道路工程中的技術分析及預制混凝土路面板的力學性能分析

陳萬鋒

摘要 基于預制混凝土路面板缺乏受力特性研究的問題，為了加強道路工程中預制混凝土路面板的技術研究，文章對其進行力學研究。對預制混凝土路面板進行靜力實驗，探究其極限承載力。研究采用三種不同應力等級的預制混凝土路面板試件，觀測其開裂、應力應變和撓度。結果表明，其極限承載力為365 kN，裂紋的寬度都在1.5 mm左右。研究對裝配式公路路面的力學性能進行分析，以提升鉆井前期的施工效率，對打破鉆井前期工作時間緊迫的瓶頸，有著積極意義。

關鍵詞 道路工程；預制混凝土路面板；力學分析；壽命預測；靜力實驗

中圖分類號 TU528.2文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）06-0083-03

0 引言

道路工程中，裝配式路面是以預制的混凝土面板為面層、基層，與土基組合而成的一種路面形式[1]。隨著裝配式施工工藝的逐步成熟，對基礎進行裝配式施工的研究也在蓬勃發展。在橋梁、鉆探、機場和市政等領域，裝配式路面具有良好的發展前景[2]。值得一提的是，裝配式路面自身又是一種剛性表面，其強度高、穩定性好、耐久性好，適用于工期緊、現場設備簡單、需再使用面板的工程[3-4]。道路工程中采用的預制混凝土路面是一種綠色環保的臨時設施，施工簡便，可長期重復使用，符合國家大力建設井場，發展頁巖氣的需要[5-6]。為了更好地開展頁巖氣鉆井前期工程中預制混凝土路面受力特性的研究，以及獲得更符合其工作條件的預制混凝土路面板的設計，研究將對預制鋼筋混凝土路面板進行力學性能分析與研究，以探索更高效率的施工工藝，更好地解決施工工期緊張等相關問題。

1 預制混凝土路面板計算方法與實驗研究

1.1 預制混凝土路面板設計與理論值計算方法研究

研究選擇了一條用于鋪裝預制路面的場地，考慮施工的便利性，將其按一定的模數進行設計，使其長度為3 000 mm，寬度為1 500 mm，以便橫向縫的縱縫連接。同時，現場規則化，預制混凝土路面板的長、短兩條可以任意拼接，無任何棱角凸出。預制裝配式混凝土結構施工過程主要包含預制構件生產、運輸、堆放、定位放線、墻板吊裝、墻板位置固定和調整、鋼筋綁扎、模板安裝、混凝土澆筑及陽臺或者樓梯等相關構件的安裝、封頂、打膠，最后驗收。裝配式路面結構有別于一般的水泥混凝土路面。在路面結構設計中，為便于施工，在施工過程中不設路基，只設找平層，以保證路面的平整性[7]。在預制混凝土路面結構的設計中，將預制路面劃分為干拌砂漿找平層和預制路面兩層，根據施工場地的具體條件，可根據施工條件來決定是否設置防水材料[8]。為確保預制構件的質量和安全，承載力實驗是檢測預制構件性能和質量的重要手段，通過實驗可以確定預制板的承載能力，確保其滿足設計要求和使用安全[9-10]。承載力實驗可以驗證設計理論的準確性，為設計提供可靠的依據，同時也可以為改進設計提供反饋和指導。通常情況下，根據路面板的實際狀況分為中部與角部兩部分，其中預制混凝土路面板角部受壓區承載力計算如公式（1）所示。

式中，β1——預制混凝土路面板角部受壓區承載力；Ab——局部受壓的計算底面積；F1——局部受壓面上作用的局部荷載設計值。預制混凝土路面板中部受壓區承載力計算如公式（2）所示。

預制混凝土路面板最大裂縫寬度計算如公式（3）所示。

式中，C1——形狀系數，用于表示鋼筋表面；C2——影響系數，用于表示長期效應；C3——受彎作用系數；σSS——鋼筋應力；Es——彈性模量；ρte——效配筋率。

1.2 預制混凝土路面板承載力與疲勞度實驗研究

為了深入研究裝配式公路面板的受力特性，掌握其極限承載力，進行了靜力實驗。研究選取了一種規格為3 000 mm×1 495 mm，厚度為150 mm的板材。橋面鋪裝層為C40 N/mm2，雙向配筋，面層為C10@200 mm，下層鋼筋為C14@150 mm，兩種形式均為雙向配筋。在此基礎上，提出了一塊重1.67 t、C40混凝土0.675 m3、鋼筋108.93 kg的混合料。為了更好地研究傳力板作用下預制板的工作狀況，根據工程的具體情況和測試需要，分別設置相應的測點。考慮在道路面板中間行駛時，車輪下受到的載荷很大，所以，為了保證兩條接縫的兩條邊中點、兩條縫邊、兩條縫邊、車輪應力為測點，保證兩個對稱測點的精度，以板中心為測點之一，鋼筋應變共5個測點，縱向測點距離中心測點900 mm。混凝土測點設置在板受壓區，也就是預制的混凝土面板上，與鋼筋的測點相對應，由于在加載過程中不能粘貼應變片，所以將S-X-3測量點的位置向中間測量點移動200 mm，共計6個。在裂縫測試開始前，在預制混凝土路面板繪制邊長為100 mm的方格，以便對板面的開裂狀況進行更精確的觀察。路面板加載裝置如圖1所示。

在圖1中，可以看出研究采用雙點加載，加載區域是傳力板的接觸面，通過分布梁完成雙點加載，兩塊加載板間隔為1 800 mm。預制混凝土路面板承載力實驗設計中，在進行靜載實驗前，必須對其進行預壓。在實驗過程中，為了避免損壞儀表，對應變片和百分表的工作狀態都進行了測試。在加載時，要遵循表格式靜態加載的順序逐 步加載。在測試過程中，必須保證最近5 min的應變增長不超過上一個5 min變形量的15%，并將預制面板下面的裂紋擴展和開裂情況記錄下來。模擬時選取多層的彈性體系，如圖2所示。

在圖2中，可以看出，在Ansys中，可以直接使用塊體指令（Block）對地基材料進行有限元分析，根據DP屈服準則，建立一個更理想的彈塑性本構模型，并考慮土在屈服條件下的體脹效應，而忽略了溫度效應對土的影響。預制混凝土路面板采用多級隨機型增強模式，鋼筋按雙向等效硬化成型模型進行。鋪裝面板用固體單元仿真，整體模型用分段方法建立。

2 預制混凝土路面板力學性能實驗結果分析

2.1 預制混凝土路面板承載能力綜合力學分析

在測試前，認真地檢驗了鋪裝面板的尺寸和裂紋，以避免預制面板的損壞對試件承載力測試的結果產生影響。在荷載作用下，荷載達到100 kN（即極限荷載）時，會在板底拉壓區產生首道微裂紋，該裂紋主要發生在板底拉壓區，不是貫穿裂紋，而是以不連續的細裂紋形式存在。隨著加載的進行，裂紋逐漸擴展，并出現軸向對稱的裂紋。當荷載達到120 kN后，裂紋開始向板基的方向發展，而變形的發展速率也在不斷加快。當荷載由120 kN逐漸增加至300 kN時，裂紋寬度逐漸增大，裂紋數目不斷增多，裂紋擴展范圍主要發生在兩傳遞板荷載間的板下。在300 kN以上的荷載作用下，受拉區的混凝土已經被推離，鋼筋的應變增長和受壓區的變形也隨之增大，受拉區的混凝土發生了局部的損傷，構件的塑性變形也隨之增大；由裂紋計測得的位移為6.5 mm，裂紋寬度為3.3 mm，最終得到的極限荷載為365 kN。實驗得到的實驗結果如圖3所示。

（a）荷載-撓度曲線圖

（b）荷載-裂縫寬度曲線圖

在圖3中，可以看出，在圖3（a）中撓度隨載荷增大而增大，且近似呈線性關系；在100 kN的載荷作用下，傳力板和道面板中間部位的撓度增大速度顯著加快，增長速度也加快，但在這個時候，混凝土仍在與鋼筋一起工作，所以生長比較穩定，沒有發生突變。在荷載增大至300 kN時，板中撓度已達23.8 mm，板底邊緣處的撓度高達9.36 mm，三個測點的撓度均有很大幅度的增大，直至預制混凝土被頂出，直至失效。預制混凝土路面板受力360 kN后，中間板出現了6 cm以上的位移，并出現了1/50跨的撓度，導致了鋼筋的屈服。在圖3（b）中，在F=100 kN的荷載作用下，受拉區的混凝土仍在工作，而在荷載作用下，板的中部出現了0.06 mm的裂紋，在荷載作用的兩個部位，出現了10～80 mm的對稱裂紋。然而，當荷載繼續增大時，板側、板中部和板荷載區域的裂紋寬度同時增大，板底部裂紋從中間向支座方向擴展，并且裂紋數目越來越多。當加載在100～300 kN時，試樣處在“尚彈性”狀態，這三條裂紋的坡度都是一樣的，但是當載荷大于300 kN時，這些裂紋就會變成底部貫穿裂紋，并且裂紋的寬度也會越來越大，在加載F=360 kN的情況下，裂紋的寬度都在1.5 mm左右，尤其是中間的裂紋擴展最大，達3.3 mm。

2.2 裝配式道路工程中的預制混凝土路面板鋼筋應變實驗結果分析

通過對裝配式路面板受拉區三個位置的應變分析，可以發現：在0～100 kN范圍內，加載范圍內的應力增幅顯著低于隨后的增幅，并且加載部位（距面板中心900 mm）、中部和軸線600 mm處的應力增幅幾乎一致，而在100～300 kN范圍內，距板中心900 mm處的應變增幅要大得多，但增長趨勢相同。當預制混凝土路面板加載F=300 kN后，鋼筋逐漸從受拉區退去，受力集中在鋼筋上，當F=365 kN時，結構開始失效。預制混凝土路面板不同位置的荷載-鋼筋應變實驗結果如圖4所示。

圖4 預制混凝土路面板不同位置的荷載-鋼筋應變圖

圖4可以看出，與900 mm和600 mm區域的鋼筋相比，在荷載作用下，混凝土中的受拉區鋼筋的應變值要小很多，這表明在荷載作用下，鋼筋起主要作用。在0～100 kN范圍內，隨著荷載的增大，應力逐漸增大；在全荷載下，鋼筋的應變幾乎是線性上升的。

3 結論

在道路工程中，存在著預制混凝土路面的力學性能研究不夠充足的問題，且長度在3 000 mm及以上的裝配式路面中的系統力學研究較少。因此針對該問題，研究通過室內實驗，對預制鋼筋混凝土路面板展開了技術分析與力學研究，探究其承載力和板開裂的應力等數據變化，為預制混凝土路面板提供了荷載依據。通過靜載實驗，研究裝配式鋪裝層在荷載作用下直至全部失效的狀態下的極限承載能力。研究表明，900 mm和600 mm區域的鋼筋相比，在荷載作用下，混凝土中的受拉區鋼筋的應變值要小很多；預制混凝土路面板的極限破壞力為365 kN；撓度隨載荷增大而增大，且近似呈線性關系。研究中依舊存在著不足之處，例如目前對裝配式公路面板受力特性的研究尚不完善，因受條件所限，未再進行預制混凝土路面板配筋、配比、配筋強度等方面的實驗研究，在未來的工作中將對其進行更深入的橫向對比研究。

參考文獻

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