傳力桿直徑對水泥混凝土路面傳荷性能影響的數值分析

丘概新

(廣東省高速公路有限公司)

1 引言

水泥混凝土路面長期處于自然環境中，在大氣溫度周期性的變化下會產生溫度變形。倘若這種變形受到約束，將會成為板內應力，當板內應力超出容許范圍時，板即產生不規則裂縫，被擠壓碎，甚至隆起。為了消除溫度引起的內應力，需要用縱向和橫向各種形式的接縫將道面分割開來。

普通水泥混凝土路面設置切縫的目的是避免溫度變化引起的不規則開裂。然而，接縫的設置又破壞了結構的整體性，反而成為路面中的薄弱環節。因此，《公路水泥混凝土路面施工技術規范》(JTG F30-2003)規定，特重、重交通高速公路水泥混凝土路面應采用每條縮縫插傳力桿的結構形式。實踐表明，接縫插傳力桿可以有效地提高接縫傳荷能力，并減小錯臺量，改善行車舒適性;同時，由于傳力桿和拉桿能夠將車輪荷載向四周的板塊進行傳遞，減小了直接承受輪載作用面板的內應力，因此使面板的疲勞應力強度比有所降低，使用壽命可提高3年以上;又由于板角傳力桿與拉桿的存在，提高了板角對脫空斷裂的抵抗能力。

我國對傳力桿的研究工作較少，傳力桿的設計還需要進一步完善。如傳力桿的適宜直徑如何設計，直徑過小，不能有效地傳遞荷載;直徑過大，采用傳力桿自動插入法施工時，會影響接縫部位的施工質量，并直接導致路面平整度變差。因此，我國學術界有兩個截然不同的觀點:一個觀點從提高水泥混凝土路面平整度的角度，認為現有規范的傳力桿直徑過粗，應該采用較細的傳力桿直徑;另外一個觀點從減少面板錯臺的角度，認為需采用比現有規范推薦傳力桿直徑更粗的傳力桿。采用合適的傳力桿直徑對于提高高速公路水泥混凝土路面工程質量和延長路面壽命具有重要意義。因此，建立水泥混凝土路面的有限元模型，采用剛性路面分析程序KENSLABS研究傳力桿直徑和間距對路面傳荷性能的影響。

2 傳力桿直徑對路面傳荷性能影響的數值分析

2.1 建立有限元模型

采用黃仰賢教授編寫的剛性路面分析程序KENSLABS分析傳力桿尺寸對路面力學性能，并根據某高速公路的路面結構建立有限元模型。面板長5 m，寬4.5 m，彈性模量為3.1 GPa，泊松比為0.15。基層厚度17 cm，彈性模量為1 300 MPa，底基層厚度為17 cm，彈性模量為600 MPa，路基彈性模量為40 MPa，各結構層泊松比為0.4，根據《公路水泥混凝土路面設計規范》(JTG D40-2002)可得到基層頂部當量回彈模量為198 MPa。標準軸載100 kN荷載作用在板邊。接縫處設置傳力桿，接縫寬為3 mm。傳力桿間距為30 cm，假定板和基層間無空隙。面板有限元網格可見圖1。

2.2 不同傳力桿直徑對傳荷效率的影響

根據數值分析可知，當標準軸載作用在板邊接縫邊緣時的位移是最大的。因此，分析采用不同直徑傳力桿，受荷板和未受荷板接縫邊緣的彎沉差和接縫傳荷系數，計算結果可見表1，接縫傳荷系數計算公式如下

式中:wu為未受荷板接縫邊緣處的彎沉值;wl為受荷板接縫邊緣處的彎沉值。

圖1 水泥路面的有限元網格

由表1可見，水泥混凝土面層彎沉差隨著傳力桿直徑的增大而呈現減小趨勢。傳力桿直徑小于38 mm時，隨著傳力桿直徑增大，面板縮縫的傳荷能力有了明顯的提高，相鄰兩塊板之間的沉降差減少，可以有效地減少路面的錯臺和斷板現象。傳力桿直徑大于和等于38 mm時，面板的沉降差和傳荷系數減少的趨勢減緩，傳荷系數大于80%，由表2可知，傳荷能力可達到優良等級。

表1 不同直徑傳力桿對傳荷效率影響 mm

表2 接縫的傳荷能力分級標準

2.3 不同傳力桿間距對傳荷效率的影響

假定傳力桿直徑為35 mm和30 mm，分析不同傳力桿間距對傳荷系數的影響。由表3和表4可知:隨著傳力桿間距的減少，面板縮縫的傳荷能力有了明顯的提高，相鄰兩塊板之間的沉降差減少。傳力桿直徑為30 mm，間距為250 mm與傳力桿直徑為35 mm，間距為300 mm的傳荷系數和沉降差都非常接近。這說明減少傳力桿間距可以有效提高接縫的傳荷能力，減少錯臺和斷板病害。

表3 不同傳力桿間距對傳荷效率影響 mm

表4 不同傳力桿間距對傳荷效率影響 mm

續表4

3 結論

(1)根據數值分析可知，水泥混凝土面層彎沉差隨著傳力桿直徑的增大而呈現減小趨勢。傳力桿直徑小于38 mm時，隨著傳力桿直徑增大，面板縮縫的傳荷能力有了明顯的提高，傳力桿直徑大于和等于38 mm時，面板的沉降差和傳荷系數減少的趨勢減緩。

(2)傳力桿間距對水泥路面傳荷效率影響較大，減少傳力桿間距可以有效提高接縫的傳荷能力，減少錯臺和斷板病害。

(3)對于承受特重或重交通路面應增大傳力桿直徑，建議設置直徑38 mm的傳力桿，傳力桿間距為30 cm，或者傳力桿直徑尺寸參照現行規范，但是縮小傳力桿間距到20～25 cm。

[1]廣東省交通廳.廣東省水泥混凝土路面施工技術指南[J］.2009.

[2]高偉，徐明.水泥混凝土路面縮縫傳荷體系的力學分析與優化[J］.公路，2008，(6):83-87.

[3]黃仰賢.路面分析與設計[M］，人民交通出版社，1998.