自調(diào)式升降井蓋與傳統(tǒng)井蓋力學(xué)性能對(duì)比分析

王東煒，李 芳，閆 磊

(1.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南鄭州450001;2.鄭州市市政工程管理處，河南鄭州450053)

0 引言

隨著道路交通量和車輛荷載的不斷增大，道路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、施工工藝和工程質(zhì)量也在不斷提高［1-3］，但各類檢查井周邊過(guò)早損壞問(wèn)題依然是瀝青路面主要病害之一，且嚴(yán)重影響著道路的使用功能，也極度困擾著道路設(shè)施的養(yǎng)護(hù)單位［4］.

目前，關(guān)于路面井蓋問(wèn)題的研究多數(shù)是集中于新型井蓋材料或井蓋專利的，如鋼纖維混凝土井蓋［5］、韌性無(wú)鋼骨架復(fù)合樹(shù)脂井蓋［6］等.理論研究方面，僅有少量關(guān)于井蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化和井蓋及路面受力分析的文獻(xiàn)［7-9］.

自調(diào)式防沉降井蓋近年來(lái)在城市道路中開(kāi)始廣泛使用，在消除井蓋沉降、防偷盜、防井蓋跳起、防噪音等方面取得了不錯(cuò)效果.作者以瀝青混凝土路面新型自調(diào)式升降井蓋(以下簡(jiǎn)稱為新型井蓋)與傳統(tǒng)井蓋為對(duì)比對(duì)象，利用有限元分析軟件進(jìn)行其受力和豎向變形對(duì)比分析，以期為研究檢查井周邊路面的損壞原因、傳統(tǒng)井蓋的修復(fù)方法以及為城市道路的施工工藝提供理論依據(jù)和技術(shù)支持.

1 有限元建模

目前尚無(wú)球墨鑄鐵材料的井蓋設(shè)計(jì)專用規(guī)范，筆者以JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》［10］和JTG D60—2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》［11］為依據(jù)，進(jìn)行兩種井蓋的力學(xué)性能對(duì)比分析.

圖1所示分別為新型自調(diào)式和傳統(tǒng)井蓋有限元模型簡(jiǎn)圖.兩種井蓋均為球墨鑄鐵材料，但新型井蓋是安裝在瀝青砼路面上，而傳統(tǒng)井蓋則是直接安裝在混凝土井壁上的.新型井蓋承壓為400 kN，內(nèi)徑0.62 m，外徑0.85 m，高度0.19 m;傳統(tǒng)井蓋采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖集97S501—1［12］中的直徑700(ZQ)重型球墨鑄鐵支座、井蓋(B).

圖1 新型和傳統(tǒng)井蓋模型簡(jiǎn)圖Fig.1 Model diagram of the new type manhole cover and the traditional one

1.1 荷載工況

《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中車軸荷載按最不利情況選取，后軸車載取為140 kN，單輪荷載為70 kN;《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)荷載標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定為道路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)以雙輪組單軸載100 kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載，筆者取值140 kN.參考《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中橋梁計(jì)算的一般規(guī)定，將井蓋按整體單向板進(jìn)行分析，把計(jì)算工況分如下3種情況.1)單車輪在井蓋中部;2)單車輪在井蓋與路面交界處;3)單車輪在距井蓋與路面交界x米處.

1.2 模型建立

建立有限元模型，取井蓋及周邊5 m×5 m的道路為研究對(duì)象，分析時(shí)取1/2模型，相應(yīng)的荷載取1/2荷載.瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層自下而上依次為:回填土→石灰土→水泥穩(wěn)定碎石→瀝青混凝土層;檢查井壁均為混凝土預(yù)制.圖2為新型井蓋和傳統(tǒng)井蓋的建模簡(jiǎn)圖.有限元建模中各種材料的參數(shù)取值見(jiàn)表1.

圖2 新型和傳統(tǒng)井蓋建模簡(jiǎn)圖Fig.2 Modeling diagram of the new type manhole cover and the traditional one

表1 有限元計(jì)算中各種材料參數(shù)Tab.1 Various material parameters in the finite element method

2 有限元分析

下面就以上3種工況對(duì)新型、傳統(tǒng)井蓋進(jìn)行有限元分析.

2.1 行車荷載全部作用在井蓋上

有限元分析結(jié)果如圖3所示.由圖3可以看出:

(1)在相同大小的單輪荷載作用下新型井蓋的豎向最大變形為0.717 mm，而傳統(tǒng)井蓋為0.902 mm，新型井蓋的豎向變形要比傳統(tǒng)井蓋小;

圖3 新型井蓋和傳統(tǒng)井蓋豎向變形比較(工況一)Fig.3 Vertical deformation comparison of the new type manhole cover and the traditional one(condition 1)

(2)新型井蓋更好地體現(xiàn)出與路面整體協(xié)調(diào)沉降的性質(zhì)，而傳統(tǒng)井蓋則表現(xiàn)為局部沉降的性質(zhì).可見(jiàn)，在長(zhǎng)期車輛荷載作用下，傳統(tǒng)井蓋易造成與井蓋周圍路面的局部下沉與破壞，而新型井蓋因?yàn)槟軌蚝吐访娴某两迪鄥f(xié)調(diào)，井蓋與周邊路面的破壞相對(duì)較小.

究其原因:一是井蓋自身構(gòu)造的不同(參見(jiàn)圖1);二是井蓋與周圍路面的結(jié)合方式不同.傳統(tǒng)井蓋直接安裝于混凝土井壁上(如圖2(b)所示)，井壁為主要傳力系統(tǒng).由于井壁混凝土彈性模量遠(yuǎn)大于瀝青混凝土彈性模量，在外界荷載和環(huán)境作用下，檢查井與周邊路面難以協(xié)調(diào)變形，較易產(chǎn)生裂縫等病害.而新型井蓋則安裝于瀝青混凝土面層上(如圖2(a)所示)，瀝青混凝土路面是主要傳力系統(tǒng)，井蓋易與路面協(xié)調(diào)變形，故而減小了荷載對(duì)井蓋周圍路面的破壞.

圖4所示為井蓋的應(yīng)力圖，由圖可知，新型井蓋最大拉應(yīng)力為58.4 MPa，傳統(tǒng)井蓋最大拉應(yīng)力則為66.7 MPa.所以在長(zhǎng)期反復(fù)行車荷載作用下，傳統(tǒng)井蓋的破壞將比新型井蓋嚴(yán)重.

圖4 新型井蓋和傳統(tǒng)井蓋第一主應(yīng)力比較(工況一)Fig.4 The first main stress comparison of the new type manhole cover and the traditional one(condition 1)

2.2 行車荷載作用在交界處

有限元分析結(jié)果如圖5所示.由圖5可知，當(dāng)相同的單輪荷載作用在井蓋與路面交界處時(shí)，新型井蓋的豎向最大豎向變形為0.229mm，傳統(tǒng)井蓋則為0.251mm.值得注意的是，新型井蓋的最大豎向變形發(fā)生在路面和井蓋的交界處，表現(xiàn)為井蓋與路面協(xié)調(diào)的整體沉降性質(zhì)，而傳統(tǒng)井蓋的最大豎向變形則發(fā)生在井蓋上，表現(xiàn)為井蓋相對(duì)于周邊路面的局部沉降性質(zhì);且由圖5(b)可知，傳統(tǒng)井蓋與路面的豎向變形是不連續(xù)的，這也是傳統(tǒng)井蓋周邊瀝青混凝土路面容易產(chǎn)生破壞的原因之一.

2.3 行車荷載作用在離邊界x處

有限元分析結(jié)果如圖6所示.

由圖6可見(jiàn)，在相同大小的單輪荷載作用下，行車荷載作用在離邊界x處時(shí)，行車荷載對(duì)路面造成的豎向變形基本上不會(huì)影響到新型井蓋，但卻會(huì)影響到傳統(tǒng)井蓋.因此，行車荷載對(duì)傳統(tǒng)井蓋的破壞相對(duì)較大.

綜上所述，將3種工況的分析結(jié)果匯總于表2.

表2 新型井蓋和傳統(tǒng)井蓋各工況下的變形和應(yīng)力Tab.2 Deformation and stress under various conditions of the new type cover and the traditional one

3 結(jié)論

(1)變形方面，新型井蓋與周圍路面的協(xié)調(diào)變形能力遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)井蓋;

(2)受力方面，新型井蓋承受的車輪軸載應(yīng)力小于傳統(tǒng)井蓋.

因此，就理論分析而言，自調(diào)式防沉降井蓋是值得加以推廣應(yīng)用的.

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［10］中華人民共和國(guó)交通部JTGD 62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［11］中華人民共和國(guó)交通部JTGD 60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

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