裝配式臨時組合鋼路面設計方法及計算分析★

周 迪 陳效春 王 潔 趙英杰 張大長

(1.杭州市電力設計院有限公司，浙江 杭州 310009； 2.南京工業大學土木工程學院，江蘇 南京 211816)

近年來隨著我國建筑業的迅速發展，臨時道路鋪設成為機械化施工中一個重要環節，直接影響到物資材料運輸、機械設備的進場需求，繼而決定整個建設工期及工程造價。然而，臨時道路建設面臨著極大的挑戰，道橋、輸電線路等工程施工大多在野外進行，地形地質復雜，對臨時施工道路建設要求較高，這嚴重影響了施工機械的進場；同時存在大片耕地農田，臨時道路的鋪設可能會導致耕地農田損壞嚴重，難以修復。目前，國內常見的臨時道路主要有碎石、混凝土、鋼板及復合材料式道路[1-3]，但都存在一定的問題，無法在安全可靠、組裝便捷和綠色環保之間取得平衡，不能完全滿足機械化施工的需求。

關于臨時路面設計，程營[4]按照常規軍用荷載的承載要求，設計出一種鋁合金路面結構，并進行該臨時路面在軍用荷載作用下的結構響應分析，通過理論分析及實載試驗對結構設計進行驗證；陳浩[5]將聚氨酯材料應用于路面結構中，進行了組合式路面的結構設計并優化路面結構的連接方式，最終確定六角板路面結構形式及鉤孔連接；方海等[6,7]詳細介紹過一種輕質路面板的制備過程，同時開展單塊面板及相鄰到面板拼接節點展開疲勞試驗和路面板野外現場車載試驗，結合有限元及理論分析，提出該種道路面板在臨時道路施工中的應用可行性。

本文提出一種新型組合式路面，該路面在橫向節點處斷開，縱、橫向均采用半剛性節點連接，適應不同地基土的雙向變形，能夠在加工廠形成模塊化路面，便于機械化施工，提高臨時路面鋪設及撤收效率。開展路面結構選型，設計能夠適應場地變形的臨時路面板；開展車輛荷載—路面結構—地基土的傳力機理分析，探討組合式路面承載能力，同時結合理論分析，提出組合式路面設計方法和設計建議。

1 臨時組合路面的單元結構

1.1 單元設計荷載及結構形式

1.1.1 地基模型

地基作為路面結構的下部支撐物，在路面結構分析與計算中，地基土壤模型選取的適用性，直接關系到力學模型分析結果的準確性。目前，一般路面器材的計算普遍采用彈性地基梁理論，將地基簡化為溫克爾彈性地基，如圖1所示。

該模型土體介質表面任意點的位移s(x,y)只與該點應力q(x,y)成正比，其特征函數為：

q(x,y)=k·s(x,y)

(1)

其中，k為基床系數或地基抗力系數，kN/m3。

在計算地基土的反力系數時，可按高爾布諾夫—伯沙道夫公式，取：

(2)

其中，E0為土壤變形模量;μ0為土壤泊松比;H為荷載的作用深度。

1.1.2 設計荷載

設計車輛荷載(軸荷)是組合路面設計的關鍵因素。在公路工程技術標準(JTG B01—2014)規范中，對于路面設計汽車及人群荷載有明確的規定，但未涉及組合路面設計荷載。綜合調查分析道橋、輸電線路等野外作業工程重型運輸車輛的類型，本文參照31.0 t商品混凝土攪拌車的標準軸荷作為設計荷載，其參數如表1所示。

表1 重型運輸車車輛參數

車輛荷載計算公式為：

(3)

其中，p為車輛荷載；W為輪胎承重；S為輪胎接地面積。

輪印面積計算公式為：

(4)

其中，A為輪印面積，m2；P為單個車輪荷載，kN；p為輪胎壓力，根據De Beer測試，輪胎路面壓應力分布復雜，滿載時p取830 kPa。

在簡化計算中，輪胎接觸面積采用面積等效準則換算成圓形接觸面，如圖2所示。當量圓的半徑R按下式確定：

(5)

其中，R為當量圓形的半徑，m。

1.1.3 承載力要求

野外作業工程地質條件復雜，常見軟土地基，路面板強度要比地基土強度大很多，即認為路面板相對于地基土是剛性體。一般路面結構自身不會出現強度破壞，但是設計時還需要考慮路面結構與路基土的相互作用，要求在一定沉陷范圍內路基土提供的反力大于車輛滿載時車輪荷載，保證重型車輛能夠順利通過。

如圖3所示，地基由于沉陷提供的反力為：

F=kb2H

(6)

根據滿載31.0 t商品混凝土攪拌車軸重的分配，由上可得最大車輪荷載為：

P=90 kN

(7)

即要求：

F≥P

(8)

其中，F為地基反力；k為基床系數；b為路面板寬度；H為路面板沉陷深度；P為車輪荷載。

1.1.4 路面板截面特性

從簡化計算模型出發，將路面板結構進行簡化，依據抗彎剛度相等的原理確定路面板的截面高度。等效方法是將單塊路面板簡化為一塊相同材質、相同大小的矩形鋼板，其截面慣性矩與實際斷面相等，使其各處的彎矩大小與實際相同，按照兩者剛度等效來確定路面結構截面高度。

臨時路面板結構在單向、雙向加勁角鋼處的截面形式分為兩種，如圖4所示。

臨時組合路面板的截面如圖4a)所示，設組合截面的x軸在上板表面，則慣性矩計算公式如下：

(9)

單向加勁角鋼組合截面繞x軸慣性矩為：

(10)

其中，Iyo為角鋼構件繞yo—yo的截面慣性矩。

如圖4b)所示，同理可得，雙向加勁角鋼組合截面繞x軸慣性矩為：

(11)

依據常用鋼板組合路面的截面尺寸，可得一個設計限值IX，在保證Ix≥IX的原則上確定合適的截面高度h，其中IX=min{Ix單,Ix雙}。

1.2 路面板的單元結構及拼裝節點

1.2.1 單元結構

臨時路面板由上花紋板，縱、橫向加勁角鋼，邊部角鋼及斜板搭接焊接而形成整體。花紋板是特定帶紋理的薄鋼板，作為路面板行車表面，可提高車輪與路面板的摩擦力；花紋板底部焊接雙向錐形角鋼肋條，由于縱橫向角鋼的存在，能夠在降低路面板自重的前提下，提高其抗彎剛度，同時增大與地基土的接觸面積，分散路面上部車輪集中荷載。

基于上述荷載及路面板形式，優選設計得到該路面單元板如圖5所示，外形尺寸為750 mm×750 mm×51 mm，其中花紋板厚度為6 mm，其余構件厚度為5 mm。該單塊板質量僅為53.3 kg，成年人就能搬動。

1.2.2 拼裝節點

該路面板在邊部角鋼開孔，與連接鍵對孔使用螺栓相連，即可拼裝成整個臨時路面，3×3單元板路面拼裝示意如圖6所示。組合整體式路面節點屬于半剛性，能夠適應雙向變形，路面通過壓縮土體變形將車輛荷載傳至路基，避免單塊路面板發生較大的撓曲變形而損壞，整個路面屬于半剛性路面。同時整個路面易于鋪設、撤收以及運輸，組裝靈活，實現臨時道路的快速鋪設。該組合臨時路面能滿足機械化施工需求，可以提高施工效率及重復使用。

2 無邊框組合路面的計算分析

2.1 簡化模型及基本假定

取9塊單元板的組合路面為典型計算模型，簡化計算模型的基本假設為：

1)采用溫克爾地基模型，不考慮受力時土體剛度的變化；

2)路面單元板為剛性板塊，忽略其變形；

3)連接節點簡化為彈簧模型，忽略其彎矩效應；

4)不考慮連接節點彈簧剛度的變化；

5)邊框為剛性，忽略其與路基土間的傳力作用。

組合路面的簡化計算模型如圖7所示，該模型由9質點、12根節點彈簧以及地基彈簧構成。同時，考慮路面受力的對稱性，可按0°，90°劃分，取其中1/4進行計算分析，如圖7c)所示。

2.2 傳力機理

根據1/4單元簡化模型可知，當1號板在荷載作用下發生沉陷時，邊部2號板會沿著彈簧12的方向收縮，角部3號板會沿著彈簧23的方向收縮，即沿斜向45°向1號板收縮。荷載傳遞方向如下：

1)車輛荷載作用于1號板中心時，部分直接傳給路基土，另一部分由兩根彈簧12傳遞至2號板；

2)當作用于2號板時，荷載傳遞分為兩部分，一部分傳遞給下部路基土，另一部分由彈簧23傳遞至角部3號板；

3)當作用于3號板時，荷載傳遞至路基土。

2.3 等效剛度

結構剛度是指彈性體抵抗變形的能力，組合路面結構各部分剛度與荷載分配有關，在分析組合路面荷載傳遞比例時需要求解各部分的等效剛度。根據結構受力特性，結構等效剛度計算公式為：

(12)

其中，k為組合結構的等效剛度；δ為組合結構的響應；ki為第i號結構的剛度；δi為第i號結構的響應。

1)荷載作用于1號單元板。

單元板1的荷載—位移由單元板2的等效剛度、板下土剛度和彈簧12連接節點剛度共同決定。假定1號板豎直向內運動位移為δ，1/4路基土的響應為δ1，1/2彈簧12和2號板串聯結構的響應為δ2，則：

(13)

由于1/2彈簧12和單元板2屬于串聯結構，依據單元板單元運動軌跡，設1號板豎直向內運動位移為δ，相繼地1/2彈簧12的響應為切向δ1，2號板的響應為δ2，則：

(14)

2)荷載作用于2號單元板。

單元板2的荷載—位移由單元板3的等效剛度、板下土剛度和彈簧23連接節點剛度決定。假定2號板沿著彈簧12方向運動位移為δ，1/2路基土響應為δ1、彈簧23和3號板串聯結構的響應為δ2，則：

(15)

由于彈簧23和單元板3屬于串聯結構，依據單元板單元運動軌跡，假定2號板向左運動位移為δ，彈簧23的響應為軸向δ1，3號板的響應為δ2，則：

(16)

3)荷載作用于3號單元板。

單元板3的荷載—位移由板下土的剛度決定，荷載作用下，假定3號板沿著45°方向運動位移為δ，路基土的響應為δ1，則:

(17)

4)無邊框組合路面的等效剛度。

綜上可得無邊框組合路面單元板的等效剛度為：

k=4k1

(18)

代入上述計算式得：

(19)

3 組合鋼路面實例的設計分析

組合路面板結構實物如圖8所示，平面尺寸750 mm×750 mm×51 mm，花紋板(750 mm×750 mm×6 mm)下側焊接2根通長角鋼(L63×5)，6根短角鋼(L63×5)，4根斜板及角鋼(L45×5)形成路面板抗彎構造。

將上述路面板結構參數代入承載力及剛度計算公式，編寫程序計算得到組合路面板單板沉陷為140 mm，且滿足F≥P，確保重型車輛沉陷滿足標準要求。按照《建筑結構靜力計算實用手冊》校核組合路面板剛度及強度，路面板整體剛度最小為207.3 MPa/mm，且無加勁板區域應力水平為194.5 MPa，均滿足Q235鋼材設計強度，故上述設計方法均滿足組合路面剛度及強度要求。

4 結語

基于上述理論分析及設計實例，主要結論如下：

1)裝配式臨時組合鋼路面由單元板拼裝組合而成，可以適應地基土的雙向變形，分散上部集中荷載；組合路面縱橫向由半剛性節點連接，現場簡單拼裝組合路面，具有鋪設及撤收效率高，滿足機械化施工要求；

2)基于試驗路基土特性，選型計算得到路面板尺寸為750 mm×750 mm×51 mm，花紋板厚為6 mm，其余構件厚度均為5 mm，單板質量僅為53.3 kg，且方便拼裝；

3)提出了考慮了不同車輪作用點時新型組合路面縱、橫向的受力特點、變形及剛度的設計方法；同時開展歷史路面的選型計算及設計比較，表明該方法合理可行；

4)本文提出了新型鋼/金屬組合路面的設計方法及過程，可供道橋、輸電線路等野外施工工程臨時路面設計參考，為臨時道路鋪設提供支撐。