重型荷載作用下建筑工程施工現(xiàn)場(chǎng)鋼板臨時(shí)路面應(yīng)用研究*

楊 成，吳家雄，陳 波，李罡燁，胡 俊

(中國(guó)建筑第四工程局有限公司，廣東 廣州 510665)

0 引言

鋼板路面體系是以自然地面為基礎(chǔ)，無機(jī)料作為水穩(wěn)層，鋼板作為路面[1]，可有效解決臨時(shí)施工道路采用現(xiàn)澆混凝土施工方式，養(yǎng)護(hù)周期長(zhǎng)，后期破除成本高，環(huán)境污染破壞大的弊端[2]，王維等[3]通過3種可周轉(zhuǎn)臨時(shí)道路方案的比較，得出裝配式鋼板道路的適應(yīng)性最強(qiáng)結(jié)論，王志明[4]將可周轉(zhuǎn)裝配式重載型鋼板在臨時(shí)施工道路進(jìn)行了運(yùn)用，并取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。以往研究者對(duì)鋼板臨時(shí)路面研究主要集中在應(yīng)用，對(duì)影響鋼板臨時(shí)路面的重要指標(biāo)如路基壓實(shí)度、鋼板尺寸、鋼板間連接件均鮮為提及，本文通過對(duì)大量鋼板臨時(shí)路面項(xiàng)目運(yùn)用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出臨時(shí)鋼板路面路基最低壓實(shí)度，通過有限元模擬得出重載下鋼板的最優(yōu)尺寸，為施工現(xiàn)場(chǎng)鋼板臨時(shí)路面鋪筑提供理論指導(dǎo)。

1 調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析

筆者從2013年開始研究鋼板臨時(shí)路面，并在多個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行了使用，應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)如表1所示。由表1可知，鋼板臨時(shí)路面的總體使用效果好，施工快捷，重復(fù)周轉(zhuǎn)使用，回收方便環(huán)保，符合綠色施工要求；但當(dāng)路基壓實(shí)度為80%時(shí)，因路面排水不暢，路面積水，導(dǎo)致局部路基下沉，造成路面變形嚴(yán)重，建議在選取路基壓實(shí)度時(shí)應(yīng)考慮路面排水等問題，參照文獻(xiàn)[5]取值≥90%。

2 鋼板臨時(shí)路面方案比選

2.1 荷載選取

建筑工程臨時(shí)施工道路作為承載進(jìn)出施工現(xiàn)場(chǎng)各種施工機(jī)械的工具，主要包括鋼筋運(yùn)輸車、起重機(jī)、混凝土運(yùn)輸車、混凝土泵車等，最大總重約80t，車輛類型及載重情況為：鋼筋車73.8t，水泥車37.93t，混凝土攪拌車42.97t，土方車47.35t，起重機(jī)25t，模板車18t，腳手架車38.84t。

表1 鋼板臨時(shí)路面應(yīng)用項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)

結(jié)合施工實(shí)際，以5t荷載為界，分為輕載道路和重載道路，其中5t及以下載重為輕載道路，用于施工現(xiàn)場(chǎng)生活區(qū)和辦公區(qū)(主要通行小車和6m長(zhǎng)左右貨車)；5t以上載重為重載道路，用于施工生產(chǎn)區(qū)，主要承載各種大型車輛，最大載重按80t計(jì)算。

2.2 重載鋼板路面組合形式及結(jié)構(gòu)方案

1)結(jié)構(gòu)形式 根據(jù)運(yùn)輸車輛尺寸及施工運(yùn)輸現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，一般重載道路寬4m或6m，重載鋼板路面的材質(zhì)選用Q235，密度7 850kg/m3，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比0.27，其鋼板外形規(guī)格2 000mm×2 000mm×20mm，2 000mm×3 000mm×20mm，2 000mm×1 000mm×20mm；以2 000mm×2 000mm×20mm，[10加強(qiáng)為例，4m或6m寬道路主要是采用單塊鋼板進(jìn)行不同形式組合，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 鋼板結(jié)構(gòu)形式

2)連接件 鋼板之間連接為在鋼板上鉆孔攻絲，用于路面等厚連接板，連接方式分為2種：①連接板鉆4個(gè)φ22孔，4個(gè)孔中心距80mm×80mm居中布置，連接螺栓為M20×40，性能為10.9級(jí)；②連接板分為上、下兩塊板，上蓋板中心鉆1個(gè)φ26孔，下底板中心鉆1個(gè)φ22孔攻M24×3螺紋，連接螺栓為M24×65，10.9級(jí)，連接形式如圖2所示。

圖2 鋼板結(jié)構(gòu)連接件

3)組合方案 根據(jù)圖1所示鋼板結(jié)構(gòu)及連接形式，組合成4m寬道路(6m寬類似，主要考慮錯(cuò)車)，考慮到重載汽車長(zhǎng)度及行駛距離，將模擬方案長(zhǎng)度取為16m，其組合方案如表2所示。

表2 4m×16m道路組合方案

3 有限元數(shù)值模擬

3.1 鋼板臨界條件

鋼板沉降限值為沉降s≤30mm及沉降引起坡度i≤3；基底平均壓力限值pk≤fa，其中fa為地基承載力特征值；鋼板應(yīng)力限值為屈服應(yīng)力設(shè)計(jì)值(即215N/mm2)，ANSYS分析結(jié)果采用von Misses應(yīng)力與鋼板屈服應(yīng)力進(jìn)行比較。

3.2 有限元數(shù)值模擬

1)有限元模型、荷載施加及約束條件

根據(jù)上述方案，建立各自有限元模型，在仿真中，為模擬極限變形最大工況，在保證重載的輪壓分布及壓力值情況下，采用均布荷載的施加方式，且盡量使荷載施加位置靠近連接處，獲得最大變形及應(yīng)力。根據(jù)計(jì)算荷載，在有限元模型中施加荷載，約束鋼板底部槽鋼，如圖3所示。

圖3 荷載及約束情況

2)有限元分析結(jié)果 根據(jù)上述施加的約束和荷載，在ANSYS中進(jìn)行靜應(yīng)力分析，得到總變形、總應(yīng)力情況，如圖4～6所示。

圖4 方案1總變形與總應(yīng)力云圖

圖5 方案2總變形與總應(yīng)力云圖

圖6 方案3總變形與總應(yīng)力云圖

由圖4可知，方案1中鋼板道路最大變形量為6.793mm，最大應(yīng)力為189.55MPa，最大變形位置產(chǎn)生在重載汽車中橋位置，此處荷載為360kN，產(chǎn)生最大變形的原因?yàn)殚L(zhǎng)距離的鋼板撓度較大，在中間處承受彎矩較大，故產(chǎn)生較大變形，在單一方向上，z向發(fā)生的變形量最大，最大值為-6.307 5mm，即變形主要產(chǎn)生在豎直方向上；最大應(yīng)力產(chǎn)生在后橋位置，主要與此處承受較大荷載(400kN)有關(guān)，但產(chǎn)生的應(yīng)力值均<215MPa，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

由圖5可知，方案2中鋼板道路最大變形量為7.773 4mm，最大應(yīng)力為212.44MPa，最大變形位置產(chǎn)生在重載汽車后橋位置，此處荷載為400kN，產(chǎn)生最大變形的原因?yàn)樵诤蟛砍惺芎奢d較大，而在單一方向上，z向產(chǎn)生的變形量最大，最大值為-7.773 4mm，即變形主要產(chǎn)生在豎直方向上；最大應(yīng)力產(chǎn)生在后橋位置，主要與此處承受較大荷載(400kN)有關(guān)，其次在中橋位置處也體現(xiàn)應(yīng)力不集中現(xiàn)象，主要是因?yàn)樵摬糠殖惺?60kN荷載，雖然產(chǎn)生的應(yīng)力值<215MPa，但較接近Q235材料的極限強(qiáng)度，穩(wěn)定性和強(qiáng)度無法得到可靠保障。

由圖6可知，方案3中鋼板道路最大變形量為4.516 5mm，最大應(yīng)力為148.95MPa，最大變形位置產(chǎn)生在重載汽車后橋位置，此處荷載為400kN，產(chǎn)生最大變形的原因?yàn)樵诤蟛砍惺芎奢d較大，在單一方向上，z向產(chǎn)生的變形量最大，最大值為-4.516 5mm，即變形主要產(chǎn)生在豎直方向上；最大應(yīng)力產(chǎn)生在后橋位置，主要與此處承受較大荷載(400kN)有關(guān)，但產(chǎn)生的應(yīng)力值均<215MPa，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

3.3 數(shù)值仿真結(jié)果對(duì)比分析

通過3種方案的仿真結(jié)果對(duì)比分析，可得出4m寬的重載鋼板道路的Von Misses應(yīng)力及應(yīng)變情況如表3所示。由表3可知，3種方案中在相同荷載下方案3的變形量和最大應(yīng)力值均較小，但連接件數(shù)量多，現(xiàn)場(chǎng)施工較麻煩；方案2已接近Q235材料的極限強(qiáng)度，穩(wěn)定性和強(qiáng)度無法得到可靠保障；綜合以上分析施工現(xiàn)場(chǎng)采用方案1進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施及使用效果

根據(jù)上述分析，參照相關(guān)文獻(xiàn)[5-7]，路基壓實(shí)度≥90%進(jìn)行路基壓實(shí)，鋼板路面按如下工藝流程：原始地面平整壓實(shí)→水穩(wěn)層攤鋪夯實(shí)→鋼板路面加工→路面排水溝施工→鋼板路面鋪裝→鋼板拼接處連接→路緣石安裝，進(jìn)行施工試驗(yàn)組裝，鋼板路面安裝時(shí)，板塊拼接處的縫隙用φ10三元乙丙橡膠條進(jìn)行密封。

通過近3個(gè)月的使用，未發(fā)現(xiàn)路面變形、損壞等異常情況，能滿足施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)道路需求，整體使用效果好。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)大量鋼板臨時(shí)路面項(xiàng)目運(yùn)用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及有限元模擬分析，得出結(jié)論如下。

1)鋼板路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，施工效率高；綜合成本低，周轉(zhuǎn)率高；環(huán)保節(jié)能，拆除方便。其切合綠色施工主題要求，具有顯著的長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保、社會(huì)效益，具有廣泛的應(yīng)用前景。

2)通過有限元軟件分析結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)，得出施工現(xiàn)場(chǎng)最優(yōu)鋼板路面尺寸為2 000mm×2 000mm×20mm。

3)建議在選取鋼板臨時(shí)路面路基壓實(shí)度時(shí)考慮路面排水等問題，取值不低于90%，以免路基承載力不足，造成鋼板翹曲變形，影響鋼板路面使用壽命。

4)鋼板臨時(shí)路面使用過程中應(yīng)采取有效的排水措施，防止雨水下滲，造成板底脫空，影響基層承載力。