預制鋼纖維混凝土路面板結構優化數值模擬研究

范漢秀 潘志歆 張鑫 羅文宇 葉向陽

（1、中鐵十一局集團第五工程有限公司，重慶 4000372、重慶科技學院，重慶 401331）

近年來，隨著我國市政工程的高速發展，在一些城市和鄉村的道路中逐漸采用裝配式混凝土路面板，然而裝配式混凝土路面板易出現受壓破壞且路面板厚度較大等問題，導致其使用壽命短，進而影響工程造價[1-3]。為此，諸多學者對裝配式路面板進行了的力學性能分析，如：謝喜年[4]對裝配式混凝土路面板進行板底脫空損壞的力學機制研究；預制混凝土路面板路面平整度和自重作為其中的重要指標，陳智杰[5]對其施工工藝進行了改善。鄭震宙[6]等人對裝配式路面板受力特征及脫空時的力學性能進行了分析，發現在正常條件下混凝土路面板力學特性并未達到開裂值。孫偉、高建明[7]對鋼纖維混凝土路面結構形式進行了研究，通過研究發現當鋼纖維摻量為1%～1.2%時，鋼纖維混凝土路面板厚度可以減少40%～50%。從現階段研究成果來看，預制鋼纖維混凝土路面板特性與其結構形式有關，其抗壓強度特性需進一步研究，本文通過數值模擬方法研究該路面板的受力特性，分析在加入鋼筋網后路面板特性的變化，并為以后類似工程提供一定的參考價值。

1 工程概況

鋼纖維混凝土路面板尺寸為2.0m×2.0m×0.2m（長×寬×高），底基層和墊層厚度均為0.2m。為消除邊界約束對數值模擬結果造成影響。基層和土基層的厚度為單塊板的5 倍，且路面板位于基層頂部最中央。各結構層材料物理力學參數如表1 所示。有限元分析模型如圖1 所示。

表1 結構層材料的物理力學參數

圖1 有限元模型及網格劃分圖

2 靜力荷載下路面板受力特性分析

根據實際工程，本試驗選擇靜力荷載采用的是雙輪荷載，并考慮不同作用位置，輪壓大小為2.8Mpa。并以單輪與路面接觸面積A=長×寬=0.16m×0.16m，并按均布荷載考慮。兩輪橫向凈間距d=0.16m。具體簡化后的行車荷載等效面積示意圖[8,9]，如圖2 所示。路面板內鋼筋網橫縱筋、馬凳筋均采用B8，鋼筋網模型按照實際工程情況建立，如圖3 所示。

圖2 行車荷載等效面積示意圖（單位:m）

圖3 鋼筋網模型圖

2.1 輪壓位置工況。雖然將動力問題簡化成靜力問題，但仍然要考慮輪載作用在路面板不同位置對路面板的影響。本文依后輪沿著路面板邊緣中心、路面板中心、另一端路面板邊緣中心，三種典型的輪壓位置（或工況），以模擬在行車過程中路面板的結構受力，探討輪壓位置不同時對路面板的影響,如圖4 所示。

圖4 輪壓位置工況示意圖

2.2 數值模擬結果及分析。結果表明，無論路面板有無鋼筋網在各工況下UZ方向位移都很小，但有鋼筋網的路面板受壓部分位移等值線受力較無鋼筋網的均勻，且最大下沉位置在外側輪壓作用位置處，輪壓位置處的位置位移如圖5 所示，此外，板體會出現中間翹起變形，即存在縱、橫彎曲現象。

圖5 各工況下UZ 方向位移

路面板的壓應力區主要出現在板頂部如圖6 為各工況下路面板頂部壓應力對比圖，從應力云圖中可可以看出所有工況的等值線間隔大致相同，即證明該路面板傳荷能力強。通過對比分析各工況下板頂壓應力發現，各工況下壓應力均為超過混凝土軸心抗壓強度標準值（C40 混凝土fck為17.1Mpa），路面板未出現彌散裂縫，且在加入鋼筋網后壓應力提高了0.821Mpa～1.2249Mpa。

圖6 各工況下壓應力圖

3 結論

3.1 在加入鋼筋網后路面板在經歷荷載作用下最大位移并未改變，但輪壓位置處的位移等值線變得更均勻，表明在加入鋼筋網后路面板受力更合理。

3.2 在正常靜力荷載作用下，路面板最大壓應力出現在車輪荷載處的頂板位置，且最大拉應力未超過軸心抗壓強度標準值，且抗壓強度提升0.821Mpa～1.2249Mpa。

3.3 本文荷載考慮的是靜力荷載，未考慮移動荷載，希望接下來對此展開移動荷載研究，進一步完善裝配式鋼纖維混凝土路面板工作性能的研究。