)傳力桿時(shí)的最大壓應(yīng)力變化規(guī)律如圖11。

在接縫處設(shè)傳力桿時(shí)未受荷板的受荷區(qū)域?qū)拥鬃畲髩簯?yīng)力為0.3MPa，在接縫處不設(shè)傳力桿時(shí)的最大壓應(yīng)力約為0MPa；由此表明在路面板接縫處設(shè)置傳力桿之后，傳力桿能夠有效地傳遞車(chē)輪荷載，相鄰未受荷板能夠承受受荷板一側(cè)所傳遞過(guò)來(lái)的輪載。

3 荷載對(duì)傳力的影響

隨著社會(huì)的發(fā)展，道路承擔(dān)起更重的交通任務(wù)，超載現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，為研究水泥混凝土路面接縫處傳力桿隨著荷載的變化關(guān)系，設(shè)計(jì)了100kN、200kN、300kN、400kN的荷載。分析變荷載作用下傳力桿對(duì)水泥混凝土路面的影響。

隨著荷載的線性增加，由于水泥混凝土路面板被視作彈性材料，故層底豎向位移也表現(xiàn)為線性增長(zhǎng)。

從圖13分析可知，隨著荷載以100kN遞增，受荷板面層底部的壓應(yīng)力也隨之增加，增長(zhǎng)的規(guī)律與豎向位移情況一般一致，其背后的機(jī)理也相同。

隨著荷載從100kN增長(zhǎng)至400kN，由于傳力桿的作用，明顯可以看出相鄰未受荷板也受到了來(lái)自荷載板所傳遞過(guò)來(lái)的荷載，且隨著荷載的增加所分擔(dān)的荷載也隨之增加。

隨著荷載的增加，相鄰未受荷板層底壓應(yīng)力也逐漸增加，但層底壓應(yīng)力最大值并非發(fā)生在相對(duì)應(yīng)的輪載相鄰區(qū)域，而是發(fā)生在板角處，表面由于傳力桿的作用，未受荷板受到傳遞過(guò)來(lái)的力，導(dǎo)致了板角翹曲。

圖12～圖15表明隨著荷載的線性增加，受荷板水泥混凝土面層底部的豎向位移也線性增加，層底所受壓應(yīng)力也隨著荷載的增加而增加；在相鄰未受荷板側(cè)，隨著荷載的線性增加，未受荷板的層底豎向位移逐漸增加，為線性增長(zhǎng)，未受荷板的層底壓應(yīng)力也線性增加。

4 結(jié)論

文章從水泥混凝土面板接縫處是否設(shè)置傳力桿，通過(guò)建立模型對(duì)比分析得出以下結(jié)論。

(1)當(dāng)路面板接縫處不設(shè)置傳力桿時(shí)，相鄰未受荷板基本不受任何影響，受荷板此時(shí)受輪載作用，受力影響范圍較大、豎向位移較大、層底拉應(yīng)力較大。

(2)當(dāng)路面板接縫處設(shè)置傳力桿時(shí)，受荷板豎向位移有所變化，此時(shí)豎向位移從-0.00053mm減少至-0.00048mm，減少了約10%的豎向位移；層底最大拉應(yīng)力減小14%。相鄰未受荷板區(qū)域，豎向位移由之前的0mm變化為-0.00033mm，此時(shí)層底最大拉應(yīng)力為0.3MPa。

(3)在接縫處設(shè)置傳力桿能夠有效地傳遞荷載，減小單一面板豎向位移與層底最大拉應(yīng)力以及荷載作用的影響范圍。

(4)隨著荷載的增大，水泥混凝土面板之間通過(guò)接縫處設(shè)置的傳力桿，能夠有效地傳遞荷載到相鄰未受荷板，且通過(guò)傳力桿到相鄰未受荷板的力隨著荷載的增加線性增加，豎向位移也線性增加。