施工場(chǎng)地裝配式預(yù)制板受力影響因素研究

劉大鵬，楊雅茗，朱傳祥，郭一兵

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇徐州221116）

施工場(chǎng)地裝配式硬化面是采用工廠預(yù)制的預(yù)制板，在施工現(xiàn)場(chǎng)拼裝而成。裝配式硬化面一般采用4層結(jié)構(gòu)，從上至下依次為預(yù)制板面層、細(xì)沙墊層、級(jí)配碎石基層（水泥穩(wěn)定碎石基層）和壓實(shí)土基。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)裝配式硬化路面開(kāi)展了相應(yīng)的研究，且取得了較多的成果，為裝配式硬化面的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。李宇峙等人［1］認(rèn)為嵌擠塊面層是一個(gè)由近于剛性單元所組成的柔性層次，根據(jù)嵌擠塊路面面層表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)特征，提出了混凝土嵌擠塊路面結(jié)構(gòu)的“剪切層彈簧夾層模型理論”。王火明等人［2］、莫品疆等人［3］在分析預(yù)制塊鋪面結(jié)構(gòu)承載力機(jī)理時(shí)，認(rèn)為預(yù)制塊鋪面在荷載作用下存在“拱效應(yīng)”，從而使得塊體成為一個(gè)整體承受荷載的作用。王火明等人［4］通過(guò)室內(nèi)承載板試驗(yàn)和環(huán)道試驗(yàn)結(jié)果，提出了以車轍深度作為預(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，建立了軸載換算的方法，并總結(jié)出了預(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程。宋娃麗等人［5］及文獻(xiàn)［3］研究了預(yù)制塊路面在農(nóng)村公路的應(yīng)用，提出了典型的預(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)。張敏等人［6］研究了混凝土預(yù)制板的調(diào)平和板底脫空問(wèn)題。陳智杰［7］研究了預(yù)制裝配式水泥混凝土路面平整度的控制措施以及減輕預(yù)制裝配混凝土板自重的方法。曹承等人［8］研究了裝配式水泥混凝土路面板施工工藝。Murugan 等人［9］針對(duì)可持續(xù)預(yù)制混凝土砌塊路面的材料進(jìn)行了研究。劉衛(wèi)東等人［10］研究了混凝土預(yù)制塊路面快速修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)。上述研究主要針對(duì)永久性的預(yù)制塊路面結(jié)構(gòu)。

目前針對(duì)可循環(huán)利用的預(yù)制板硬化面研究較少，可循環(huán)利用的預(yù)制板硬化面施工速度快，投入使用時(shí)間短，工程結(jié)束后預(yù)制板可循環(huán)利用，能夠減少建筑垃圾的產(chǎn)生，具有廣闊的應(yīng)用前景。但在車輪荷載的長(zhǎng)期作用下會(huì)導(dǎo)致預(yù)制板底脫空，從而引起預(yù)制板的破壞。因此為保障預(yù)制板長(zhǎng)期循環(huán)使用，需要明確各因素對(duì)預(yù)制板受力的影響規(guī)律。

1 模型建立

采用有限元軟件建立預(yù)制板受力模型，考慮預(yù)制板底面完全脫空的最不利狀態(tài)，板四周邊緣底邊被完全約束，采用八節(jié)點(diǎn)六面體等參單元進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，預(yù)制板長(zhǎng)度和寬度方向劃分為40份，厚度方向劃分為5 份。荷載大小采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100 一側(cè)輪載，即50 kN，車輪荷載作用在預(yù)制板表面，作用面積為0.24 m×0.30 m，考慮2種工況：①車輪荷載作用在預(yù)制板中央；②車輪荷載作用在預(yù)制板邊緣中間位置。如圖1所示。

引起預(yù)制板破壞的原因?yàn)椋孩兕A(yù)制板底面完全脫空，荷載引起的最大沉降過(guò)大，在車輪荷載的反復(fù)作用下而引起預(yù)制板的破壞；②車輪荷載作用下在預(yù)制板中產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力或最大壓應(yīng)力，超過(guò)了預(yù)制板的允許最大拉應(yīng)力或最大壓應(yīng)力而使預(yù)制板發(fā)生破壞。因此在進(jìn)行分析時(shí)主要選擇預(yù)制板的最大沉降、最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力3個(gè)指標(biāo)。

圖1 車輪荷載作用下預(yù)制板受力計(jì)算模型Fig.1 Calculation Model of Precast Slab under Vehicle Load

2 影響因素分析

2.1 預(yù)制板厚度

預(yù)制板尺寸為2.4 m×2.4 m，采用C30 混凝土，厚度分別為0.12 m、0.16 m 和0.20 m 共3 種預(yù)制板厚度，車輪荷載作用在板中間和板邊緣中部時(shí)，預(yù)制板的最大沉降、最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力對(duì)比如圖2 所示。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車輪荷載作用在板中間時(shí)，隨著預(yù)制板厚度的增加，預(yù)制板的最大沉降、最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均減小，當(dāng)預(yù)制板厚度從0.12 m增至0.20 m，預(yù)制板的最大沉降從7.51×10-4m減小到了1.84×10-4m，減小了76%，最大拉應(yīng)力從0.76 MPa減小到了0.72 MPa，減小了約5%，而最大壓應(yīng)力從2.71 MPa減小到了1.39 MPa，減小了近50%。

當(dāng)車輪荷載作用在板邊緣中部時(shí)，從圖2 可知，預(yù)制板的最大沉降、最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均隨著預(yù)制板厚度的增加而減小，厚度從0.12 m增加到0.20 m，預(yù)制板的最大沉降從1.25×10-4m 減小到了3.27×10-5m，減小了73.8%，最大拉應(yīng)力從0.76 MPa 減小到了0.40 MPa，減小了26%，而最大壓應(yīng)力則從3.91 MPa 減小到了2.87 MPa，減小了47%。

當(dāng)車輪荷載作用在板中間和板邊緣中部時(shí)，路面板最大沉降、最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力的對(duì)比如圖2所示。當(dāng)預(yù)制板厚度一定，車輪荷載作用在預(yù)制板中間時(shí)，預(yù)制板的最大沉降和最大拉應(yīng)力均大于荷載作用在預(yù)制板邊緣中部的最大沉降和最大拉應(yīng)力，而最大壓應(yīng)力小于荷載作用在預(yù)制板邊緣中部的最大壓應(yīng)力，由于預(yù)制板抗拉強(qiáng)度小于抗壓強(qiáng)度，因此，當(dāng)預(yù)制板底完全脫空，荷載作用在預(yù)制板中間時(shí)，預(yù)制板更容易發(fā)生破壞。

2.2 預(yù)制板材料

預(yù)制板考慮采用C30、C40和C50共3種強(qiáng)度的混凝土，對(duì)應(yīng)的彈性模量分別為30.0 GPa、32.5 GPa 和34.5 GPa，預(yù)制板尺寸為2.4 m×2.4 m，厚度為0.2 m，當(dāng)車輪荷載作用在板中間和板邊緣中部，3 種彈性模量時(shí)預(yù)制板的最大沉降、最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力如圖3所示。

圖2 預(yù)制板的最大沉降、最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力隨預(yù)制板厚度的變化曲線Fig.2 Curve of Maximum Settlement，Maximum Tensile Stress and Maximum Compressive Stress with the Thickness of Precast

圖3 預(yù)制板的最大沉降、最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力隨預(yù)制板強(qiáng)度的變化曲線Fig.3 Curve of Maximum Settlement，Maximum Tensile Stress and Maximum Compressive Stress with Precast Slab Strength

從圖3 可知，車輪荷載作用在預(yù)制板中間和預(yù)制板邊緣中部時(shí)，預(yù)制板最大沉降、最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力隨預(yù)制板強(qiáng)度的變化曲線近似平行，預(yù)制板的最大沉降均隨著預(yù)制板彈性模量的增加而減小，彈性模量從30.0 GPa 增加到34.5 GPa，預(yù)制板的最大沉降均減小了13%。而2種工況時(shí)的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均不隨著預(yù)制板彈性模量的變化而變化。預(yù)制板的彈性模量一定，車輪荷載作用在預(yù)制板中間的最大沉降、最大拉應(yīng)力均大于車輪荷載作用在預(yù)制板邊緣中部的最大沉降和最大拉應(yīng)力，車輪荷載作用在預(yù)制板中間的最大沉降、最大拉應(yīng)力分別為車輪荷載作用在預(yù)制板邊緣中部的最大沉降和最大拉應(yīng)力的5.6倍和3.5 倍。而車輪荷載作用在預(yù)制板中間的最大壓應(yīng)力小于車輪荷載作用在預(yù)制板邊緣中部的最大壓應(yīng)力，前者約為后者的25%。

2.3 超載率

當(dāng)超載率為0%、50%和100%時(shí)，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)軸載一側(cè)車輪荷載分別為50 kN、75 kN和100 kN，3種車輪荷載作用在預(yù)制板中間和預(yù)制板邊緣中部，預(yù)制板尺寸為2.4 m×2.4 m，厚度為0.2 m，彈性模量為30 GPa時(shí)，預(yù)制板的最大沉降、最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力如圖4 所示。從圖4 可知，車輪荷載作用在預(yù)制板中間和預(yù)制板邊緣中部時(shí)預(yù)制板的最大沉降、最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均隨著超載率的增加線性增大，當(dāng)一側(cè)車輪荷載為75 kN 和100 kN 時(shí)預(yù)制板的最大沉降、最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別為一側(cè)車輪荷載為50 kN相應(yīng)值的1.5倍和2倍，因此為延長(zhǎng)預(yù)制板的使用壽命和周轉(zhuǎn)次數(shù)，應(yīng)限制超載率。

2.4 預(yù)制板尺寸

預(yù)制板厚度為20 cm，彈性模量為30 GPa，考慮3 種預(yù)制板尺寸，分別為2.4 m×1.8 m、2.4 m×2.4 m 和2.4 m×3.0 m，車輪荷載作用在預(yù)制板中間和預(yù)制板邊緣中部時(shí)最大沉降、最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力如表1所示。

表1 荷載作用在板中間和板邊緣時(shí)不同預(yù)制板尺寸的最大沉降和最大拉（壓）應(yīng)力Tab.1 Maximum Settlement and Maximum Tensile（Compressive）Stress of Different Precast Slab Sizes under Load in the Middle and the edge of Slab

圖4 預(yù)制板的最大沉降、最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力隨超載率的變化曲線Fig.4 Curve of Maximum Settlement，Maximum Tensile Stress and Maximum Compressive Stress with Overload Rate

荷載作用在預(yù)制板中間時(shí)，預(yù)制板的最大沉降和最大拉應(yīng)力隨著預(yù)制板尺寸的增加而增大，當(dāng)預(yù)制板尺寸為2.4 m×1.8 m時(shí)最大沉降和最大拉應(yīng)力均最小，其值分別為1.30×10-4m 和1.3 MPa，而當(dāng)預(yù)制板尺寸為2.4 m×3.0 m時(shí)最大沉降和最大拉應(yīng)力均最大，其值分別為2.65×10-4m和1.48 MPa，當(dāng)預(yù)制板尺寸為2.4 m×2.4 m 時(shí)最大沉降和最大拉應(yīng)力則位于兩者之間。預(yù)制板尺寸為2.4 m×2.4 m 時(shí)最大壓應(yīng)力小于預(yù)制板尺寸為2.4 m×1.8 m 和2.4 m×3.0 m 時(shí)的最大壓應(yīng)力，說(shuō)明當(dāng)預(yù)制板為方形時(shí)其在車輪荷載作用下的壓應(yīng)力最小。

荷載作用在預(yù)制板邊緣中部時(shí)，當(dāng)預(yù)制板尺寸為2.4 m×2.4 m 的最大沉降和最大拉應(yīng)力分別為0.33×10-4m 和0.40 MPa，其值均小于預(yù)制板尺寸為2.4 m×1.8 m 和2.4 m×3.0 m 的最大沉降和最大拉應(yīng)力，當(dāng)預(yù)制板尺寸為2.4 m×2.4 m 的最大壓應(yīng)力最大，其值為2.87 MPa，但其最大壓應(yīng)力值僅比2.4 m×1.8 m和2.4 m×3.0 m 的預(yù)制板的最大壓應(yīng)力大3%左右，考慮預(yù)制板拆裝和循環(huán)利用方便，可以忽略最大壓應(yīng)力的影響，應(yīng)優(yōu)先選用方形預(yù)制板。

3 結(jié)論

⑴預(yù)制板的最大沉降、最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均隨著預(yù)制板厚度的增加而減小；

⑵隨著預(yù)制板彈性模量的增加預(yù)制板的最大沉降減小，而最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力保持不變；

⑶隨著超載率的增加，預(yù)制板的最大沉降、最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力近似線性增大；

⑷預(yù)制板形狀為方形時(shí)，其受力較為有利，且使用時(shí)方便，因此施工場(chǎng)地裝配式硬化面應(yīng)優(yōu)先選用方形預(yù)制板；

⑸車輪荷載作用在預(yù)制板中間時(shí)其最大沉降和最大拉應(yīng)力較大，車輪荷載作用在預(yù)制板邊緣中部時(shí)其最大壓應(yīng)力較大。