重型荷載作用下建筑工程施工現場鋼板臨時路面應用研究*

楊 成，吳家雄，陳 波，李罡燁，胡 俊

(中國建筑第四工程局有限公司，廣東 廣州 510665)

0 引言

鋼板路面體系是以自然地面為基礎，無機料作為水穩層，鋼板作為路面[1]，可有效解決臨時施工道路采用現澆混凝土施工方式，養護周期長，后期破除成本高，環境污染破壞大的弊端[2]，王維等[3]通過3種可周轉臨時道路方案的比較，得出裝配式鋼板道路的適應性最強結論，王志明[4]將可周轉裝配式重載型鋼板在臨時施工道路進行了運用，并取得較好的經濟效益。以往研究者對鋼板臨時路面研究主要集中在應用，對影響鋼板臨時路面的重要指標如路基壓實度、鋼板尺寸、鋼板間連接件均鮮為提及，本文通過對大量鋼板臨時路面項目運用進行統計分析，得出臨時鋼板路面路基最低壓實度，通過有限元模擬得出重載下鋼板的最優尺寸，為施工現場鋼板臨時路面鋪筑提供理論指導。

1 調查統計分析

筆者從2013年開始研究鋼板臨時路面，并在多個項目進行了使用，應用效果統計如表1所示。由表1可知，鋼板臨時路面的總體使用效果好，施工快捷，重復周轉使用，回收方便環保，符合綠色施工要求；但當路基壓實度為80%時，因路面排水不暢，路面積水，導致局部路基下沉，造成路面變形嚴重，建議在選取路基壓實度時應考慮路面排水等問題，參照文獻[5]取值≥90%。

2 鋼板臨時路面方案比選

2.1 荷載選取

建筑工程臨時施工道路作為承載進出施工現場各種施工機械的工具，主要包括鋼筋運輸車、起重機、混凝土運輸車、混凝土泵車等，最大總重約80t，車輛類型及載重情況為：鋼筋車73.8t，水泥車37.93t，混凝土攪拌車42.97t，土方車47.35t，起重機25t，模板車18t，腳手架車38.84t。

表1 鋼板臨時路面應用項目統計

結合施工實際，以5t荷載為界，分為輕載道路和重載道路，其中5t及以下載重為輕載道路，用于施工現場生活區和辦公區(主要通行小車和6m長左右貨車)；5t以上載重為重載道路，用于施工生產區，主要承載各種大型車輛，最大載重按80t計算。

2.2 重載鋼板路面組合形式及結構方案

1)結構形式 根據運輸車輛尺寸及施工運輸現場實際，一般重載道路寬4m或6m，重載鋼板路面的材質選用Q235，密度7 850kg/m3，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比0.27，其鋼板外形規格2 000mm×2 000mm×20mm，2 000mm×3 000mm×20mm，2 000mm×1 000mm×20mm；以2 000mm×2 000mm×20mm，[10加強為例，4m或6m寬道路主要是采用單塊鋼板進行不同形式組合，結構形式如圖1所示。

圖1 鋼板結構形式

2)連接件 鋼板之間連接為在鋼板上鉆孔攻絲，用于路面等厚連接板，連接方式分為2種：①連接板鉆4個φ22孔，4個孔中心距80mm×80mm居中布置，連接螺栓為M20×40，性能為10.9級；②連接板分為上、下兩塊板，上蓋板中心鉆1個φ26孔，下底板中心鉆1個φ22孔攻M24×3螺紋，連接螺栓為M24×65，10.9級，連接形式如圖2所示。

圖2 鋼板結構連接件

3)組合方案 根據圖1所示鋼板結構及連接形式，組合成4m寬道路(6m寬類似，主要考慮錯車)，考慮到重載汽車長度及行駛距離，將模擬方案長度取為16m，其組合方案如表2所示。

表2 4m×16m道路組合方案

3 有限元數值模擬

3.1 鋼板臨界條件

鋼板沉降限值為沉降s≤30mm及沉降引起坡度i≤3；基底平均壓力限值pk≤fa，其中fa為地基承載力特征值；鋼板應力限值為屈服應力設計值(即215N/mm2)，ANSYS分析結果采用von Misses應力與鋼板屈服應力進行比較。

3.2 有限元數值模擬

1)有限元模型、荷載施加及約束條件

根據上述方案，建立各自有限元模型，在仿真中，為模擬極限變形最大工況，在保證重載的輪壓分布及壓力值情況下，采用均布荷載的施加方式，且盡量使荷載施加位置靠近連接處，獲得最大變形及應力。根據計算荷載，在有限元模型中施加荷載，約束鋼板底部槽鋼，如圖3所示。

圖3 荷載及約束情況

2)有限元分析結果 根據上述施加的約束和荷載，在ANSYS中進行靜應力分析，得到總變形、總應力情況，如圖4～6所示。

圖4 方案1總變形與總應力云圖

圖5 方案2總變形與總應力云圖

圖6 方案3總變形與總應力云圖

由圖4可知，方案1中鋼板道路最大變形量為6.793mm，最大應力為189.55MPa，最大變形位置產生在重載汽車中橋位置，此處荷載為360kN，產生最大變形的原因為長距離的鋼板撓度較大，在中間處承受彎矩較大，故產生較大變形，在單一方向上，z向發生的變形量最大，最大值為-6.307 5mm，即變形主要產生在豎直方向上；最大應力產生在后橋位置，主要與此處承受較大荷載(400kN)有關，但產生的應力值均<215MPa，滿足結構強度要求。

由圖5可知，方案2中鋼板道路最大變形量為7.773 4mm，最大應力為212.44MPa，最大變形位置產生在重載汽車后橋位置，此處荷載為400kN，產生最大變形的原因為在后部承受荷載較大，而在單一方向上，z向產生的變形量最大，最大值為-7.773 4mm，即變形主要產生在豎直方向上；最大應力產生在后橋位置，主要與此處承受較大荷載(400kN)有關，其次在中橋位置處也體現應力不集中現象，主要是因為該部分承受360kN荷載，雖然產生的應力值<215MPa，但較接近Q235材料的極限強度，穩定性和強度無法得到可靠保障。

由圖6可知，方案3中鋼板道路最大變形量為4.516 5mm，最大應力為148.95MPa，最大變形位置產生在重載汽車后橋位置，此處荷載為400kN，產生最大變形的原因為在后部承受荷載較大，在單一方向上，z向產生的變形量最大，最大值為-4.516 5mm，即變形主要產生在豎直方向上；最大應力產生在后橋位置，主要與此處承受較大荷載(400kN)有關，但產生的應力值均<215MPa，滿足結構強度要求。

3.3 數值仿真結果對比分析

通過3種方案的仿真結果對比分析，可得出4m寬的重載鋼板道路的Von Misses應力及應變情況如表3所示。由表3可知，3種方案中在相同荷載下方案3的變形量和最大應力值均較小，但連接件數量多，現場施工較麻煩；方案2已接近Q235材料的極限強度，穩定性和強度無法得到可靠保障；綜合以上分析施工現場采用方案1進行現場試驗。

4 現場實施及使用效果

根據上述分析，參照相關文獻[5-7]，路基壓實度≥90%進行路基壓實，鋼板路面按如下工藝流程：原始地面平整壓實→水穩層攤鋪夯實→鋼板路面加工→路面排水溝施工→鋼板路面鋪裝→鋼板拼接處連接→路緣石安裝，進行施工試驗組裝，鋼板路面安裝時，板塊拼接處的縫隙用φ10三元乙丙橡膠條進行密封。

通過近3個月的使用，未發現路面變形、損壞等異常情況，能滿足施工現場臨時道路需求，整體使用效果好。

5 結語

根據對大量鋼板臨時路面項目運用進行統計分析及有限元模擬分析，得出結論如下。

1)鋼板路面結構強度高，施工效率高；綜合成本低，周轉率高；環保節能，拆除方便。其切合綠色施工主題要求，具有顯著的長期經濟效益和環保、社會效益，具有廣泛的應用前景。

2)通過有限元軟件分析結合施工現場，得出施工現場最優鋼板路面尺寸為2 000mm×2 000mm×20mm。

3)建議在選取鋼板臨時路面路基壓實度時考慮路面排水等問題，取值不低于90%，以免路基承載力不足，造成鋼板翹曲變形，影響鋼板路面使用壽命。

4)鋼板臨時路面使用過程中應采取有效的排水措施，防止雨水下滲，造成板底脫空，影響基層承載力。