裝配式道路基層結構接縫傳荷性能及影響參數分析

田志偉 賈立夫 于兵杰 賈艷敏

摘要：為研究裝配式道路基層結構接縫的傳荷性能及影響參數，該研究設計裝配式基層靜力加載試驗，分析試驗結構在不同等級荷載作用下裝配式基層接縫的傳荷性能，建立三維有限元模型，并對試驗結果進行驗證。在有限元分析結果與試驗結果驗證基礎上，使用有限元分析法對裝配式基層傳荷性能進行影響參數分析。研究2種加載工況下，預制板混凝土強度等級、灌漿料彈性模量以及荷載等級對行車方向傳荷性能的影響。結果表明，預制板混凝土強度等級比灌漿料強度等級對傳荷性能的影響更大；雙點加載傳荷性能比單點加載傳荷性能更好；裝配式基層接縫灌漿料彈性模量從32 500 MPa下降到22 500 MPa，會增大接縫的應變，降低預制板之間傳荷性能。隨著荷載增加，裝配式基層接縫傳荷性能下降，接縫應變和接縫彎沉均增大，需嚴格控制超載情況。

關鍵詞：道路工程；裝配式基層；接縫應變；傳荷性能；數值模擬

中圖分類號：U416文獻標識碼：A文章編號：1006-8023（2023）02-0165-11

Analysis of Load Transfer Performance and Influencing Parameters

of Seams of Prefabricated Road Base Structure

TIAN Zhiwei1， JIA Lifu2*， YU Bingjie1， JIA Yanmin1*

（1.School of Civil Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China；

2.NEFU Engineering Consuslting&Design Institute Co.， LID， Harbin 150040， China）

Abstract：In order to study the load transfer performance and influencing parameters of the seams of the prefabricated road base， the static loading test of the prefabricated base was designed. The load transfer performance of the prefabricated base seams of the test structure under the action of different load levels was analyzed， and a three-dimensional finite element model was established to verify the test results. Based on the finite element analysis results and the experimental results， the finite element analysis method was used to analyze the influencing parameters of the load transfer performance of the prefabricated base. The effects of precast panel concrete strength grade， grouting material elastic modulus， and load grade on the load transfer performance in the driving direction were studied under two loading conditions. The results showed that the precast panel concrete strength grade had a greater influence on the load transfer performance than the grouting material strength grade; the load transfer performance of double-point loading was better than that of single-point loading. The elastic modulus of the prefabricated base seam grouting material decreased from 32 500 MPa to 22 500 MPa， which would increase the strain of the seam and reduce the load transfer performance between the precast panels. As the load increased， the load transfer performance of the seams of the prefabricated base layer decreased， the seam strain and seam deflection increased， and the overload situation needed to be strictly controlled.

Keywords：Road engineering; prefabricated base; seam strain; load transfer performance; numerical simulation

收稿日期：2022-06-02

基金項目：黑龍江省自然基金資助項目（E2017003）;中冶京城工程技術有限公司科研項目資助（01-20090231-287-304369）

第一作者簡介：田志偉，碩士研究生。研究方向為橋梁工程。Email： 14507022@qq.com

通信作者：賈艷敏，博士，教授。研究方向為橋梁工程。Email： 1450702286@qq.com;賈立夫，碩士，工程師。研究方向為道路與橋梁。Email： jialifuo@126.com。

引文格式：田志偉，賈立夫，于兵杰，等.裝配式道路基層結構接縫傳荷性能及影響參數分析[J].森林工程，2023，39（2）：165-175.

TIAN Z W， JIA L F， YU B J， et al. Analysis of load transfer performance and influencing parameters of seams of prefabricated road base structure[J]. Forest Engineering， 2023， 39（2）：165-175.

0引言

隨著國內經濟飛速發展，城市道路交通愈發擁擠，對道路維修速度和質量提出了很高的要求。傳統現澆道路不僅建造維修質量和效率受環境影響大，而且施工會造成嚴重的環境污染，使得道路運輸效率大大降低，增加了城市道路的運輸壓力[1]。預制混凝土路面具有高質量、快速建造和易于維護等特點。當快速、耐用的路面施工和維修需求出現時，裝配式基層技術也得以隨之發展[2]。裝配式基層預制板由工廠澆筑完成，運輸至施工現場進行組裝和連接，是一種替代傳統現澆基層的新型道路基層結構[3]。

國內外科研人員對此展開了一些研究，國外研究主要集中在預制路面，Vaitkus等[4]對預制混凝土路面紋理進行了定義分析；Syed等[5-6]討論了不同類型PCP對于不同環境條件的適用性以及創新發展和未來應用范圍，并研究了新型預應力預制路面板；Tayabji等[7]研究了預制混凝土路面施工技術，表明預制路面板有巨大的修復和再建造的潛力；Novak等[8]研究了預制混凝土路面系統開發。國內裝配式基層研究現狀，孫建誠等[9]使用ABAQUS軟件模擬分析裝配式基層在靜/動載作用下的受力特性；馬健生等[10]分析研究了裝配式道路基層結構填縫材料配比設計及性能；蔣帥等[11]使用ABAQUS有限元軟件對裝配式基層接縫進行應力分析；石爽爽[12]對裝配式基層調平材料進行了材料試驗分析。國內外對于裝配式基層的研究大多處于有限元模擬層面或者裝配式基層材料相關試驗，鮮有相關試驗作為實際支撐來研究裝配式道路基層結構受力特性。

裝配式基層有廣泛應用場景，接縫傳荷能力對裝配式基層的整體性和耐久性至關重要。故學習前者研究經驗和成果設計裝配式基層靜力加載試驗和有限元模型的方式，研究單、雙點加載下裝配式基層接縫傳荷性能及影響參數。

1裝配式基層結構靜力加載試驗

國內對于裝配式道路基層結構運用較少，具有代表性的有沈陽市陵園路工程道路項目，從預制板運輸進場到完成全部基層作業僅用8 d，如圖1所示。長春市經開南區汽車專用園區道路項目預制板鋪設如圖2所示。裝配式道路基層結構工藝步驟如下：預制板在工廠進行澆筑養生，運輸至施工現場，使用機械整齊鋪設預制板，接縫處使用灌漿料填封，最后進行封面。工程實踐表明裝配式道路基層結構整體性比二灰碎石基層更好，基層板與灌漿料之間有較好的黏結性[13]。

1.1試驗結構

綜合考慮試驗場所、試驗規模以及反力架尺寸等各種條件的限制，根據文獻[14]，本次裝配式基層靜力加載試驗采用縮尺結構模型，將幾何縮尺比相似系數定為1∶3，材料性能相似比為1∶1[15]。裝配式基層拼裝總長度為3 070 mm，寬度為2 080 mm，厚度100 mm。單塊預制板的長度為990～1 010 mm，寬度為690～720 mm。預制板與板之間采用斜企口方式嵌擠，接縫使用灌漿料進行聯結。預制板下有2 cm厚的砂墊層起調平作用，砂墊層下為30 cm厚土基層。試驗結構底部及其四周由1個2 cm厚的鋼框約束，模擬真實路基兩側以限制其側向位移。裝配式基層剖面圖及俯視圖如圖3和圖 4所示。

1.2試驗過程

1.2.1試驗準備工作

汽車輪胎荷載作用于路面有靜態壓力和動態壓力2種方式，標準軸載規定為BZZ-100 [16]。根據文獻面荷載設置為1∶1[17]。汽車靜止狀態下輪胎壓力值為0.4～0.7 MPa，而汽車在行駛過程中輪胎內因高速摩擦產生氣壓，輪胎對道路路面的壓力增加至0.9～1.1 MPa。

假設車輪荷載傳至路面是均布荷載，接觸的壓力與車輪和道路接觸面積大小有關。為了更好地測得預制板應變數據，試驗結構未設置瀝青路面層，因此，根據圣維南原理，假設路面車輪荷載向下45°方向擴散傳遞，將車輪縮尺后等效為18 cm×16 cm的矩形[18-19]。裝配式基層預制板采用C20混凝土制作，不設置鋼筋。灌漿料滿足施工現場連接預制板所需性能指標。灌漿料性能指標見表1。

試驗測得黏性土含水率與干密度關系如圖5所示，圖5中極大值點對應黏性土最佳含水率和最大干密度，最佳含水率為13.82%，最大干密度為1.94 g/cm3。環刀法測得黏性土的密實度為95.3%。滿足土基層壓實度90%以上要求[14]。土基回彈模量試驗土的彈性模量為50 MPa。裝配式基層試驗如圖6所示。

1.2.2試驗儀器布置

試驗預制板接縫表面采用表貼式應變片，預制板邊緣內部預埋混凝土應變計。埋入式應變計尺寸相對預制板尺寸不可忽略，故將應變計設置在離預制板斜企口短邊2 cm處，測量預制板板邊內部應變。應變計和應變片的布置位置如圖7所示。

1.2.3加載工況

將縮尺后的結構進行千斤頂靜力加載試驗，加載裝置由墊塊、分配梁、千斤頂、傳感器和反力架組成，加載點旁設置位移計，以記錄加載點彎沉。試驗采用量程為100 kN的壓力傳感器作為荷載施加的度量儀器，采用手動加載方式分5級靜力加載，每級荷載加載完畢3 min后再開始記錄試驗數據。試驗設置單點和雙點共2個加載工況，加載點布置如圖 8所示。

2結果與分析

2.1應變計結果分析

埋入式應變計試驗結果如圖9所示。為簡便描述，現將行車方向規定為X方向，垂直于行車方向規定為Y方向。

工況1中當單點加載點在5號板正中間時，其X、Y方向接縫應變均為負值，證明5號板接縫X、Y方向均處于受壓狀態，X、Y方向應變大小隨著荷載增大而增大，傳荷性能隨著荷載逐漸增大而逐漸減小，X方向傳荷性能由72.08%逐漸降低至54.89%，Y方向傳荷性能由83.05%逐漸降低至34.57%。

工況2中當5號板進行雙點加載時，X、Y方向的應變增長速率近似相等，雙點加載時加載點離接縫較近，同時使得預制板之間有更好的傳遞效率，這說明車輪軸載同時由多板承擔，傳荷性能會提高。X方向傳荷性能由79.81%降低至65.12%，Y方向傳荷性能由79.53%降低至60.99%。單點和雙點加載作用下接縫傳荷性能都隨著荷載增大而下降，雙點加載相比單點加載傳荷性能下降幅度更低，因此，盡可能地讓多塊預制板承擔荷載會增強裝配式基層的傳荷性能，增強裝配式基層結構的整體性，應盡量避免發生超載情況。

裝配式基層在0.7 MPa單點加載下應變變化平穩，具有良好的性能，預制板與板之間連接完好，基層具有很好的整體性。當荷載達到0.70～1.40 MPa時，預制板接縫的應變繼續增大，傳荷性能有所下降。荷載超過1.40 MPa以后預制板接縫應變增幅突然增大，傳荷性能明顯下降。隨著荷載的繼續增加，預制板接縫應變增加幅度顯著增大。因此應限制預制板接縫數量和超載情況，來保證路面平整度和結構整體性。試驗研究發現，5號板受到荷載作用時，圖7（a）中的1 757和7 668應變計數值很小，可忽略不計，說明荷載由5號板傳遞至2、4、6、8號塊預制板，而這4塊預制板沒有將荷載傳遞給1、3、7、9號預制板，說明預制板受到荷載作用時，只把荷載傳遞給了相鄰預制板。

2.2應變片結果分析

荷載試驗X、Y方向接縫應變結果如圖10所示。

單點加載和雙點加載在相同荷載條件下，接縫應變增長趨勢大致相同，接縫應變均隨荷載增大而增大，接縫傳荷性能隨著荷載增大而逐漸降低。工況2 X方向最大應變比工況1 X方向最大應變大13.33%，Y方向最大應變則比工況1最大應變小39.48%，工況2 X、Y方向應變峰值差值更小，說明工況2在多點荷載作用下，接縫整體受力性能更好，傳荷性能得到提高，荷載能更好地由5號板傳至其他板。通過應變片結果發現5號板受到荷載作用時，圖7中的62AX、92AX和34AX等應變片數值很小，說明荷載由5號板傳遞至2、4、6、8號塊預制板，而這4塊預制板沒有將荷載傳遞給1、3、7、9號預制板，說明預制板受到荷載作用時，只把荷載傳遞給了相鄰預制板。這與應變計結果相吻合。因此設計預制板尺寸時應盡可能將多塊預制板同時承擔車載，避免單板受力過重導致結構破壞。

3有限元模擬

3.1有限元模型建立與參數選取

1）各層結構為連續、均勻、各向同性的線彈性體。模型采用C3D8R單元（8節點六面體線性縮減積分單元）[20]。工況1和工況2均為0.7 MPa。

2）為簡便運算，模型不設置砂墊層。路面結構自上而下設定為10 cm厚C20基層預制板+灌漿料+30 cm厚壓實土基層，模型結構尺寸與圖3和圖4一致，加載點位置與圖7和圖8一致。

3）裝配式基層與灌漿料使用黏結功能模擬，基層以下等效為Winkler地基。土層與預制板之間橫向摩擦系數（μ）設置為0.7，縱向設置為硬接觸[21]。在黏結參數中橫向摩擦系數（μ）設置為0.7，縱向設置為硬接觸，鋼模底部設置三相固結，鋼模四周不設置約束。在加載面上設置參考點RP-1，將參考點與加載面耦合，有限元模型如圖11所示。

4）將5號板中間劃分區域，使其劃分的網格更加規整并增大模擬計算精確度。基層和灌漿料網格大小為50 mm，土基層與鋼模網格大小為100 mm。為使結構網格劃分規則增加計算精確度，將5號板中設置參考面，并將參考面向四板邊延伸，以此使網格劃分形狀規則，大小一致。有限元模型網格如圖12所示。結構設置所取參數見表2。

因預制預制板與板之間和鋼模與預制板之間均由灌漿料進行黏結，但是其連接企口形狀不同，依據文獻黏結參數見表 3[22-23]。

3.2有限元計算結果與試驗結果對比

有限元模型模擬驗證結果如圖13和圖14所示，有限元模擬與試驗同一點應變結果對比，有限元模擬應變與試驗結果誤差在15%以內。

3.3接縫應變分析

有限元模型與試驗結果驗證后進行影響參數分析。為研究基層混凝土等級對接縫傳荷性能以及灌漿料混凝土等級對接縫傳荷性能的影響，基層混凝土強度選取3種等級C20、C25、C30，灌漿料25 500、28 000、30 000、31 500、32 500 MPa 5種彈性模量進行有限元模擬計算，模擬計算結果如圖15所示，圖15中C20—C30表示預制板混凝土強度等級。

由圖15可知，工況1中預制板混凝土強度和灌漿料彈性模量一定時，隨著荷載增大，裝配式基層接縫應變逐漸增大。荷載由0.7 MPa分別增大到1.1 MPa和1.4 MPa，當預制板強度等級為C20時，接縫平均應變從28.76×10-6分別增大到49.21×10-6和69.70×10-6，漲幅為71.11%和142.36%；當預制板強度等級為C25時，接縫平均應變從24.67×10-6分別增大到42.54×10-6和64.09×10-6，漲幅為72.44%和159.79%；當預制板強度等級為C30時，接縫平均應變從22.43×10-6分別增大到38.35×10-6和53.13×10-6，漲幅為73.21%和136.88%。

工況2中荷載由0.7 MPa分別增大到1.1 MPa和1.4 MPa，當預制板強度等級為C20時，接縫平均應變從38.14×10-6分別增大到61.28×10-6和92.34×10-6，漲幅為60.68%和142.11%；當預制板強度等級為C25時，接縫平均應變從27.13×10-6分別增大到51.83×10-6和74.98×10-6，漲幅為91.04%和176.38%；當預制板強度等級為C30時，接縫平均應變從24.37×10-6分別增大到47.53×10-6和68.42×10-6，漲幅為95.04%和180.76%。對比工況1，相同荷載等級下，工況2接縫應變更大且受荷載影響更大。說明超載會使裝配式基層接縫應變增大，使接縫處于不利地位，增大接縫工作負擔。荷載等級和灌漿料彈性模量一定時，增大預制板混凝土強度有助于降低接縫應變。預制板混凝土強度和荷載等級一定時，改變灌漿料彈性模量對接縫應變影響不大。影響接縫處應變因素由強到底依次為：荷載等級、預制板混凝土強度等級、灌漿料彈性模量。

3.4接縫彎沉分析

裝配式基層有限元模擬中影響參數與接縫應變分析相同，取受荷側接縫彎沉值，結果如圖16所示，圖16中標識C20—C30代表預制板混凝土強度等級，22 500至31 500表示灌漿料彈性模量。

由圖16可知，2種工況隨著荷載等級增大，接縫彎沉增大。荷載等級一定時，接縫彎沉均隨著灌漿料彈性模量和預制板混凝土強度等級提高而減小。工況1在3種荷載等級下最大彎沉值分別為0.188 7、0.287 1、0.377 8 mm。工況2在3種荷載等級下最大彎沉值分別為0.285 8、0.419 8、0.558 8 mm。說明雙點加載作用下，接縫彎沉值更大。

3.5接縫傳荷性能分析

裝配式基層有限元模擬中影響參數與接縫應變分析相同，結果如圖17和圖18所示，圖17和圖18中標識中C20—C30代表預制板混凝土強度等級。

由圖17可知，當荷載以及預制板強度等級一定時，隨著灌漿料彈性模量的提高，行車方向傳荷性能逐漸降低。荷載為0.7 MPa時，C20預制板傳荷性能從98.67%逐漸降低至97.25%；C25預制板傳荷性能從96.38%逐步降低至94.88%；C30預制板傳荷性能從93.90%降低至92.06%。荷載為1.1 MPa和1.4 MPa時，行車方向傳荷性能均有不同程度的降低，這說明并不是彈性模量越高的灌漿料和強度等級越高的預制板傳荷性能就越好。荷載一定，隨著灌漿料彈性模量和預制板強度等級的提高，接縫應變逐步減小，這說明高強度的灌漿料和預制板可以使結構接縫抗破壞的能力提高。當荷載為0.7 MPa時，雙點加載情況下，隨著預制板混凝土強度等級和灌漿料彈性模量的提高，接縫傳荷性能由99.61%逐漸降低至94.41%；當荷載為1.1 MPa時，隨著預制板混凝土強度等級和灌漿料彈性模量的提高，接縫傳荷性能由99.12%逐漸降低至92.03%；當荷載為1.4 MPa時，隨著預制板混凝土強度等級和灌漿料彈性模量的提高，接縫傳荷性能由98.94%逐漸降低至86.31%。荷載等級一定時，灌漿料彈性模量和預制板混凝土強度等級的提高均會降低接縫傳荷性能。

由圖18可知，預制板強度和灌漿料彈性模量一定時，接縫傳荷性能隨著行車荷載的增大而逐漸降低，這說明超載會降低接縫傳荷性能，并且增大接縫應變。裝配式基層道路在長期超載作用下，接縫結構發生較大形變從而導致接縫發生結構破壞，裝配式道路基層結構應嚴格控制超載情況。2種工況預制板強度和灌漿料彈性模量一定時，接縫傳荷性能也隨著行車荷載的增大而逐漸降低，超載會降低裝配式基層接縫傳荷性能，并且增大接縫應變和接縫彎沉。裝配式基層道路在長期超載作用下，接縫結構發生較大形變從而導致接縫發生剪切破壞，裝配式道路基層結構應嚴格控制超載情況。工況2整體傳荷性能更好，且傳荷性能受荷載等級影響更小，證明多點加載可以使受荷板更好地將荷載傳遞給其他預制板。

3.6有限元模擬參數分析

由3.3至3.5小節可知，在荷載等級和灌漿料彈性模量相同情況下，雙點加載工況C20預制板接縫的應變值和彎沉值較大，2種工況中C30預制板傳荷性能較低，故分別對C20預制板接縫應變彎沉值和C30預制板接縫傳荷性能使用曲面二元二次函數進行擬合分析。曲面擬合圖如圖19和圖20所示。曲面擬合方程分別編號為1、2、3、4，X自變量為荷載，Y自變量為灌漿料彈性模量，Z因變量為接縫應變、接縫彎沉和傳荷性能，為簡便擬合將灌漿料彈性模量單位設置為GPa，曲面擬合方程見表4。

由圖19可知，隨著荷載等級逐漸增大，接縫應變也隨之增大。而隨著灌漿料彈性模量逐步提高，接縫應變下降趨勢不明顯。同理，隨著荷載等級逐漸增大，接縫彎沉也隨之增大。而隨著灌漿料彈性模量逐步提高，接縫彎沉下降趨勢不明顯。

由圖20可知，隨著荷載等級逐漸增大，接縫傳荷性能逐漸降低。而隨著灌漿料彈性模量逐步提高，接縫應變下降趨勢不明顯。同理，隨著荷載等級逐漸增大，接縫傳荷性能逐漸降低。而隨著灌漿料彈性模量逐步提高，接縫傳荷性能下降趨勢不明顯。

由表4可知，曲面擬合方程系數R2數值均大于0.98，說明接縫的應變、彎沉和傳荷性能都與荷載、灌漿料彈性模量能夠很好地滿足二元二次多項式的關系。

4結論

1）預制板混凝土強度等級對傳荷性能影響更大，增大預制板混凝土強度等級更能減小接縫應變，增大接縫受力性能，增強裝配式基層的結構整體性。接縫傳荷性能影響因素由大到小分別為荷載等級、預制板混凝土強度和灌漿料彈性模量。

2）超載作用下，接縫傳荷性能降低，且接縫應變和接縫彎沉增大，接縫容易發生應力集中和不均勻沉降，導致剪切破壞，應嚴格控制超載情況發生。

3）雙點加載傳荷性能比單點加載傳荷性能受荷載影響小，因此在設計實際裝配式基層道路時，裝配式基層板尺寸不宜過大，避免造成單板單獨承受汽車荷載，應使汽車荷載同時作用在2～4塊預制板上。

4）有限元軟件ABAQUS計算得到的應變彎沉數據與試驗數據相吻合，表明接觸表面引用內聚力模型可以很好地反映實際試驗結果，驗證有限元的可行性。

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