國道路面鉆孔蓋板的承載能力分析

高一杰，梁 超

（山西省交通科技研發(fā)有限公司山西省交通運(yùn)輸安全應(yīng)急保障技術(shù)中心（有限公司）交通安全與應(yīng)急保障技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030032）

0 引言

越來越多的國道安裝了門架系統(tǒng)，為對過往車輛開展自動(dòng)化檢測，須在門架正下方路面挖淺坑以安裝一組兩個(gè)反光鏡，再用蓋板覆蓋淺坑以保護(hù)反光鏡，蓋板在反光鏡對應(yīng)位置鉆孔以使光線進(jìn)出。鉆孔蓋板的承載能力能否滿足要求，能否保護(hù)反光鏡和保障國道行車安全，選用何種蓋板是一個(gè)值得研究的問題。本文對兩種蓋板方案做了數(shù)值模擬分析，得出的分析結(jié)果以供讀者參考。目前針對鉆孔蓋板承載力的研究較少，部分相關(guān)研究結(jié)論如下。

李春燕[1]對成都市三環(huán)路擴(kuò)能提升工程非機(jī)動(dòng)車道蓋板進(jìn)行極限承載能力試驗(yàn)。通過對蓋板的應(yīng)力、應(yīng)變及裂縫等測試結(jié)果的分析，研究了蓋板的受力特性、破壞機(jī)理及承載能力等情況。

王萌、柯小剛[2]對帶LYP160鋼連接組件的擴(kuò)翼型蓋板連接節(jié)點(diǎn)抗震行為進(jìn)行研究。結(jié)果表明：擴(kuò)大梁端翼緣截面可增加蓋板連接組件耗能，減少主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性程度及耗能比例，有效轉(zhuǎn)移塑性鉸位置，提高節(jié)點(diǎn)“保險(xiǎn)絲”作用效果及作用時(shí)間。

牟成銘[3]對多腔鋼管混凝土柱-鋼梁外貼蓋板節(jié)點(diǎn)拉彎性能進(jìn)行研究。采用通用有限元軟件ABAQUS建立一字形多腔鋼管混凝土柱-鋼梁蓋板節(jié)點(diǎn)模型，并分析了鋼梁強(qiáng)度、邊腔厚度、蓋板外伸長度、蓋板伸出翼緣長度、蓋板厚度、蓋板強(qiáng)度等參數(shù)對節(jié)點(diǎn)拉彎性能的影響，以試驗(yàn)及有限元分析為基礎(chǔ)，給出了蓋板節(jié)點(diǎn)在實(shí)際工程中的設(shè)計(jì)建議。

黃福云、陳漢倫[4]對超高性能混凝土（UHPC）板受彎承載能力及計(jì)算方法開展試驗(yàn)研究。研究表明UHPC板彈性極限荷載是同等級鋼筋混凝土蓋板的220%，建議實(shí)際工程中UHPC板鋼纖維含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在1.5%～2.5%之間，厚度在30～50 mm之間，材料等級在U120～U160之間。

鐘維軍、張舜元[5]針對電纜蓋板的生產(chǎn)運(yùn)行現(xiàn)狀，提出了不同包邊型式的預(yù)制混凝土蓋板，并通過承載能力試驗(yàn)及有限元分析，對比了不同包邊型式預(yù)制混凝土蓋板的承載力，得到了合理的蓋板設(shè)計(jì)方法及使用條件。基于不同包邊對混凝土蓋板承載能力的影響，得到應(yīng)用于不同環(huán)境中最優(yōu)型式的混凝土蓋板。

1 工程概況

蓋板荷載選用公路一級車輛荷載，車輛總重550 kN，前軸重30 kN，兩個(gè)中軸各重120 kN，兩個(gè)后軸各重140 kN。蓋板直徑為0.5 m，在數(shù)值模擬時(shí)考慮后軸一側(cè)車輪壓在井蓋正中的最不利情況。后軸一側(cè)車輪荷載為70 kN，作用面積為0.6×0.2 m2，壓強(qiáng)約為583 kPa，數(shù)值模擬中取車輪壓強(qiáng)為700 kPa，作用在井蓋正中0.2 m寬度范圍內(nèi)。

在實(shí)際施工過程中，為了提高蓋板的承載力，對圓形淺坑中除了反光鏡安裝位置外的其他區(qū)域做了水泥密實(shí)填充。

國道門架系統(tǒng)配套反光鏡的保護(hù)蓋板有多種選擇，本文對EN124 D400加勁梁井蓋和29 mm厚Q235鋼板這兩種蓋板進(jìn)行數(shù)值分析比較。

2 計(jì)算模型建立

采用FLAC3D有限差分軟件對鉆孔蓋板的受力情況進(jìn)行模擬分析。

2.1 EN124 D400井蓋

在對EN124 D400井蓋進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，采用殼單元（shell）模擬井蓋板，梁單元（beam）模擬加勁梁。在反光鏡對應(yīng)位置鉆孔后，加勁梁不變。

EN124 D400井蓋的材料為球墨鑄鐵，數(shù)值模擬中假設(shè)井蓋始終處于彈性狀態(tài)，彈性模量取155 GPa，泊松比取0.27。

圓形淺坑中除了反光鏡安裝位置外的其他區(qū)域做了水泥密實(shí)填充，故在數(shù)值模擬中固定了水泥填充區(qū)域井蓋節(jié)點(diǎn)的豎向位移。

2.2 29 mm厚Q235鋼板

采用29 mm厚Q235鋼板作為蓋板時(shí)，用shell單元模擬蓋板。數(shù)值模擬中假設(shè)Q235鋼板始終處于彈性狀態(tài)，彈性模量取200 GPa，泊松比取0.3。

圓形淺坑中除了反光鏡安裝位置外的其他區(qū)域做了水泥密實(shí)填充，故在數(shù)值模擬中固定了水泥填充區(qū)域井蓋節(jié)點(diǎn)的豎向位移。

3 計(jì)算結(jié)果分析

通過對數(shù)值計(jì)算結(jié)果中蓋板上下表面的主應(yīng)力和井蓋加勁梁的彎矩應(yīng)力進(jìn)行分析，來判定蓋板承載力是否滿足要求。應(yīng)力以壓為負(fù)，第一主應(yīng)力p1、第二主應(yīng)力p2和第三主應(yīng)力p3滿足關(guān)系p1＜p2＜p3。

3.1 EN124 D400井蓋

在完整井蓋正中0.2 m寬度范圍內(nèi)作用700 kPa車輪壓強(qiáng)時(shí)，蓋板整體承受荷載；井蓋鉆孔后，鉆孔區(qū)域蓋板原先承受的荷載轉(zhuǎn)移到兩鉆孔之間的加勁梁上。

數(shù)值模擬計(jì)算可知，鉆孔后，井蓋板上表面p1的最大值從-407 MPa減小至-361 MPa；上表面p3的最大值從245 MPa增大至287 MPa；下表面p1的最大值從-245 MPa增大至-287 MPa；下表面p3的最大值從407 MPa減小至361 MPa；加勁梁彎矩Ma的最大值從728 N·m增大至998 N·m。

根據(jù)彎矩計(jì)算最大應(yīng)力的公式為：

加勁梁寬8 mm，高15～30 mm，經(jīng)計(jì)算，加勁梁內(nèi)最大應(yīng)力由607 MPa增大至832 MPa。

球墨鑄鐵有多種牌號，不同牌號的屈服強(qiáng)度在240～400 MPa之間，抗拉強(qiáng)度在370～700 MPa之間。故在公路一級車輛荷載的最不利狀況下（55 t貨車后輪壓在井蓋正中），井蓋加勁梁會有一定量的屈服變形，井蓋板也可能屈服變形；鉆孔后，加勁梁的應(yīng)力進(jìn)一步增大，若井蓋質(zhì)量較差，可能會被壓壞。

3.2 29 mm厚Q235鋼板

在完整Q235鋼蓋板正中0.2 m寬度范圍內(nèi)作用700 kPa車輪壓強(qiáng)時(shí)，蓋板整體承受荷載；Q235鋼蓋板鉆孔后，鉆孔區(qū)域蓋板原先承受的荷載轉(zhuǎn)移到兩鉆孔中間區(qū)域。

數(shù)值模擬計(jì)算可知，鉆孔后，Q235鋼蓋板上表面p1的最大值從-27.7 MPa增大至-28.2 MPa；上表面p3的最大值從25.0 MPa增大至27.1 MPa；下表面p1的最大值從-25.0 MPa增大至-27.1 MPa；下表面p3的最大值從27.7 MPa增大至28.2 MPa。

Q235鋼板的屈服強(qiáng)度隨鋼板厚度的不同而變化，蓋板選用的Q235鋼板厚度為29 mm，介于16 mm和40 mm之間，取鋼板的屈服強(qiáng)度為225 MPa。

在公路一級車輛荷載的最不利狀況下（55 t貨車后輪壓在井蓋正中），計(jì)算的Q235鋼蓋板最大應(yīng)力為28.2 MPa，安全系數(shù)高達(dá)8.0（安全系數(shù)通常取1.5），故使用29 mm厚鋼板鉆孔的方案是安全的。

4 結(jié)論

國道門架系統(tǒng)配套路面反光鏡的保護(hù)蓋板有兩種備選方案，分別為EN124 D400加勁梁井蓋和29 mm厚Q235鋼板。

若采用EN124 D400加勁梁井蓋，井蓋的最大應(yīng)力接近屈服，井蓋可能會發(fā)生屈服變形；井蓋鉆孔后，原先鉆孔區(qū)域承受的荷載轉(zhuǎn)移至兩個(gè)鉆孔之間的加勁梁上，導(dǎo)致加勁梁的最大應(yīng)力明顯增加，可能會破壞。

若采用29 mm厚Q235鋼板，則鋼板內(nèi)最大應(yīng)力明顯小于鋼板屈服應(yīng)力；鉆孔時(shí)適當(dāng)減小鉆孔直徑、適當(dāng)增大兩鉆孔間距，則鉆孔后蓋板內(nèi)最大應(yīng)力增長并不明顯，仍明顯小于鋼板屈服應(yīng)力，安全系數(shù)高達(dá)8.0。

故國道門架系統(tǒng)配套路面反光鏡的保護(hù)蓋板選用EN124 D400加勁梁井蓋不夠安全，建議選用29 mm厚Q235鋼板。

5 不足之處

本文通過建立數(shù)值模型對兩種類型的鉆孔蓋板內(nèi)力進(jìn)行分析，在建立數(shù)值模型時(shí)，為了提高工作效率，組成蓋板的殼單元數(shù)量較少，節(jié)點(diǎn)數(shù)量也較少。殼單元數(shù)量少導(dǎo)致蓋板不夠圓（真實(shí)蓋板為圓形），內(nèi)力分布不夠順滑；節(jié)點(diǎn)數(shù)量少導(dǎo)致不能全面固定水泥密實(shí)填充區(qū)域蓋板的豎向變形（數(shù)值模擬中蓋板豎向變形的固定通過固定節(jié)點(diǎn)的豎向位移實(shí)現(xiàn)）。

但是，殼單元數(shù)量的多少對于蓋板內(nèi)力計(jì)算的影響不是很大，水泥密實(shí)填充區(qū)域蓋板豎向位移固定的不充分也使得數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果偏安全，總的來說，本文中鉆孔蓋板的數(shù)值模擬結(jié)果還是可信的。

今后若有機(jī)會，可開展實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬得到的結(jié)論。