傳力桿松動(dòng)對(duì)道面接縫傳荷影響的試驗(yàn)研究

張潤(rùn)峰，崔曉云，楊簡(jiǎn)

（中國(guó)民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津300300）

傳力桿松動(dòng)對(duì)道面接縫傳荷影響的試驗(yàn)研究

張潤(rùn)峰，崔曉云，楊簡(jiǎn)

（中國(guó)民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津300300）

按一定的縮放比例澆筑水泥混凝土道面板結(jié)構(gòu)模型，接縫處設(shè)有傳力桿且具有不同松動(dòng)長(zhǎng)度。通過(guò)不同加載等級(jí)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)定，研究不同松動(dòng)長(zhǎng)度下道面板的位移傳荷系數(shù)及傳力桿和接縫界面混凝土的力學(xué)特征，得出荷載較小時(shí)，接縫傳荷系數(shù)變化不明顯，當(dāng)達(dá)到1～3 kN時(shí)，傳荷系數(shù)明顯增大，超過(guò)5 kN后，傳荷系數(shù)相對(duì)平穩(wěn)；傳力桿松動(dòng)長(zhǎng)度在0～10 cm時(shí)，接縫的傳荷系數(shù)及桿與混凝土界面的混凝土應(yīng)變隨松動(dòng)長(zhǎng)度的增大逐漸減小，傳力桿上的剪切應(yīng)變先增大后減小，當(dāng)松動(dòng)長(zhǎng)度超過(guò)10 cm后，各指標(biāo)變化不再明顯。

接縫；傳力桿松動(dòng)；傳荷系數(shù)；加載等級(jí)

接縫的存在破壞了道面結(jié)構(gòu)的整體性，為保證接縫的傳荷能力，通常在橫縫處設(shè)置傳力桿。而傳力桿的損傷會(huì)導(dǎo)致道面在使用過(guò)程中發(fā)生唧泥、錯(cuò)臺(tái)、角隅斷裂、接縫破碎等一系列破壞。目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者對(duì)道面板的研究主要是針對(duì)設(shè)有傳力桿和未設(shè)傳力桿的道面接縫的力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)性能對(duì)比、新材料道面的研究、道面板的耐久性等方面[1-3]。數(shù)值模擬方向Wang S D和Huang Y H等[4-6]先后提出了研究接縫傳荷的模擬及計(jì)算方法，周正峰等[7-9]綜合考慮了不同地基強(qiáng)度、基層接觸情況以及不同級(jí)別荷載起落架構(gòu)型的影響因素，建立了三維有限元模型等。而試驗(yàn)同時(shí)受人力、物力、財(cái)力、時(shí)間等多方面的制約，并且缺少傳力桿損傷對(duì)道面板傳荷性能的具體研究。因此本文主要探討傳力桿松動(dòng)對(duì)水泥混凝土道面接縫傳荷性能影響的試驗(yàn)分析。

本文通過(guò)縮尺實(shí)驗(yàn)得出傳力桿松動(dòng)對(duì)傳荷系數(shù)及界面應(yīng)變的影響關(guān)系，以及加載等級(jí)對(duì)傳荷系數(shù)的影響關(guān)系，為傳力桿的設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)參考。

1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

取機(jī)場(chǎng)道面板普遍采用的尺寸5 m×5 m×0.35 m，基于相似理論，松動(dòng)模型的相似比例定為1∶2，考慮相鄰傳力桿的協(xié)作取3根傳力桿的情況，由于沿傳力桿長(zhǎng)度方向的應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)?倍半徑同心圓內(nèi)的混凝土區(qū)域，為提高試驗(yàn)精度將切割邊界適當(dāng)放大，擬定松動(dòng)子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬?.465 m×0.25 m×0.175 m，鋼筋直徑為18 mm，長(zhǎng)度為30 cm，如圖1所示。本試驗(yàn)的控制變量是傳力桿的松動(dòng)長(zhǎng)度，采用傳力桿上纏膠帶的方法模擬，由于膠帶質(zhì)軟且很好地隔離了傳力桿和混凝土，因此可模擬傳力桿的松動(dòng)，用纏2圈來(lái)模擬固定的松動(dòng)高度，模型圖如圖2所示。

圖1 松動(dòng)模型尺寸Fig.1 Loose model size

圖2 松動(dòng)模型圖Fig.2 Loose model diagram

由于試驗(yàn)所用傳力桿長(zhǎng)度為30 cm，傳力桿與單塊試驗(yàn)板的咬合長(zhǎng)度為15 cm，對(duì)傳力桿的松動(dòng)設(shè)定了4種松動(dòng)長(zhǎng)度，忽略松動(dòng)高度，情況如表1所示。由于在現(xiàn)行機(jī)場(chǎng)道面板中，傳力桿是一端固定、另一端可在水平方向松動(dòng)且可以自由移動(dòng)，為了真實(shí)地模擬傳力桿的工作情況，在傳力桿的固定端裹上膠帶，并在外表面涂上一層瀝青表示固定端的松動(dòng)。同時(shí)，在安裝時(shí)傳力桿的固定端和滑動(dòng)端交錯(cuò)分布排列。

表1 松動(dòng)工況表Tab.1 Loose condition

為了得到傳力桿內(nèi)力、道面板板底彎拉應(yīng)力和道面板接觸處附近表面區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力變化，分別在傳力桿（如圖3所示）和道面板上用AB膠粘貼應(yīng)變片（如圖4、圖5所示），等AB膠凝結(jié)后，還需在AB膠外面涂抹一層環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行二次保護(hù)，確保應(yīng)變片在后期試驗(yàn)中不被損壞，且環(huán)氧樹脂是不導(dǎo)電材料，不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成干擾，如圖6所示。

圖3 傳力桿上應(yīng)變片粘貼圖Fig.3 Strain gauge stick on dowel bar

圖4 應(yīng)變片保護(hù)圖Fig.4 Strain gauge protection figure

圖5道面板應(yīng)變片粘貼圖

Fig.5Strain gauge stick on pavement

圖6 應(yīng)變片保護(hù)圖Fig.6 Strain gauge protection figure

2 實(shí)驗(yàn)加載及數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)加載面積（上文已經(jīng)提及）為10 cm×10 cm。試驗(yàn)加載過(guò)程采用液壓機(jī)多級(jí)加載的方式，如圖7所示，從0 kN開始加載，每級(jí)加載增量控制在1～4 kN范圍內(nèi)，每加載一級(jí)，等其穩(wěn)定后，便利用靜態(tài)應(yīng)變儀采集一次數(shù)據(jù)，同時(shí)讀取一次位移表數(shù)值，并將其記錄下來(lái)，位移表布置如圖8所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)加載圖Fig.7 Experimental load

圖8 位移表布置圖Fig.8 Displacement table layout

記錄每個(gè)位移表的數(shù)據(jù)，將位移表采集到的位移數(shù)據(jù)整理如表2～表5所示。

表2 松動(dòng)試塊1位移數(shù)據(jù)Tab.2 Displacement data of Test Block 1（mm）

表3 松動(dòng)試塊2位移數(shù)據(jù)Tab.3 Displacement data of Test Block 2（mm）

試驗(yàn)所測(cè)得的位移數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，需利用這些數(shù)據(jù)求出傳荷系數(shù)，傳荷系數(shù)的計(jì)算主要有以下2種方法：

1）撓度法即以接縫兩側(cè)相鄰板邊緣的撓度值比值來(lái)表征傳荷系數(shù)

表4 松動(dòng)試塊3位移數(shù)據(jù)Tab.4 Displacement data of Test Block 3（mm）

表5 松動(dòng)試塊4位移數(shù)據(jù)Tab.5 Displacement data of Test Block 4（mm）

其中：w1為受荷板板邊的撓度；w2為未受荷板板邊的撓度。

2）應(yīng)變法即以接縫兩側(cè)相鄰邊緣的應(yīng)變值比值表征傳荷系數(shù)

其中：ζ1為受荷板邊緣的應(yīng)變；ζ2為未受荷板邊緣的應(yīng)變。

考慮所測(cè)數(shù)據(jù)為位移數(shù)據(jù)，所以在求傳荷系數(shù)時(shí)采用撓度法進(jìn)行計(jì)算。各組試驗(yàn)傳荷系數(shù)整理后的結(jié)果分別如表6～表9所示。

表6 松動(dòng)試塊1傳荷系數(shù)Tab.6 Load transfer coefficient of Test Block 1

表7 松動(dòng)試塊2傳荷系數(shù)Tab.7 Load transfer coefficient of Test Block 2

表8 松動(dòng)試塊3傳荷系數(shù)Tab.8 Load transfer coefficient of Test Block 3

表9 松動(dòng)試塊4傳荷系數(shù)Tab.9 Load transfer coefficient of Test Block 4

為了減小誤差，使試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，取各組平均值作傳荷系數(shù)與松動(dòng)長(zhǎng)度的關(guān)系曲線，如圖9所示。

圖9 傳荷系數(shù)與荷載及松動(dòng)長(zhǎng)度之間的關(guān)系圖Fig.9 Relationship between load transfer coefficient，load and loose length

由圖9可知，從松動(dòng)0 cm到松動(dòng)15 cm的過(guò)程中，隨著傳力桿松動(dòng)長(zhǎng)度的增大，接縫的傳荷系數(shù)逐漸減小，且當(dāng)松動(dòng)長(zhǎng)度達(dá)到10 cm左右后，接縫傳荷系數(shù)有較大變化，說(shuō)明此時(shí)傳力桿已失去部分傳荷功能。同時(shí)得到如下規(guī)律：隨著外加荷載從0 kN逐漸增大的過(guò)程，接縫傳荷系數(shù)從0開始增大，這之間存在一個(gè)臨界傳荷荷載，即當(dāng)外加荷載達(dá)到一定值后，受荷板上的荷載才開始通過(guò)傳力桿傳遞給未受荷板；當(dāng)外加荷載繼續(xù)增大到5 kN左右時(shí)，道面板傳荷系數(shù)在一定范圍內(nèi)發(fā)生微小的波動(dòng)；再繼續(xù)增大荷載值，當(dāng)其增大到一個(gè)極限值時(shí)，道面板傳荷系數(shù)會(huì)隨之減小，說(shuō)明當(dāng)外加荷載超過(guò)此極限值后傳力桿與道面板間的原有粘結(jié)將隨之發(fā)生破壞，傳力桿的作用有所損失。

當(dāng)外加荷載值相同時(shí)，不同松動(dòng)尺寸下各應(yīng)變片的數(shù)據(jù)如表10所示。

表10 應(yīng)變值與松動(dòng)尺寸關(guān)系表Tab.1 0Relationship between strain values and loose size

可以看出，隨著松動(dòng)尺寸的增大，松動(dòng)桿界面應(yīng)變值在逐漸減小，而未松動(dòng)桿界面應(yīng)變?cè)陔S之增大；受荷板板底彎拉應(yīng)變值隨著松動(dòng)尺寸的增大有一個(gè)先增大后減小的過(guò)程，未受荷板與受荷板的變化趨勢(shì)大體相同；對(duì)于桿上的剪切應(yīng)變而言，松動(dòng)桿上的應(yīng)變值是隨著松動(dòng)尺寸的增大而逐漸減小，未松動(dòng)桿上的剪切應(yīng)變值是隨之變大的。綜上所述可得出如下結(jié)論，隨著松動(dòng)尺寸的增大，受荷板通過(guò)傳力桿傳給未受荷板的荷載是在逐漸減小的，當(dāng)松動(dòng)尺寸增大到一定尺寸后，外界的荷載主要是由受荷板來(lái)承擔(dān)，傳力桿傳荷逐漸失效。

3 結(jié)語(yǔ)

1）隨著松動(dòng)尺寸的不斷增大，傳力桿與混凝土粘結(jié)界面的應(yīng)變?cè)谒蓜?dòng)為0～10 cm段先迅速下降，后下降逐漸趨于平緩，隨著傳力桿松動(dòng)長(zhǎng)度的增大，松動(dòng)桿的剪切應(yīng)變先增大后迅速減小，試驗(yàn)中道面板的傳荷系數(shù)隨著松動(dòng)長(zhǎng)度的變大而逐漸變小。松動(dòng)量在0～10 cm段，傳荷系數(shù)減小的幅度較大，當(dāng)松動(dòng)長(zhǎng)度超過(guò)10 cm后，傳荷系數(shù)減小的幅度趨于平緩，說(shuō)明此時(shí)的傳力桿可能已經(jīng)失效。

2）通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在荷載作用下，外加荷載較小時(shí)，傳力桿的傳荷系數(shù)較小。只有當(dāng)外加荷載達(dá)到1～3 kN后傳荷系數(shù)逐漸增大，說(shuō)明道面板可能存在一個(gè)臨界傳荷荷載，當(dāng)外加荷載超過(guò)臨界傳荷荷載后并繼續(xù)增大時(shí)，道面板間的傳荷系數(shù)也在隨著增大。但當(dāng)荷載超過(guò)一定限值后傳荷系數(shù)不再增大而是趨于穩(wěn)定狀態(tài)，針對(duì)本試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停讼拗禐?～7 kN。外加荷載繼續(xù)增大，當(dāng)增大到極限荷載值時(shí)，傳荷系數(shù)不再處于穩(wěn)定，而是開始出現(xiàn)下滑趨勢(shì)。本試驗(yàn)中此極限值大概為20 kN。

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（責(zé)任編輯：楊媛媛）

Experimental study on affection of loose dowel to load transfer of pavement joints

ZHANG Runfeng,CUI Xiaoyun,YANG Jian
（College of Airport Engineering,CAUC,Tianjin 300300,China）

The cement concrete pavement slab structure model is poured by a certain scale,and the joint is provided with dowels and have different loosening lengths.Using different loading levels to determinate relevant data,load transfer coefficient and mechanical characteristics between dowel and pavement concrete under different loose lengths are studied.Results show that when load is small,the joint load transfer coefficient does not change significantly;When it reaches 1～3 kN,load transfer coefficient increases significantly;When it is bigger than 5 kN, load transfer coefficient is relatively stable.When dowel loose gap length reachs 0～10 cm,concrete strain joints, load transfer coefficient rod and concrete interface gradually decrease as the loose length increases,shear strain of dowelincreasesfirstlyandthendecreases.Sincetheloosegapiswiderthan10cm,anyindexhasnoobviouschange. Key words：joints;loose dowel;load transfer coefficient;load rating

V351.11；U416

A

1674－5590（2017）01－0042－05

2016-04-20；

2016-06-20基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（3122015D014）；中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)工程研究基地開放基金（KFJJ2014JCG09）；中國(guó)民航大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（10120131202）

張潤(rùn)峰（1979—），男，河北寧晉人，講師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)分析與維護(hù)管理.