重載交通下CTCP-CRCP復合路面振動試驗研究

郭 超， 陸 征 然＊2， 侯 世 偉， 于 紅 梅

（1.沈陽建筑大學 土木工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.沈陽建筑大學 管理學院，遼寧 沈陽 110168）

0 引 言

國內外眾多學者都將路面簡化為作用在基層上的彈性地基梁，基于質點系統動力學微分方程，建立車輛-路面-路基振動體系平衡方程［1－3］.然后，通過微分變換求解車輛荷載作用下路面隨機動力響應及其可靠性［4］，并在此過程中利用數值模擬仿真技術補充上述理論計算中的不足［5］.在理論分析的基礎上，為了實現對水泥路面服役狀態快速無損的檢測評價分析［6］，應用車輛的懸掛系統對路面不同平整度的動力反應［7］，間接實現測試路面振動響應的試驗研究［8］.同時，還利用原位振動監測技術［9］、微地震技術［10］，監測車輛荷載作用下路面體系中彈性波的傳播特性［11－12］，進而獲得路面動力響應特性［13］.此外，通過測試隨機車輛荷載激勵下的路面加速度幅值，以達到預測車輛荷載等級的目的［14－15］.然而，對于復合路面結構在不同重載車輛作用下的加速度反應現場測試并不多見.

本文針對不同重載尤其是嚴重超載車輛沖擊作用下，“三明治”式復合路面結構中各層路面板的加速度反應進行現場測試，并對瀝青砂應力吸收層的應力吸收能力進行探討，以期為復合路面在重載交通尤其是嚴重超載路段中的結構設計提供參考.

1 試驗路面工程概況

為了準確獲得復合路面各結構層振動特性，本次研究選擇在遼寧省營口市岫水線路面大修工程中設置“三明治”式復合路面結構試驗段.

岫水線為連接大石橋市鋁鎂礦區與營口港區碼頭的主要干道，屬于典型的重載交通路段，而且當地采用高壓輪胎的超載現象客觀存在.此種超載已經遠超出了現有路面設計的范疇.因此，需要探索一種適合重載交通實際工程情況的路面結構.基于上述原因，本試驗段選擇了“三明治”式復合路面結構作為重載交通的試驗路面結構.

本次研究的“三明治”式復合路面結構主要由如下3部分組成：斜向交叉緩黏結預應力混凝土上面板（CTCP）、瀝青砂（AS）應力吸收層、連續配筋混凝土下面板（CRCP）.其中，CTCP能夠充分發揮保證路面連續、減少溫縮縫的優勢；AS應力吸收層則能有效地吸收重載車輛的沖擊作用；CRCP具有強度高的特性，可以抵抗重載交通下的車輛荷載作用，相應的復合路面結構如圖1所示，預應力筋及端部鋼筋網平面布置如圖2所示.

圖1 CTCP-CRCP復合路面結構Fig.1 Structure of CTCP-CRCP composite pavement

圖2 預應力筋及端部鋼筋網布置Fig.2 Prestressing tendons and end mesh reinforcement distribution

此復合路面結構采用C35商品混凝土進行現場澆筑.其中，CTCP連續長度150m、寬6m、厚0.18m，在板中心層面處設置直徑15.2mm、間距0.8m，極限抗拉強度1 860MPa并與線路縱向交叉角度為30°的斜向交叉緩黏結預應力鋼筋網，所用路面材料參數如表1所示.

表1 路面材料參數Tab.1 Parameters of pavement material

CTCP中采用緩黏結劑涂敷和高密度聚乙烯護套包裹的預應力鋼絞線.通過調整緩黏結劑配合比，可以控制其凝固時間，進而實現緩黏結的功能.當緩黏結劑未凝固時，鋼絞線能夠在護套內移動，此時相當于無黏結預應力筋，應進行初次張拉；當緩黏結劑凝固后，鋼絞線與護套黏結在一起，且護套與混凝土澆筑成整體，此時就相當于有黏結預應力筋.

利用緩黏結預應力筋具備的無黏結與有黏結預應力筋的雙重優勢，將其應用到水泥混凝土路面中，并通過分階段張拉預應力筋的方法以實現無黏結向有黏結的轉換，具體實施過程如下：

首先，當混凝土強度達到5MPa，緩黏結劑保持液態，張拉預應力筋至極限抗拉強度的30%，防止路面溫度收縮裂縫；然后，當混凝土強度達到16.7MPa，緩黏結劑固化前，張拉預應力筋到極限抗拉強度的75%，抵抗路面板內的溫度應力；最后，當緩黏結劑固化后，預應力鋼絞線通過護套與混凝土路面實現有效黏結成為有黏結預應力路面.

CRCP為每節10m、寬6m、厚0.18m的雙向配筋混凝土板.上下面板間設置2cm AS應力吸收層.下部為0.60m水泥穩定碎石基層CSMB.

2 試驗路面振動監測原理

上述“三明治”式復合路面結構為在重載交通下的首次應用，因此，需要探索其在重載車輛沖擊作用下的工作性能.引起重載車輛振動的原因主要有車輛自身振動、路面不平整造成的車輛振動、車輛-路面耦合而產生的振動.重載車輛的振動作為路面振動的外部激勵，將進一步引起路面各結構層的振動，并且，這些振動將在路面結構層內部形成彈性波.然而，這類彈性波的頻率較低，屬于低頻振動，采集到的信號頻帶較窄，而高頻分量則在向地層深部的傳播過程中發生衰減.

為了測量重載車輛在復合路面中引起的沖擊作用，利用預先埋設在CTCP、CRCP內的加速度計記錄各結構層在不同軸載激勵下的全時加速度反應譜.引入CTCP與CRCP加速度比值作為AS應力吸收層的應力吸收因數，通過概率統計分析，以反映其應力吸收能力的強弱.

3 試驗路面振動測試

3.1 測試儀器

試驗中的加速度計為秦皇島市協力科技開發有限公司研制的YD301電壓輸出型（IEPE）單軸向加速度傳感器，靈敏度1V／（m·s－2），頻率0.1～500Hz，測 量 范 圍 5m·s－2，分 辨 率0.000 03m·s－2，尺寸30mm×32mm.加速度信號采集分析儀采用江蘇東華測試技術股份有限公司生產的DH8301高性能動態信號采集測試分析系統，其采樣頻率為80Hz.

3.2 測試過程

為了使加速度計的測量位置處于重載車輛軸載作用的中心部位，同時保證重載車輛通過測量位置處不會導致路面局部破壞，在試驗路面中心車道投影處埋入加速度計及其保護裝置，包括加速度計保護盒、數據線防護鋼管等.將加速度計數據線通過防護鋼管引到澆筑路面混凝土模板外側的線纜井中.為提高測試成功率，在同一路面內分別埋設兩組加速度計.車輛荷載激勵下的路面加速度采集測試系統包括動態數據采集儀、220V配電箱、電腦等.試驗過程中，采用115型重載卡車作為標準試驗車，并且通過調整車載礦粉體積來實現100、200、300kN的不同軸載作用.

4 試驗數據處理與分析

圖3 100kN時頻曲線Fig.3 TF curve under 100kN

復合路面中各結構層在40km／h的重載車輛作用下，加速度全時波形及通過對其進行傅里葉變換得到的頻率曲線如圖3～5所示.由圖3可知：在100kN標準軸載作用下，CTCP與CRCP加速度最大峰值分別為0.022、0.010m·s－2，路面板加速度時程曲線與相位相關.振動主頻分布在7～15Hz，傅里葉變換幅值分別為1.2、0.4.

由圖4可知：在200kN超標準軸載作用下，CTCP與CRCP加速度最大峰值分別為0.039、0.015m·s－2，路面板加速度時程曲線與相位相關.振動主頻分布在5～15Hz，傅里葉變換幅值分別為0.70、0.10.由圖5可知：在300kN超標準軸載作用下，CTCP與CRCP加速度最大峰值分別為0.059、0.025m·s－2，路面板加速度時程曲線與相位相關.振動主頻分布在2～23Hz，傅里葉變換幅值分別為0.42、0.16.

圖4 200kN時頻曲線Fig.4 TF curve under 200kN

圖5 300kN時頻曲線Fig.5 TF curve under 300kN

以上3種軸載作用下復合路面結構中CTCP、CRCP的加速度及傅里葉變換幅值測試結果如圖6所示.隨著軸載從100kN增加到300kN，CTCP的加速度從0.022m·s－2增加到0.059 m·s－2，傅里葉變換幅值從1.2下降到0.42；CRCP的加速度從0.010m·s－2增加到0.025 m·s－2，傅里葉變換幅值從0.4下降到0.16.

圖6 加速度／傅里葉變換幅值隨軸載變化曲線Fig.6 Curves of acceleration and Fourier transformation amplitude with axle load

將CTCP與CRCP加速度比值定義為AS應力吸收層的應力吸收因數α，并對其統計分析，結果如圖7所示.從圖中可以看出，在100、200、300 kN軸載作用下，α分別服從LN（3.15，0.040）、LN（3.38，0.0.038）、LN（3.46，0.041）的對數正態分布，應力吸收因數α均值隨著車輛軸載的增大而有少量增加，可取為3.38.

圖7 CTCP與CRCP加速度比值Fig.7 Ratio of CTCP and CRCP accelerations

5 結 論

（1）隨著車輛軸載的增加，復合路面結構的加速度幅值呈現非線性增長的趨勢，而且CTCP的加速度增長更為顯著，重載車輛將引起復合路面結構的大幅振動，從而使路面結構進入加速破壞階段.

（2）隨著車輛軸載的增加，復合路面結構的加速度時程曲線的傅里葉變換幅值呈現非線性減小的趨勢，這從頻譜特征上進一步說明了復合路面結構受車輛荷載激勵影響的頻率范圍越來越大，路面結構與重載車輛更容易發生共振.

（3）復合路面結構中AS應力吸收層能夠有效降低重載車輛對于CRCP的沖擊作用，從而進一步緩解對基層、土基等結構層的破壞作用，所以“三明治”式復合路面結構可以在重載交通中發揮重要作用.