裝配式水泥混凝土路面圓企口應力應變響應

嚴秋榮，彭齊騰

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067;2.重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074)

裝配式水泥混凝土路面圓企口應力應變響應

嚴秋榮1，彭齊騰2

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067;2.重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074)

采用數(shù)值分析手段，對標準軸載作用下跨矢比的變化引起的圓企口裝配式水泥混凝土路面企口縫處的應力應變響應情況進行了分析。研究表明:不同跨矢比對應不同構造板塊的受力性能各不相同，較大跨矢比有利于凸板受力，較小跨矢比有利于凹板受力；不同跨矢比對應接縫撓度變形及傳荷能力影響明顯，跨矢比為2.5時，企口縫處于最不利受力狀態(tài)，跨矢比為3.5時，企口縫傳荷能力最好。選擇合理跨矢比有利于防止企口縫早期破壞，延長路面使用壽命。

道路工程；企口縫；數(shù)值分析；跨矢比；傳荷系數(shù)

水泥混凝土路面是采用混凝土作為面層材料的一種路面結構，這種路面具有強度高、穩(wěn)定性好、耐久性好、養(yǎng)護費用低、交通安全性高等特點[1]，被廣泛運用于城市道路、機場跑道及施工便道。然而，在長期使用過程中，水泥混凝土路面容易產(chǎn)生貫穿裂縫、大面積破碎板、接縫損壞等嚴重病害，極大地影響了路面功能的發(fā)揮。目前裝配式水泥混凝土路面具有施工方便、可承受重荷載、快速開放交通、可重復利用等優(yōu)點，被應用于水泥混凝土路面的快速修復及施工臨時道路的修建，收到了較好的環(huán)境效益與經(jīng)濟效益[2-7]。筆者通過數(shù)值模擬的手段，對裝配式水泥混凝土路面圓形企口縫的力學行為進行探討，為裝配式水泥混凝土路面應用提供一定理論參考。

1 研究思路

筆者主要借助數(shù)值模擬分析的方法，分析圓企口單板、雙板兩種加載工況下板塊的應力應變特性，同時對不同跨矢比企口縫傳荷能力進行評定。

1.1 計算參數(shù)及模型建立

計算參數(shù)如下：板塊厚取0.2 m，彈性模量取3×104MPa,泊松比取0.15，荷載取標準軸載BZZ-100 kN。建立尺寸為1.0 m×1.0 m×0.2 m路面板塊模型，如圖1。

圖1 路面板塊模型Fig. 1 Model of road plate

1.2 加載方式及加載位置

利用標準軸載加載于板塊縱縫邊緣中部,計算標準軸載下不同跨矢比企口縫處應力應變狀態(tài)。

1.3 分析工況

擬定5種跨矢比：2.0、2.5、3.0、3.5、4.0。路面板塊分為凸榫板及凹槽板，由于構造差異，需分別加載分析其應力應變狀態(tài)。雙板模型加載下，分析企口縫受力及傳荷性能。

本次模型不考慮配筋設計[8]，且不設傳力桿?？缡副戎傅氖前鍓K企口跨徑與矢高的比值，具體如圖2，圖中a表示圓企口跨徑，b表示圓企口矢高，跨矢比表示a與b的比值。

圖2 企口縫剖面示意(單位：cm)Fig. 2 Profile of tongue and groove joints

接縫的傳荷能力定義為混凝土路面板接縫所具有的、將車輪荷載由接縫一側直接承受的板塊向接縫另一側非直接承受荷載的板塊進行傳遞的能力。表征傳荷能力的直接指標應是接縫兩側所承受荷載的比值。但是由于荷載分配的實際情況難以直接測得，一般采用間接指標反映其傳荷能力，通常使用的有撓度法和應變法[9-10]。

1)用撓度比確定路面板塊的傳荷能力，具體定義為

(1)

式中：W1為受荷板邊撓度；W2為未受荷板邊撓度。

2)用應變比確定混凝土板塊的傳荷能力，具體定義為

(2)

式中：σ1為受荷板邊應變；σ2為未受荷板邊應變。

2 計算結果分析

計算單板時，企口縫凸榫及凹槽由于構造差異，有著不同的受力特性，因此有必要對凸榫及凹槽板塊分別加載，分析兩種路面板塊的受力狀況。雙板應力分析時，針對企口縫榫頭及凹槽的受力狀況與傳荷能力評定，分析跨矢比對雙板模型的受力影響及傳荷能力影響。

2.1 單板應力分析

對凹板及凸板，分別以標準軸載加載于板塊縱縫邊緣中部，通過改變跨矢比，計算標準軸載下企口縫最大應力、應變情況，結果如圖3。以σzmax表示拉應力σz(橫向，下同)的最大值，以σymax表示拉應力σy(豎直方向，下同)的最大值，以σxmax表示拉應力σx(縱向，下同)的最大值。

圖3 企口縫最大應力、應變Fig. 3 Maximum stress and strain of tongue and groove joints

由圖3(a)～圖3(c)可知，單板模型凹板側加載，不同跨矢比對應路面接縫處的σzmax、σymax以及σxmax分布規(guī)律幾近相同。各向拉應力均隨板塊跨矢比增大而增大，在跨矢比為3.5時凹板各向均產(chǎn)生最不利拉應力。繼而隨跨矢比增大拉應力降低且降幅明顯，跨矢比為4.0時，板塊的受力狀況較為有利。

由圖3(d)～圖3(f)可知，單板模型凸板側加載，不同跨矢比板塊所受各向拉應力分布規(guī)律也幾近相似?？缡副葹?.5時，凸板各向均產(chǎn)生最大拉應力。繼而隨跨矢比增大，各向拉應力基本呈下降趨勢。與凹板側加載相同，在跨矢比為4.0時板塊各向拉應力均為最小，此時凸板的受力狀況最為良好。

2.2 單板位移分析

單板模型Y向位移變化情況見圖4。

圖4 單板模型Y向位移變化Fig. 4 Y-displacement change of single plate model

由圖4可見，單板模型凸板加載及凹板加載下，板塊位移在跨矢比為2.0到2.5時均發(fā)生突變，表現(xiàn)為陡增趨勢，可見跨矢比為2.5時，企口縫受力處于不利狀態(tài)。繼跨矢比2.5以后，凹板模型加載下，凹板豎向位移隨跨矢比增大而增大。凸板模型加載下，位移隨跨矢比增大而減小。由此可見，相同加載工況下，較大跨矢比不利于凹板側受力。以上分析可知，凸板及凹板有著不同的受力特性。

2.3 雙板應力分析

選取跨矢比為2.0的雙板模型凸板側加載模型，如圖5。

圖5 雙板模型板底應力分布Fig. 5 Stress distribution at plate bottom of double plate model

由圖5可見，路面板最不利拉應力均出現(xiàn)在板底，表現(xiàn)為板底受拉。企口縫凸榫及凹槽受拉狀況良好，不易產(chǎn)生受拉破壞。由此可以推測,與普通水泥混凝土路面相同，板底受到較大拉應力,易導致路面出現(xiàn)縱向裂縫[11],同時易導致企口縫被拉寬[12]。

2.4 傳荷性能分析

由于撓度比相對于應變比更能準確地測量，易于直觀地反映出企口縫的傳荷能力，因此采用撓度法計算接縫傳荷系數(shù)，以此評定企口縫的傳荷能力。計算結果如圖6及圖7。由圖6可以看到，標準軸載加載下，撓度變形主要集中在路面板塊接縫的凸榫及凹槽附近。且前述單板位移分析可知，凸榫及凹槽板塊撓度變形分布不一。該計算結果與有關文獻[12]給出的撓度變形分布情況一致。由此可見，企口縫作為應力集中處，也最容易產(chǎn)生撓度變形。因此接縫能否將荷載均勻傳遞給相鄰板塊承擔顯得極其重要。選擇合理的跨矢比能夠有利于企口縫的受力,有效改善企口縫的撓度變形。由圖7可以看到，板塊的傳荷系數(shù)隨板塊跨矢比增大呈陡增或陡降趨勢，可見跨矢比對板塊的傳荷能力影響明顯。在跨矢比為3.5時，接縫的傳荷系數(shù)最小，表明此尺寸下板塊的傳荷能力最弱，承受過重荷載時，板塊接縫易產(chǎn)生應力集中發(fā)生損壞。跨矢比為2.0時，板塊的傳荷系數(shù)最大，表明此尺寸下板塊的傳荷能力最好，荷載均勻傳遞給相鄰板塊承擔，可有效降低接縫損壞。

圖6 圓企口雙板模型凸板側加載位移云圖Fig. 6 Load displacement contours at convex side of double plate model with circular tongue and groove joints

圖7 Y向位移對應傳荷系數(shù)Fig. 7 Load transfer coefficient of Y-displacement

3 結 論

通過對圓企口裝配式水泥混凝土路面板塊數(shù)值模擬分析，得到如下結論：

1)單板模型加載下，企口縫跨矢比為4.0時，板塊所受各向拉應力相對較小，板塊狀況受力良好，跨矢比為3.5時，板塊受拉均出現(xiàn)各向最不利拉應力，此跨矢比受力狀況不良。

2)由單板模型位移變化趨勢可以看出，相同加載工況下，凹板更易產(chǎn)生較大位移變形，受力狀況更為不利。且在跨矢比為2.5時尤為明顯。對應跨矢比為2.5時企口縫傳荷系數(shù)較低，可見跨矢比2.5不利于企口縫受力。

3)雙板模型加載下，可以看到板塊均為板底受拉，且受拉區(qū)域均為路面橫縫、縱向接縫及角隅附近?？梢娐访娼涌p及角隅均為路面板塊薄弱區(qū)，有必要時可設置抗拉鋼筋，增強其抗拉性能，延長路面使用壽命。

4)利用傳荷系數(shù)表征路面?zhèn)骱赡芰梢钥闯?，跨矢比對路面?zhèn)骱赡芰τ绊懨黠@?？缡副葹?.5時，路面?zhèn)骱赡芰ψ钊?，板塊接縫容易產(chǎn)生應力集中發(fā)生破壞。在跨矢比2.0下，板塊的傳荷系數(shù)最大，表明此尺寸下企口縫的傳荷能力最好，荷載均勻傳遞給相鄰板塊承擔，可避免接縫過早發(fā)生損壞。

[1] 周澤民. 水泥混凝土路面與瀝青路面的對比分析[J].中南公路工程,1989(3): 11-13.

ZHOU Zeming. Comparative analysis of cement concrete pavement and asphalt pavement[J].CentralSouthHighwayEngineering, 1989(3): 11-13.

[2] 范小響,羅翥,傅智,等．水泥混凝土路面預制拼裝快速修復技術研究[J]．公路交通科技(應用技術板),2006(1) : 33-38

FAN Xiaoxiang, LUO Zhu, FU Zhi, et al. Quick fix technical research of assembling precast concrete pavement[J].HighwayandTransportationResearch(AppliedTechnologyEdition),2006(1):33-38.

[3] 王俏．水泥混凝土路面預制拼裝快速修復技術研究[J].長沙交通學院學報,2007,23(4) :33-38.

WANG Qiao. Study of rapid repair technology for precasted assembling slab of cement concrete pavement[J].JournalofChangshaCommunicationsUniversity,2007,23(4):33-38.

[4] 吳德芬,羅翥,彭鵬． 預制拼裝技術在水泥混凝土路面快速養(yǎng)護中的應用研究[J].公路交通科技(應用技術板), 2011,7(2):8-11.

WU Defen, LUO Zhu, PENG Peng. Application of pre-assembly technology In cement concrete pavement rapid maintenance[J].TechnologyofHighwayandTransport(AppliedTechnologyEdition),2011,7(2):8-11.

[5] TAYABJI S, BUCH N,KOHLER E. Precast concrete pavement for intermittent concrete pavement repair applications[C]//NationalConferenceonPreservation,Repair,andRehabilitationofConcretePavements. Washington, DC : The National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine ,2009．

[6] KOHLER E, HARVEY J,DU PLESSIS L, et al．Comparison of precast and cast-in-place concrete pavements responses under heavy vehicle simulator loads[C]//The8thInternationalConferenceontheBearingCapacityofRoads,Railways&AirfieldsInternationalConference. Champaign , Illinois, USA:[s.n.], 2009．

[7] CHANG L, CHEN Y, LEE S．UsingPrecastConcretePanelsforPavementConstructioninIndiana[R].West Lafayette,IN:Joint Transportation Research Program,2004.

[8] 尹錦明,姜毅,韓光義. 裝配式水泥混凝土路面板塊吊裝應力分析[J].施工技術,2015,44(增刊1): 393-396.

YIN Jinming, JIANG Yi, HAN Guangyi. Stress analysis of fabricated cement concrete pavement slab in the progress of lifting [J].ConstructionTechnology, 2015, 44(Sup1): 393-396.

[9] 黃曉明,鄧學鈞. 剛性道面接縫傳荷能力的疲勞規(guī)律[J].中國公路學報,1995,8(2): 32-34.

HUANG Xiaoming, DENG Xuejun. The law of rigid pavement fatigue load transfer joints [J].JournalofChineseHighway, 1995, 8(2): 32-34.

[10] 劉丹. 水泥混凝土路面接縫及結構優(yōu)化研究[D].武漢:武漢理工大學,2003.

LIU Dan.ResearchesontheOptimumJointandStructureofCementConcretePavement[D].Wuhan:Wuhan University of Technology,2003.

[11] 宋亞君,馬松林,李新凱.水泥混凝土路面極限荷載與應力分析[J].低溫建筑技術,2008,30(5):64-66.

SONG Yajun, MA Songlin, LI Xinkai. Analysis of ultimate load and stress of cement concrete pavement[J].LowTemperatureArchitectureTechnology,2008,30(5):64-66.

[12] 盧正宇,張起森.水泥混凝土路面企口接縫的應力分析[J].長沙交通學院學報,1994,10(3):68-75.

LU Zhengyu, ZHANG Qisen. Stress Analysis of joints in cement concrete pavement[J].JournalofChangshaInstituteofTransportation, 1994, 10(3): 68-75.

Stress-StrainResponseofPrefabricatedCementConcretewithCircularTongueandGrooveJoints

YAN Qiurong1, PENG Qiteng2

(1. China Merchants Chongqing Communications Research and Design Institute Co. Ltd., Chongqing 400067,P.R.China; 2.School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China)

Numerical analysis was adopted to analyze the stress-strain response of the prefabricated cement concrete with circular tongue and groove joints caused by the variation of span-vector ratio under the standard axle load. The conclusions show that: different span-vector ratios corresponding to mechanical behaviors of different configuration plates vary; the larger span-vector ratio is beneficial to the mechanical behavior of convex plate; however, the smaller span-vector ratio is beneficial to mechanical behavior of concave plate. Different span-vector ratios have great impact on the deflection displacement and load transfer performance of the tongue and groove joints: when the span-vector ratio is 2.5, tongue and groove joints are of the most unfavorable stress state; when the span-vector ratio is 3.5, tongue and groove joints have the best ability of load transfer. Choosing a reasonable span-vector ratio is beneficial to prevent the early destroy of tongue and groove joints, which can extend the service life of the pavements.

highway engineering; tongue and groove joints; numerical analysis; span-vector ratio; load transfer coefficient

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.11.06

2016-09-26；

2017-03-20

嚴秋榮(1978—)，男，福建仙游人，副研究員，博士，主要從事公路路基路面科研及檢測方面的研究。E-mail：43112443@qq.com。

U416.216;TV641

A

1674-0696(2017)11-028-05

(責任編輯：譚緒凱)