多孔钢筋混凝土植被路面承载能力研究

2012-10-15杨大峰

河南科技大学学报(自然科学版) 2012年3期

杨大峰，赵振，张伟

(1.总参工程兵科研三所，河南洛阳471023;2.河南科技大学规划与建筑工程学院，河南洛阳471003)

0 前言

在强调可持续发展的今天，人们环保意识也在不断加强，多孔植被混凝土正是应生态环保要求而产生的新兴产物。多孔植被混凝土主要运用于人行道、停车场、公园、轻量级车道及各种体育场地的道路和路面铺装，多孔植被混凝土可以使雨水迅速渗入地表，对土壤水和地下水进行补给，同时，路面上的植物还能起到蓄水功能，有利于改善人们的生存环境［1-3］。

目前，国内外对可生长植被的混凝土的研究主要集中在边坡和河堤的固土、护坡、绿化的方向上，通常其抗压强度、耐久性等性能指标不高，对车辆碾压性、耐践踏性等考虑不足。因此，需要从力学上分析研究植被路面的承载能力［4-6］。本文采用有限元软件ANSYS对植被混凝土路面结构进行有限元计算分析，从而得到了在车载作用下路面结构的承载能力，为该植被混凝土的结构设计提供参考借鉴。

1 有限单元法计算

1.1 荷载取值

车辆正常行驶时，路面主要承受车辆的重力和摩擦力，以黄河汽车JN1171/127(JN162)为例，满载时总重180 kN。车辆后轴总重117 kN，取值为120 kN。后轴分左右两侧，每侧两轮，共有4轮，每侧两轮承重为60 kN。汽车行走时与干燥混凝土路面的摩擦因数一般为0.6～0.8，考虑到植草混凝土路面的摩擦因数比干燥混凝土路面低，本次计算时摩擦因数取0.4，即每侧两轮对地面的水平向作用力为24 kN。

表1 不同载重汽车对地面作用力

根据《公路桥涵设计规范》，每侧车轮与地面接触面积为0.6 m×0.2 m。而车轮的荷载仅有接触面内的混凝土小柱子承担，其接触总面积为0.053 m2，可求出单侧两轮对地面的竖向压力近似取值为1.1 MPa。采用同样的方法，可求得载重为150 kN、130 kN的车辆对地面的压力与摩擦力。不同载重汽车对地面作用力见表1。

1.2 单元的选取及材料选择

本文有限元分析用组合式模型，用Solid65单元模拟混凝土，用Solid45单元模拟垫层，采用钢筋均匀分布在底层50 mm厚的混凝土中，以直径20 mm钢筋为例，在底层混凝土时常数设置中设钢筋混凝土的体积率为0.05，由于配筋角THETA为90°和0°方向各设置一组用Link8模拟的钢筋，两组钢筋的PHI均为 0°［7-8］。

查得混凝土的材料属性:C30混凝土弹性模量为30 GPa，混凝土的泊松比为0.2［9］，裂缝张开剪力传递系数设为0.35，裂缝闭合剪力传递系数设为1，单轴抗压强度设为-1，即取消混凝土压碎模拟。钢筋的弹性模量取201 GPa，泊松比取0.3。垫层泊松比取0.35。

通过一系列布尔操作，建立有限元模型，根据计算精度要求，模型总共划分为12 506个单元，8 705个节点。模型见图1。

1.3 约束与荷载

对于植被混凝土垫层的底面施加x，y，z方向约束，在对称位置设置对称约束，另两个侧面约束其法相位移。由于采用1/4模型计算，所以只取3个凸台加载，在凸台的端面上施加均匀压力，同时在端面所在的节点上施加集中力。

1.4 结果及分析

通过计算发现:结构最薄弱环节出现在混凝土底层与垫层的接触位置，混凝土凸台不会最先破坏，在结构优化时可以考虑加强混凝土的底部结构设计，而不需要在混凝土凸台内设置竖向钢筋。

1.4.1 不同垫层弹性模量对结构的承载力影响

垫层弹性模量不同，结构的承载力不同。分别选取130 kN、150 kN、180 kN车辆载重，在未配置钢筋的情况下，结构最大裂缝宽度与垫层弹性模量之间的关系如图2所示。从图2中可以看出:垫层弹性模量越大，结构的最大裂缝宽度越小。提高垫层的弹性模量，可以提高结构的承载力，因此在设计与施工时应注重垫层的材料选择，尽量选择一些弹性模量较大的碎石、卵石做垫层，同时保证压实度。混凝土为带裂缝工作构件，根据《公路桥涵设计规范》，混凝土构件的裂缝限值为0.2 mm。通过图2还可以看出:在不设置钢筋时，130 kN车辆可以正常通过，提高垫层弹性模量，150 kN车辆也能正常通过。

1.4.2 垫层厚度对结构承载力的影响

垫层厚度模量不同，结构的承载力不同。分别选取130 kN、150 kN、180 kN车辆载重，在未配置钢筋的情况下，其最大裂缝宽度随垫层厚度之间的关系如图3所示。从图3中可以看出:垫层厚度越大，结构的最大裂缝宽度越小。因此，提高垫层的厚度，能显著提高结构的承载能力。

图1 植被混凝土有限元模型

图2 垫层弹性模量与承载力关系

图3 垫层厚度与承载力关系

1.4.3 钢筋对结构承载力的影响

结构配筋不同，结构的承载能力不同。分别选取130 kN、150 kN、180 kN车辆载重，在垫层弹性模量为1 GPa情况下，其最大裂缝宽度与结构配筋率之间的关系如图4所示。从图4中可以看出:钢筋直径越大，结构的最大裂缝宽度越小。提高结构的配筋率对结构承载力影响较大，但是，提高配筋率将大大提高工程成本，因此，实际工程应用中，应综合平衡原则选择一个既能满足工程要求又经济合理的配筋率。

混凝土是带裂缝工作的，根据《公路桥涵设计规范》，混凝土构件的裂缝限值为0.2 mm。通过图4可以看出:在不设置钢筋时，130 kN车辆可以正常通过;提高结构配筋率，150 kN车辆也能正常通过;当选用直径22 mm的钢筋作为配筋时，可以满足180 kN车辆通行。

2 结论

(1)结构的薄弱环节出现在底层混凝土与垫层接触的位置，混凝土凸台不会最先破坏。下次进行结构优化时，可以加强底层混凝土的承载能力。

(2)垫层对该结构的影响较大，提高垫层的弹性模量及垫层厚度能大大提高结构的承载能力。

(3)内部配置钢筋对结构的承载力影响较大，提高配筋率能提高路面的承载能力，但是，提高配筋率会提高路面的成本。设计时，应综合考虑，选择合适的配筋率。

(4)ANSYS软件可以方便的计算出植被路面的受力状况，是路面结构分析中一种理想的分析软件。本次计算忽略了土体对结构的影响，下一步计算，把土壤约束作用考虑进去，计算将更贴近实际情况。另外，在实际工程中，山地路面很大一部分为斜坡，受车辆碾压时，植草混凝土结构受力形式将发生很大的改变，这有待进一步研究来解决。