水泥混凝土路面縱縫拉桿傳荷試驗(yàn)研究

李晶晶，張 擎

(1．陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 公路工程系，陜西 西安710018;2．長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安710064)

0 引言

為了減小溫度或濕度變化在水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)內(nèi)引起的收縮或翹曲應(yīng)力問題以及便于鋪筑施工，人們通常采用縱向和橫向的各種接縫形式將路面分割為規(guī)則形狀的混凝土板，但接縫也是最容易出現(xiàn)病害的部位，是整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)［1-3］．國(guó)內(nèi)外許多道路工作者對(duì)于接縫傳荷能力和傳力桿接縫運(yùn)行特性進(jìn)行了大量的研究工作［2-8］，但基本上只測(cè)橫向接縫傳荷系數(shù)，往往忽略了縱縫傳荷性能． 我國(guó)現(xiàn)行的水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范針對(duì)縱縫拉桿的設(shè)計(jì)主要考慮在溫度收縮作用下拉桿本身的抗拉強(qiáng)度及拉桿與水泥混凝土之間的粘結(jié)力是否超過容許拉應(yīng)力［1］，也沒有考慮拉桿的實(shí)際受荷特性及其傳荷性能，而在實(shí)際路面的受力中縱縫拉桿的傳荷性能不能忽視，因此，有必要對(duì)水泥混凝土路面縱縫拉桿傳荷性能進(jìn)行研究．

1 重復(fù)荷載作用下接縫工作性能

1．1 接縫傳荷能力評(píng)定

接縫的傳荷能力是指水泥混凝土路面板的接縫具有將車輪荷載由一側(cè)直接承受荷載的板塊向接縫另一側(cè)非直接承受荷載的板塊進(jìn)行傳遞的能力［2，4］，通?？捎媒涌p兩側(cè)板邊的荷載和彎沉來計(jì)算．

1．1．1 荷載法

表征接縫傳荷能力的直接指標(biāo)是接縫兩側(cè)所承受荷載的比值，其計(jì)算方法雖然與傳荷能力的定義完全一致，但對(duì)于荷載分配的實(shí)際狀況卻難以測(cè)量．

式中:kj為接縫傳荷系數(shù);P2為未受荷板接縫邊緣處所承受的荷載，kN;P1為受荷板接縫邊緣所承受的荷載，kN．

1．1．2 彎沉法

現(xiàn)行的《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D40—2011)采用受荷板一側(cè)接縫邊緣處的彎沉與未受荷板接縫邊緣處彎沉之比來評(píng)定接縫傳荷能力［1］，根據(jù)接縫傳荷系數(shù)大小將接縫傳荷能力分為優(yōu)良、中、次、差4 個(gè)等級(jí)．該方法目前廣泛用于評(píng)定接縫傳荷能力．

式中:kj為接縫傳荷系數(shù);wu為未受荷板接縫邊緣處的彎沉值，0．01 mm;wi為受荷板接縫邊緣處的彎沉值，0．01 mm．

1．2 重復(fù)荷載作用下接縫工作機(jī)理

在重復(fù)荷載作用下，拉桿與混凝土相互作用致使與拉桿接觸的混凝土界面出現(xiàn)一定的縫隙，即累計(jì)損傷，用松動(dòng)量來表示［4］． 發(fā)生松動(dòng)現(xiàn)象的單桿傳荷系統(tǒng)，假定傳荷系統(tǒng)始終處于線彈性工作范圍，總荷載為P，拉桿長(zhǎng)為l，松動(dòng)量為Δ，縫寬為b，單根拉桿工作過程可分解為圖1 所示的模型．

圖1 重復(fù)荷載下單根拉桿工作過程Fig．1 The work process of single tie bar under repetitive loads

由圖1 可以看出，荷載作用在水泥混凝土路面板時(shí)，拉桿并沒有立即開始傳荷，作用在受荷板的荷載由P =P1L+P2L+PX三部分組成，其中，P1L和P2L用來克服接縫松動(dòng)，PX是按照沒有產(chǎn)生松動(dòng)的正常情況傳遞． 這個(gè)工作過程僅對(duì)單根拉桿而言的，在實(shí)際傳荷系統(tǒng)中，往往有多達(dá)十幾根的拉桿，并不是每根拉桿同時(shí)按圖1 所示受力工作，它是一個(gè)逐漸變化的過程．

2 縱縫拉桿傳荷疲勞試驗(yàn)與分析

2．1 重復(fù)荷載試驗(yàn)方法

為了得出拉桿對(duì)縱縫工作性能的影響，通過彎曲疲勞試驗(yàn)來分析縱縫拉桿傳荷能力的變化，其試驗(yàn)裝置類似于水泥混凝土抗彎拉試驗(yàn)，不同的是該裝置的支座為兩個(gè)距離450 mm 的固定支座，用落錘式彎沉儀測(cè)得其反應(yīng)模量為45 MN/m3;為真實(shí)模擬行車荷載通過接縫時(shí)其兩側(cè)受力不均勻以及荷載傳遞情況，試驗(yàn)中上壓頭采用偏心設(shè)置的單壓頭，試驗(yàn)中壓頭所接觸的試塊一端為受荷端，未接觸的一端為非受荷端，在非受荷端一側(cè)搭接一剛性平臺(tái)布置位移傳感器用以記錄非受荷端在荷載作用過程中位移的變化情況，該剛性平臺(tái)到接縫的距離與壓頭距接縫的距離相等． 試塊的固定示意圖如圖2 所示． 接縫傳荷系數(shù)用彎沉法來進(jìn)行表征．

試驗(yàn)中針對(duì)不同板厚的拉桿進(jìn)行尺寸選擇:試件尺寸(X×Y×Z)為90 cm×15 cm×24 cm 和100 cm×15 cm ×28 cm 兩種規(guī)格．拉桿材質(zhì)選用HRB355 螺紋鋼，拉桿位于試件中央，直徑選用12，14，16，18 mm 4 種，長(zhǎng)度選用600，700，800，900 mm 4 種情況．

試驗(yàn)開始前，將MTS 材料試驗(yàn)機(jī)的下作動(dòng)頭向上移動(dòng)至重復(fù)彎曲試驗(yàn)裝置的壓頭與試塊緊密接觸，施加一個(gè)小于1 kN 的初始?jí)毫Γ颐看卧囼?yàn)時(shí)控制初始?jí)毫ο嗟?根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查拉桿的受力情況以及試驗(yàn)室內(nèi)傳力桿的疲勞模擬經(jīng)驗(yàn)［3，7，8］，試驗(yàn)時(shí)以0． 05 kN/s 的速度加載到5 kN，然后，控制MTS 材料試驗(yàn)機(jī)以5 Hz 的頻率完成5 ～20 kN 的一個(gè)加載周期，重復(fù)加載，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化過程．

2．2 疲勞作用下縱縫拉桿傳荷能力衰變規(guī)律

圖2 重復(fù)彎曲試驗(yàn)試塊固定示意圖Fig．2 Schematic diagram of fixing in repeated flexural test

通過對(duì)拉桿的傳荷疲勞試驗(yàn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在荷載循環(huán)作用過程中，接縫傳荷系數(shù)的變化規(guī)律類似，在此僅列出板厚為24 cm，拉桿長(zhǎng)度為600 mm的不同直徑拉桿試驗(yàn)結(jié)果，見圖3． 分析可知:當(dāng)拉桿直徑為12，14，16，18 mm 時(shí)，接縫傳荷能力的初始值分別為89%、91%、92%和93%．由此可見，隨著拉桿直徑的增大，縱縫傳荷能力的初始值逐漸增大．進(jìn)一步分析可知，在荷載循環(huán)作用過程中，接縫傳荷系數(shù)的變化在荷載作用50 萬次前后可以大致分為兩個(gè)階段:快速下降階段和保持階段．在接縫傳荷系數(shù)的保持階段，隨著荷載循環(huán)作用的繼續(xù)，接縫傳荷系數(shù)保持不變．當(dāng)拉桿直徑為12，14，16，18 mm 時(shí)，接縫傳荷系數(shù)分別保持在86%、87%、91%和92%． 在工程中，更關(guān)心的是初始階段和保持階段的縱縫受力情況，因此，不同板厚、拉桿直徑和拉桿長(zhǎng)度的疲勞試驗(yàn)結(jié)果僅分析初始階段和保持階段的傳荷系數(shù)．

圖3 板厚24 cm，拉桿長(zhǎng)度600 mm 時(shí)不同直徑拉桿的縱縫傳荷能力Fig．3 The transfer coefficient of longitudinal joint(the slab thickness is 24 cm，the length of tie bar is 600 mm)

2．2．1 拉桿直徑和長(zhǎng)度

對(duì)水泥混凝土路面板厚為24 cm 的縱縫拉桿進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，結(jié)果見圖4(a)．分析可知:當(dāng)拉桿長(zhǎng)度為600 mm，拉桿直徑為12，14，16，18 mm 時(shí)，縱縫傳荷系數(shù)的初始值分別為89%、91%、92%和93%，保持值分別為86%、87%、91%和92%;當(dāng)拉桿長(zhǎng)度為700 mm，拉桿直徑為12，14，16，18 mm 時(shí)，縱縫傳荷系數(shù)的初始值分別為89%、92%、92% 和92%，保持值分別為87%、89%、90%和91%;當(dāng)拉桿長(zhǎng)度為800 mm，拉桿直徑為12，14，16，18 mm 時(shí)，縱縫傳荷系數(shù)的初始值分別為90%、93%、93%和93%，保持值分別為87%、90%、92%和92%．結(jié)果表明，當(dāng)板厚和拉桿長(zhǎng)度一定時(shí)，隨著拉桿直徑的增大，縱縫拉桿傳荷系數(shù)的初始值和保持值均逐漸增大，但增幅不大;對(duì)于相同直徑的拉桿而言，縱縫拉桿傳荷系數(shù)隨著拉桿長(zhǎng)度的增大也在逐漸增加，同樣整體增幅不太明顯，且拉桿直徑和長(zhǎng)度達(dá)到一定程度時(shí)，拉桿在保持階段的縱縫傳荷水平相當(dāng)．因此，在實(shí)際工程中選用拉桿直徑和長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)綜合考慮接縫傳荷能力和經(jīng)濟(jì)性，不能盲目追求高直徑和高長(zhǎng)度的拉桿．

對(duì)板厚28 cm 的縱縫拉桿傳荷能力進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，結(jié)果見圖4(b)． 分析可知:當(dāng)拉桿長(zhǎng)度為700 mm，拉桿直徑為12 ～18 mm 時(shí)，縱縫傳荷系數(shù)的初始值為84% ～90%，在快速下降階段，縱縫傳荷系數(shù)衰減了4% ～7%;當(dāng)拉桿長(zhǎng)度為900 mm，拉桿直徑為12 ～18 mm 時(shí)，縱縫傳荷系數(shù)的初始值為86% ～95%，在快速下降階段，縱縫傳荷系數(shù)衰減了5% ～11%．結(jié)果表明，當(dāng)板厚和拉桿長(zhǎng)度一定時(shí)，縱縫拉桿傳荷系數(shù)隨著拉桿直徑的增大而增大，增幅為6% ～9%;在接縫傳荷能力快速下降階段，其衰減值也是隨著拉桿直徑的增大而增大，致使在保持階段接縫傳荷系數(shù)變化幅度不大于3%．

2．2．2 板厚

對(duì)不同板厚進(jìn)行縱縫拉桿傳荷疲勞試驗(yàn)，結(jié)果見圖5． 當(dāng)拉桿長(zhǎng)度為700 mm 時(shí)，板厚24 cm的縱縫傳荷系數(shù)初始值為89% ～92%，保持值為87% ～91%，板厚28 cm 的縱縫傳荷系數(shù)初始值為84% ～90%，保持值為80% ～83%;當(dāng)拉桿長(zhǎng)度為800 mm 時(shí)，板厚24 cm 的縱縫傳荷系數(shù)初始值為90% ～93%，保持值為87% ～92%，板厚28 cm 的縱縫傳荷系數(shù)初始值為85% ～93%，保持值為80% ～83%． 這表明當(dāng)拉桿長(zhǎng)度一定時(shí)，縱縫拉桿傳荷系數(shù)無論是初始值還是保持值均隨著板厚的增加而降低，幅度約為8%，當(dāng)板厚一定時(shí)，隨著拉桿長(zhǎng)度和直徑的增加而增大．因此，在工程應(yīng)用中，當(dāng)交通量增加需增加板厚時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大拉桿直徑和增大拉桿長(zhǎng)度來提高縱縫的傳荷能力．

根據(jù)《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTGD40—2011)中關(guān)于舊水泥混凝土路面接縫傳荷能力等級(jí)劃分的相關(guān)規(guī)定:當(dāng)接縫傳荷系數(shù)大于等于80%時(shí)，接縫傳荷能力評(píng)定為優(yōu)良． 通過以上分析可知，當(dāng)板厚為24 cm 和28 cm，拉桿長(zhǎng)度為600 ～900 mm，拉桿直徑為12 ～18 mm 時(shí)，荷載作用50 萬次后縱縫傳荷系數(shù)保持值均在80%以上，這表明縱縫拉桿承受荷載50 萬次循環(huán)后仍具有良好的傳荷能力．

3 結(jié)論

(1)通過彎曲疲勞試驗(yàn)進(jìn)行拉桿傳荷能力分析，發(fā)現(xiàn)在荷載循環(huán)作用下，縱縫傳荷系數(shù)在荷載作用50 萬次前后大致分為快速下降階段和保持

階段，與傳力桿受力情況相似．

圖4 不同拉桿直徑和長(zhǎng)度的縱縫傳荷能力Fig．4 The transfer coefficient of longitudinal joint when the length and diameter of tie bar is different

圖5 板厚對(duì)縱縫拉桿傳荷能力的影響Fig．5 The transfer coefficient of longitudinal joint of different slab thichness

(2)縱縫傳荷系數(shù)隨著拉桿直徑的增加而增大，初始階段的增幅為3% ～9%，保持階段的增幅為3% ～6%;隨著拉桿長(zhǎng)度的增加而增大，初始階段和保持階段的增幅均不大于3%;隨著板厚的增加而降低，幅度約為8%．結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范對(duì)于舊水泥混凝土路面接縫傳荷能力等級(jí)的評(píng)定，結(jié)果表明，在試驗(yàn)?zāi)M的工況下，荷載作用50 萬次后縱縫傳荷系數(shù)保持值均在80%以上，具有優(yōu)良的傳荷能力．因此，在實(shí)際工程中針對(duì)不同板厚的路面結(jié)構(gòu)選用拉桿直徑和長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)綜合考慮接縫傳荷能力和經(jīng)濟(jì)性．

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