施工場地裝配式預制板受力影響因素研究

劉大鵬，楊雅茗，朱傳祥，郭一兵

（江蘇建筑職業技術學院 江蘇徐州221116）

施工場地裝配式硬化面是采用工廠預制的預制板，在施工現場拼裝而成。裝配式硬化面一般采用4層結構，從上至下依次為預制板面層、細沙墊層、級配碎石基層（水泥穩定碎石基層）和壓實土基。國內外學者對裝配式硬化路面開展了相應的研究，且取得了較多的成果，為裝配式硬化面的應用提供了理論基礎。李宇峙等人［1］認為嵌擠塊面層是一個由近于剛性單元所組成的柔性層次，根據嵌擠塊路面面層表現出來的力學特征，提出了混凝土嵌擠塊路面結構的“剪切層彈簧夾層模型理論”。王火明等人［2］、莫品疆等人［3］在分析預制塊鋪面結構承載力機理時，認為預制塊鋪面在荷載作用下存在“拱效應”，從而使得塊體成為一個整體承受荷載的作用。王火明等人［4］通過室內承載板試驗和環道試驗結果，提出了以車轍深度作為預制塊路面結構的設計指標，建立了軸載換算的方法，并總結出了預制塊路面結構的設計流程。宋娃麗等人［5］及文獻［3］研究了預制塊路面在農村公路的應用，提出了典型的預制塊路面結構。張敏等人［6］研究了混凝土預制板的調平和板底脫空問題。陳智杰［7］研究了預制裝配式水泥混凝土路面平整度的控制措施以及減輕預制裝配混凝土板自重的方法。曹承等人［8］研究了裝配式水泥混凝土路面板施工工藝。Murugan 等人［9］針對可持續預制混凝土砌塊路面的材料進行了研究。劉衛東等人［10］研究了混凝土預制塊路面快速修復關鍵技術。上述研究主要針對永久性的預制塊路面結構。

目前針對可循環利用的預制板硬化面研究較少，可循環利用的預制板硬化面施工速度快，投入使用時間短，工程結束后預制板可循環利用，能夠減少建筑垃圾的產生，具有廣闊的應用前景。但在車輪荷載的長期作用下會導致預制板底脫空，從而引起預制板的破壞。因此為保障預制板長期循環使用，需要明確各因素對預制板受力的影響規律。

1 模型建立

采用有限元軟件建立預制板受力模型，考慮預制板底面完全脫空的最不利狀態，板四周邊緣底邊被完全約束，采用八節點六面體等參單元進行網絡劃分，預制板長度和寬度方向劃分為40份，厚度方向劃分為5 份。荷載大小采用標準軸載BZZ-100 一側輪載，即50 kN，車輪荷載作用在預制板表面，作用面積為0.24 m×0.30 m，考慮2種工況：①車輪荷載作用在預制板中央；②車輪荷載作用在預制板邊緣中間位置。如圖1所示。

引起預制板破壞的原因為：①預制板底面完全脫空，荷載引起的最大沉降過大，在車輪荷載的反復作用下而引起預制板的破壞；②車輪荷載作用下在預制板中產生的最大拉應力或最大壓應力，超過了預制板的允許最大拉應力或最大壓應力而使預制板發生破壞。因此在進行分析時主要選擇預制板的最大沉降、最大拉應力和最大壓應力3個指標。

圖1 車輪荷載作用下預制板受力計算模型Fig.1 Calculation Model of Precast Slab under Vehicle Load

2 影響因素分析

2.1 預制板厚度

預制板尺寸為2.4 m×2.4 m，采用C30 混凝土，厚度分別為0.12 m、0.16 m 和0.20 m 共3 種預制板厚度，車輪荷載作用在板中間和板邊緣中部時，預制板的最大沉降、最大拉應力和最大壓應力對比如圖2 所示。從圖2可以發現，當車輪荷載作用在板中間時，隨著預制板厚度的增加，預制板的最大沉降、最大拉應力和最大壓應力均減小，當預制板厚度從0.12 m增至0.20 m，預制板的最大沉降從7.51×10-4m減小到了1.84×10-4m，減小了76%，最大拉應力從0.76 MPa減小到了0.72 MPa，減小了約5%，而最大壓應力從2.71 MPa減小到了1.39 MPa，減小了近50%。

當車輪荷載作用在板邊緣中部時，從圖2 可知，預制板的最大沉降、最大拉應力和最大壓應力均隨著預制板厚度的增加而減小，厚度從0.12 m增加到0.20 m，預制板的最大沉降從1.25×10-4m 減小到了3.27×10-5m，減小了73.8%，最大拉應力從0.76 MPa 減小到了0.40 MPa，減小了26%，而最大壓應力則從3.91 MPa 減小到了2.87 MPa，減小了47%。

當車輪荷載作用在板中間和板邊緣中部時，路面板最大沉降、最大拉應力和最大壓應力的對比如圖2所示。當預制板厚度一定，車輪荷載作用在預制板中間時，預制板的最大沉降和最大拉應力均大于荷載作用在預制板邊緣中部的最大沉降和最大拉應力，而最大壓應力小于荷載作用在預制板邊緣中部的最大壓應力，由于預制板抗拉強度小于抗壓強度，因此，當預制板底完全脫空，荷載作用在預制板中間時，預制板更容易發生破壞。

2.2 預制板材料

預制板考慮采用C30、C40和C50共3種強度的混凝土，對應的彈性模量分別為30.0 GPa、32.5 GPa 和34.5 GPa，預制板尺寸為2.4 m×2.4 m，厚度為0.2 m，當車輪荷載作用在板中間和板邊緣中部，3 種彈性模量時預制板的最大沉降、最大拉應力和最大壓應力如圖3所示。

圖2 預制板的最大沉降、最大拉應力和最大壓應力隨預制板厚度的變化曲線Fig.2 Curve of Maximum Settlement，Maximum Tensile Stress and Maximum Compressive Stress with the Thickness of Precast

圖3 預制板的最大沉降、最大拉應力和最大壓應力隨預制板強度的變化曲線Fig.3 Curve of Maximum Settlement，Maximum Tensile Stress and Maximum Compressive Stress with Precast Slab Strength

從圖3 可知，車輪荷載作用在預制板中間和預制板邊緣中部時，預制板最大沉降、最大拉應力和最大壓應力隨預制板強度的變化曲線近似平行，預制板的最大沉降均隨著預制板彈性模量的增加而減小，彈性模量從30.0 GPa 增加到34.5 GPa，預制板的最大沉降均減小了13%。而2種工況時的最大拉應力和最大壓應力均不隨著預制板彈性模量的變化而變化。預制板的彈性模量一定，車輪荷載作用在預制板中間的最大沉降、最大拉應力均大于車輪荷載作用在預制板邊緣中部的最大沉降和最大拉應力，車輪荷載作用在預制板中間的最大沉降、最大拉應力分別為車輪荷載作用在預制板邊緣中部的最大沉降和最大拉應力的5.6倍和3.5 倍。而車輪荷載作用在預制板中間的最大壓應力小于車輪荷載作用在預制板邊緣中部的最大壓應力，前者約為后者的25%。

2.3 超載率

當超載率為0%、50%和100%時，對應的標準軸載一側車輪荷載分別為50 kN、75 kN和100 kN，3種車輪荷載作用在預制板中間和預制板邊緣中部，預制板尺寸為2.4 m×2.4 m，厚度為0.2 m，彈性模量為30 GPa時，預制板的最大沉降、最大拉應力和最大壓應力如圖4 所示。從圖4 可知，車輪荷載作用在預制板中間和預制板邊緣中部時預制板的最大沉降、最大拉應力和最大壓應力均隨著超載率的增加線性增大，當一側車輪荷載為75 kN 和100 kN 時預制板的最大沉降、最大拉應力和最大壓應力分別為一側車輪荷載為50 kN相應值的1.5倍和2倍，因此為延長預制板的使用壽命和周轉次數，應限制超載率。

2.4 預制板尺寸

預制板厚度為20 cm，彈性模量為30 GPa，考慮3 種預制板尺寸，分別為2.4 m×1.8 m、2.4 m×2.4 m 和2.4 m×3.0 m，車輪荷載作用在預制板中間和預制板邊緣中部時最大沉降、最大拉應力和最大壓應力如表1所示。

表1 荷載作用在板中間和板邊緣時不同預制板尺寸的最大沉降和最大拉（壓）應力Tab.1 Maximum Settlement and Maximum Tensile（Compressive）Stress of Different Precast Slab Sizes under Load in the Middle and the edge of Slab

圖4 預制板的最大沉降、最大拉應力和最大壓應力隨超載率的變化曲線Fig.4 Curve of Maximum Settlement，Maximum Tensile Stress and Maximum Compressive Stress with Overload Rate

荷載作用在預制板中間時，預制板的最大沉降和最大拉應力隨著預制板尺寸的增加而增大，當預制板尺寸為2.4 m×1.8 m時最大沉降和最大拉應力均最小，其值分別為1.30×10-4m 和1.3 MPa，而當預制板尺寸為2.4 m×3.0 m時最大沉降和最大拉應力均最大，其值分別為2.65×10-4m和1.48 MPa，當預制板尺寸為2.4 m×2.4 m 時最大沉降和最大拉應力則位于兩者之間。預制板尺寸為2.4 m×2.4 m 時最大壓應力小于預制板尺寸為2.4 m×1.8 m 和2.4 m×3.0 m 時的最大壓應力，說明當預制板為方形時其在車輪荷載作用下的壓應力最小。

荷載作用在預制板邊緣中部時，當預制板尺寸為2.4 m×2.4 m 的最大沉降和最大拉應力分別為0.33×10-4m 和0.40 MPa，其值均小于預制板尺寸為2.4 m×1.8 m 和2.4 m×3.0 m 的最大沉降和最大拉應力，當預制板尺寸為2.4 m×2.4 m 的最大壓應力最大，其值為2.87 MPa，但其最大壓應力值僅比2.4 m×1.8 m和2.4 m×3.0 m 的預制板的最大壓應力大3%左右，考慮預制板拆裝和循環利用方便，可以忽略最大壓應力的影響，應優先選用方形預制板。

3 結論

⑴預制板的最大沉降、最大拉應力和最大壓應力均隨著預制板厚度的增加而減小；

⑵隨著預制板彈性模量的增加預制板的最大沉降減小，而最大拉應力和最大壓應力保持不變；

⑶隨著超載率的增加，預制板的最大沉降、最大拉應力和最大壓應力近似線性增大；

⑷預制板形狀為方形時，其受力較為有利，且使用時方便，因此施工場地裝配式硬化面應優先選用方形預制板；

⑸車輪荷載作用在預制板中間時其最大沉降和最大拉應力較大，車輪荷載作用在預制板邊緣中部時其最大壓應力較大。