傳力桿設置形式對低等級水泥路面傳荷的影響研究

羊金賢

(海南路橋工程有限公司 三亞 572000)

隨著鄉村振興策略的迅速實施，農村經濟快速發展，農村公路逐漸采用水泥混凝土路面形式，但由于農村經濟的快速發展，以往的水泥混凝土路面標準及形式等級普遍較低，易出現錯臺、翹曲等公路病害問題，極大地加重了農村公路養護成本，且往往未設置傳力桿，相鄰板之間不能進行荷載傳遞。農村公路相對于傳統高速公路有地質地形差異較大、施工大型機械無法進場質量無法保證、公路橫斷面窄的特點，為減少水泥混凝土路面在接縫處產生斷裂、錯臺等現象，減少公路養護成本，推薦在農村公路結構中設置傳力桿[1-3]。蔣應軍等[4]認為溫度對水泥混凝土路面傳荷影響非常大，溫度效應主要分為翹曲效應和脹縮效應兩部分，脹縮效應一定程度上有助于緩解設傳力桿路面翹曲變形。周德云等[5]選用道路常用的汽車荷載參數和路面結構參數，采用有限元法分析了軸載作用于縱縫和橫縫邊緣時的接縫傳荷能力，并通過整理分析建立了撓度傳荷系數與應力傳荷系數的對應關系。楊斌[6]對桂柳高速公路混凝土路面接縫傳荷能力進行了現場測試，采用有限元程序CPAP對混凝土路面板在不同荷載能力下彎拉應力及撓度進行了計算分析，得出保持接縫傳荷能力可有效降低路面板彎拉應力，且撓度對防止混凝土路面斷裂破壞具有重要作用的結論。

過去對傳力桿的研究主要集中高速公路上，農村公路由于其有自身的特點，因此，按照農村公路尺寸及基本形式建立相應道路模型，以分析傳力桿安裝形式在農村公路中的效用。

1 水泥混凝土路面結構模型建立

以某水泥混凝土路面，建立水泥混凝土路面結構三維有限元模型。

在有限元模擬計算分析過程中，做以下假定：

1) 地基采用文克勒地基模型。

2) 水泥混凝土材料為各向同性、連續且均勻的材料。

3) 水泥混凝土路面與地基之間的接觸為完全連續，無脫空。

輪載作用在水泥混凝土路面板中部，作用區域大小為18.6 cm×19.6 cm，2輪中心距12.8 cm。本文研究在橫向縮縫處設置傳力桿對路面傳荷的影響，并不研究在脹縫處設置滑動傳力桿以及在縱縫處設置拉桿對水泥混凝土路面的影響，傳力桿布置位置及輪載作用區域見圖1。

圖1 傳力桿布置位置及輪載作用區域

以傳力桿直徑為26 mm、間距為0.3 m為例，某公路路面結構尺寸見表1。

表1 路面結構尺寸參數

傳力桿與水泥混凝土之間采用嵌入約束；為提高計算精度與計算效率，荷載區域的網格劃2.5 cm×2.5 cm；水泥混凝土路面板單元類型為二十節點二次六面體單元，減縮積分，傳力桿單元類型為B31，邊界條件主要限制傳力桿X方向的轉動，荷載采用BZZ-100；路面結構有限元模型及網格劃分見圖2。

圖2 路面結構模型

水泥混凝土路面接縫傳荷能力通常定義為接縫一側直接承受荷載的混凝上板向另一側間接承受荷載的板塊進行荷載傳遞的能力。具體表征傳荷能力的直接指標是接縫兩側所承受的位移或者荷載的比值[7]。即:

式中：α為接縫撓度傳荷系數；U1為受荷板豎向位移，mm；U2為未受荷板豎向位移，mm。

2 計算結果分析

為研究傳力桿安裝形式對傳荷的影響，對比傳力桿分別在不同安裝部位、角度、間距時，水泥混凝土路面傳荷的影響規律。

2.1 安裝角度對傳荷的影響

研究傳力桿在安裝角度為0°，15°，30°，45°情況下，對水泥混凝土接縫處傳荷的影響，安裝形式見圖3。

圖3 傳力桿安裝角度示意圖

通過模型計算結果分析并繪制出受荷板豎向位移、未受荷板豎向位移隨安裝角度的變化規律見圖4、圖5。

圖4 受荷板側豎向位移

由圖4可見，隨著傳力桿彈性模量的增長，當傳力桿安裝角度由0°逐漸變化為45°時，受荷板側豎向位移基本不受影響。

圖5 未受荷板側豎向位移

由圖5可見，隨著傳力桿安裝角度從0°變化為45°，未受荷板側產生的豎向位移略微逐漸增加，表明未受荷板豎向位移受傳力桿安裝角度有一定的影響，但影響的程度較小。

經計算，撓度傳荷系數隨著傳力桿安裝角度從0°逐漸增加至45°，豎向傳荷撓度系數分別對應為0.691，0.697，0.698，0.692，即隨著傳力安裝角度的增加，傳荷撓度系數基本不變，說明傳力桿安裝角度對結構受力影響不明顯。

2.2 安裝間距對傳荷的影響

研究傳力桿在不同間距情況下對水泥混凝土接縫處傳荷的影響，設計傳力桿布設間距從0.3，0.4 m增加至0.5 m。其中傳力桿間距為0.3 m時，傳力桿為13根。同樣地，傳力桿間距為0.4 m時，傳力桿為11根；傳力桿間距為0.5 m時，傳力桿為9根。傳力桿縱向以接縫為中心對稱布置，豎向位于板厚的中部。

通過模型計算結果分析并繪制出受荷板豎向位移、未受荷板豎向位移隨傳力桿布設間距的變化規律見圖6、圖7。

圖6 受荷板側豎向位移

由圖6可見，傳力桿布設間距從0.3 m變化到0.5 m，受荷板側最大豎向位移分別對應為0.239，0.242，0.244 mm，表明隨著傳力桿間距的逐漸增加，受荷板側豎向位移逐漸增加，傳力桿傳力能力隨著間距的加大而減弱。

圖7 未受荷板側豎向位移

由圖7可見，傳力桿布設間距從0.3 m變化到0.5 m，未受荷板側產生的豎向位移逐漸降低，豎向位移分別為0.165，0.156，0.148 mm，該現象再次表明隨著傳力桿布設間距的增加，傳力效果減弱。

經計算，當傳力桿布設間距分別為0.3，0.4，0.5 m時，撓度傳荷系數分別對應為0.69，0.64，0.60，表明隨著傳力桿布設間距的加大，傳荷系數逐漸減小，基本呈線性變化。

2.3 安裝部位對傳荷的影響

為研究傳力桿在不同布設位置對水泥混凝土接縫處傳荷的影響，設計了如圖8的布設方式。

圖8 傳力桿安裝部位橫斷面示意圖(單位：mm)

通過模型計算結果分析并繪制出受荷板豎向位移、未受荷板豎向位移隨傳力桿布設位置的變化規律，見圖9、圖10。

圖9 受荷板側豎向位移

由圖9可見，傳力桿布設在受荷板上部、中部、下部時，受荷板側豎向位移相差不大，其豎向位移分別為0.236，0.239，0.236 mm，從結果中可以看出，在上部、下部對稱布置時，受荷板側產生的豎向位移相同，但在中部布設時，受荷板側豎向位移相較于上、下布置，產生的位移明顯增加。

圖10 未受荷板側豎向位移

由圖10可見，傳力桿在上部與下部布置時，未受荷板側產生的豎向位移完全一致，最大豎向位移為0.159 mm。當傳力桿布設位置為中部時，未受荷板側的豎向位移與另外2種布設方式比較。明顯增加，此時的最大豎向位移為0.165 mm。

經計算，傳力桿在面板上部與下部對稱布置時，撓度傳荷系數均為0.676，在面板中部布設時，撓度傳荷系數明顯增加，此時為0.69，表明在中部布設傳力桿能夠更加有效地傳遞行車荷載。

3 結語

通過設置不同安裝形式的傳力桿，分析受荷板與未受荷板的豎向位移，以及撓度傳荷系數得出以下結論。

1) 傳力桿安裝角度從平行于行車方向，逐漸增加至斜向45°，撓度傳荷系數基本處于0.69，說明傳力桿安裝角度對混凝土面板間的傳荷影響極小。

2) 傳力桿安裝間距0.3，0.4，0.5 m，隨著安裝間距的逐漸增加，傳力桿密度減小，撓度傳荷系數逐漸降低，表面傳荷能力逐漸降低。故在設計過程中應在保證經濟性的前提下，加大布設密度。

3) 當傳力桿安裝部位為上、中、下時，其中上、下布設為對稱布置，上、下部位布設傳力桿時，撓度傳荷系數相同，表面傳荷能力一致，當傳力桿布設在中部時，撓度傳荷系數明顯增加，故在設計時應當將傳力桿布設于混凝土面板中部。