传力杆直径对水泥混凝土路面传荷性能影响的数值分析

2012-10-16丘概新

黑龙江交通科技 2012年2期

丘概新

(广东省高速公路有限公司)

1 引言

水泥混凝土路面长期处于自然环境中，在大气温度周期性的变化下会产生温度变形。倘若这种变形受到约束，将会成为板内应力，当板内应力超出容许范围时，板即产生不规则裂缝，被挤压碎，甚至隆起。为了消除温度引起的内应力，需要用纵向和横向各种形式的接缝将道面分割开来。

普通水泥混凝土路面设置切缝的目的是避免温度变化引起的不规则开裂。然而，接缝的设置又破坏了结构的整体性，反而成为路面中的薄弱环节。因此，《公路水泥混凝土路面施工技术规范》(JTG F30-2003)规定，特重、重交通高速公路水泥混凝土路面应采用每条缩缝插传力杆的结构形式。实践表明，接缝插传力杆可以有效地提高接缝传荷能力，并减小错台量，改善行车舒适性;同时，由于传力杆和拉杆能够将车轮荷载向四周的板块进行传递，减小了直接承受轮载作用面板的内应力，因此使面板的疲劳应力强度比有所降低，使用寿命可提高3年以上;又由于板角传力杆与拉杆的存在，提高了板角对脱空断裂的抵抗能力。

我国对传力杆的研究工作较少，传力杆的设计还需要进一步完善。如传力杆的适宜直径如何设计，直径过小，不能有效地传递荷载;直径过大，采用传力杆自动插入法施工时，会影响接缝部位的施工质量，并直接导致路面平整度变差。因此，我国学术界有两个截然不同的观点:一个观点从提高水泥混凝土路面平整度的角度，认为现有规范的传力杆直径过粗，应该采用较细的传力杆直径;另外一个观点从减少面板错台的角度，认为需采用比现有规范推荐传力杆直径更粗的传力杆。采用合适的传力杆直径对于提高高速公路水泥混凝土路面工程质量和延长路面寿命具有重要意义。因此，建立水泥混凝土路面的有限元模型，采用刚性路面分析程序KENSLABS研究传力杆直径和间距对路面传荷性能的影响。

2 传力杆直径对路面传荷性能影响的数值分析

2.1 建立有限元模型

采用黄仰贤教授编写的刚性路面分析程序KENSLABS分析传力杆尺寸对路面力学性能，并根据某高速公路的路面结构建立有限元模型。面板长5 m，宽4.5 m，弹性模量为3.1 GPa，泊松比为0.15。基层厚度17 cm，弹性模量为1 300 MPa，底基层厚度为17 cm，弹性模量为600 MPa，路基弹性模量为40 MPa，各结构层泊松比为0.4，根据《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2002)可得到基层顶部当量回弹模量为198 MPa。标准轴载100 kN荷载作用在板边。接缝处设置传力杆，接缝宽为3 mm。传力杆间距为30 cm，假定板和基层间无空隙。面板有限元网格可见图1。

2.2 不同传力杆直径对传荷效率的影响

根据数值分析可知，当标准轴载作用在板边接缝边缘时的位移是最大的。因此，分析采用不同直径传力杆，受荷板和未受荷板接缝边缘的弯沉差和接缝传荷系数，计算结果可见表1，接缝传荷系数计算公式如下

式中:wu为未受荷板接缝边缘处的弯沉值;wl为受荷板接缝边缘处的弯沉值。

图1 水泥路面的有限元网格

由表1可见，水泥混凝土面层弯沉差随着传力杆直径的增大而呈现减小趋势。传力杆直径小于38 mm时，随着传力杆直径增大，面板缩缝的传荷能力有了明显的提高，相邻两块板之间的沉降差减少，可以有效地减少路面的错台和断板现象。传力杆直径大于和等于38 mm时，面板的沉降差和传荷系数减少的趋势减缓，传荷系数大于80%，由表2可知，传荷能力可达到优良等级。

表1 不同直径传力杆对传荷效率影响 mm

表2 接缝的传荷能力分级标准

2.3 不同传力杆间距对传荷效率的影响

假定传力杆直径为35 mm和30 mm，分析不同传力杆间距对传荷系数的影响。由表3和表4可知:随着传力杆间距的减少，面板缩缝的传荷能力有了明显的提高，相邻两块板之间的沉降差减少。传力杆直径为30 mm，间距为250 mm与传力杆直径为35 mm，间距为300 mm的传荷系数和沉降差都非常接近。这说明减少传力杆间距可以有效提高接缝的传荷能力，减少错台和断板病害。