装配式水泥混凝土路面圆企口应力应变响应

严秋荣，彭齐腾

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067;2.重庆交通大学 土木工程学院,重庆 400074)

装配式水泥混凝土路面圆企口应力应变响应

严秋荣1，彭齐腾2

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067;2.重庆交通大学 土木工程学院,重庆 400074)

采用数值分析手段，对标准轴载作用下跨矢比的变化引起的圆企口装配式水泥混凝土路面企口缝处的应力应变响应情况进行了分析。研究表明:不同跨矢比对应不同构造板块的受力性能各不相同，较大跨矢比有利于凸板受力，较小跨矢比有利于凹板受力；不同跨矢比对应接缝挠度变形及传荷能力影响明显，跨矢比为2.5时，企口缝处于最不利受力状态，跨矢比为3.5时，企口缝传荷能力最好。选择合理跨矢比有利于防止企口缝早期破坏，延长路面使用寿命。

道路工程；企口缝；数值分析；跨矢比；传荷系数

水泥混凝土路面是采用混凝土作为面层材料的一种路面结构，这种路面具有强度高、稳定性好、耐久性好、养护费用低、交通安全性高等特点[1]，被广泛运用于城市道路、机场跑道及施工便道。然而，在长期使用过程中，水泥混凝土路面容易产生贯穿裂缝、大面积破碎板、接缝损坏等严重病害，极大地影响了路面功能的发挥。目前装配式水泥混凝土路面具有施工方便、可承受重荷载、快速开放交通、可重复利用等优点，被应用于水泥混凝土路面的快速修复及施工临时道路的修建，收到了较好的环境效益与经济效益[2-7]。笔者通过数值模拟的手段，对装配式水泥混凝土路面圆形企口缝的力学行为进行探讨，为装配式水泥混凝土路面应用提供一定理论参考。

1 研究思路

笔者主要借助数值模拟分析的方法，分析圆企口单板、双板两种加载工况下板块的应力应变特性，同时对不同跨矢比企口缝传荷能力进行评定。

1.1 计算参数及模型建立

计算参数如下：板块厚取0.2 m，弹性模量取3×104MPa,泊松比取0.15，荷载取标准轴载BZZ-100 kN。建立尺寸为1.0 m×1.0 m×0.2 m路面板块模型，如图1。

图1 路面板块模型Fig. 1 Model of road plate

1.2 加载方式及加载位置

利用标准轴载加载于板块纵缝边缘中部,计算标准轴载下不同跨矢比企口缝处应力应变状态。

1.3 分析工况

拟定5种跨矢比：2.0、2.5、3.0、3.5、4.0。路面板块分为凸榫板及凹槽板，由于构造差异，需分别加载分析其应力应变状态。双板模型加载下，分析企口缝受力及传荷性能。

本次模型不考虑配筋设计[8]，且不设传力杆。跨矢比指的是板块企口跨径与矢高的比值，具体如图2，图中a表示圆企口跨径，b表示圆企口矢高，跨矢比表示a与b的比值。

图2 企口缝剖面示意(单位：cm)Fig. 2 Profile of tongue and groove joints

接缝的传荷能力定义为混凝土路面板接缝所具有的、将车轮荷载由接缝一侧直接承受的板块向接缝另一侧非直接承受荷载的板块进行传递的能力。表征传荷能力的直接指标应是接缝两侧所承受荷载的比值。但是由于荷载分配的实际情况难以直接测得，一般采用间接指标反映其传荷能力，通常使用的有挠度法和应变法[9-10]。

1)用挠度比确定路面板块的传荷能力，具体定义为

(1)

式中：W1为受荷板边挠度；W2为未受荷板边挠度。

2)用应变比确定混凝土板块的传荷能力，具体定义为

(2)

式中：σ1为受荷板边应变；σ2为未受荷板边应变。

2 计算结果分析

计算单板时，企口缝凸榫及凹槽由于构造差异，有着不同的受力特性，因此有必要对凸榫及凹槽板块分别加载，分析两种路面板块的受力状况。双板应力分析时，针对企口缝榫头及凹槽的受力状况与传荷能力评定，分析跨矢比对双板模型的受力影响及传荷能力影响。

2.1 单板应力分析

对凹板及凸板，分别以标准轴载加载于板块纵缝边缘中部，通过改变跨矢比，计算标准轴载下企口缝最大应力、应变情况，结果如图3。以σzmax表示拉应力σz(横向，下同)的最大值，以σymax表示拉应力σy(竖直方向，下同)的最大值，以σxmax表示拉应力σx(纵向，下同)的最大值。

图3 企口缝最大应力、应变Fig. 3 Maximum stress and strain of tongue and groove joints

由图3(a)～图3(c)可知，单板模型凹板侧加载，不同跨矢比对应路面接缝处的σzmax、σymax以及σxmax分布规律几近相同。各向拉应力均随板块跨矢比增大而增大，在跨矢比为3.5时凹板各向均产生最不利拉应力。继而随跨矢比增大拉应力降低且降幅明显，跨矢比为4.0时，板块的受力状况较为有利。

由图3(d)～图3(f)可知，单板模型凸板侧加载，不同跨矢比板块所受各向拉应力分布规律也几近相似。跨矢比为2.5时，凸板各向均产生最大拉应力。继而随跨矢比增大，各向拉应力基本呈下降趋势。与凹板侧加载相同，在跨矢比为4.0时板块各向拉应力均为最小，此时凸板的受力状况最为良好。

2.2 单板位移分析

单板模型Y向位移变化情况见图4。

图4 单板模型Y向位移变化Fig. 4 Y-displacement change of single plate model

由图4可见，单板模型凸板加载及凹板加载下，板块位移在跨矢比为2.0到2.5时均发生突变，表现为陡增趋势，可见跨矢比为2.5时，企口缝受力处于不利状态。继跨矢比2.5以后，凹板模型加载下，凹板竖向位移随跨矢比增大而增大。凸板模型加载下，位移随跨矢比增大而减小。由此可见，相同加载工况下，较大跨矢比不利于凹板侧受力。以上分析可知，凸板及凹板有着不同的受力特性。

2.3 双板应力分析

选取跨矢比为2.0的双板模型凸板侧加载模型，如图5。

图5 双板模型板底应力分布Fig. 5 Stress distribution at plate bottom of double plate model

由图5可见，路面板最不利拉应力均出现在板底，表现为板底受拉。企口缝凸榫及凹槽受拉状况良好，不易产生受拉破坏。由此可以推测,与普通水泥混凝土路面相同，板底受到较大拉应力,易导致路面出现纵向裂缝[11],同时易导致企口缝被拉宽[12]。

2.4 传荷性能分析

由于挠度比相对于应变比更能准确地测量，易于直观地反映出企口缝的传荷能力，因此采用挠度法计算接缝传荷系数，以此评定企口缝的传荷能力。计算结果如图6及图7。由图6可以看到，标准轴载加载下，挠度变形主要集中在路面板块接缝的凸榫及凹槽附近。且前述单板位移分析可知，凸榫及凹槽板块挠度变形分布不一。该计算结果与有关文献[12]给出的挠度变形分布情况一致。由此可见，企口缝作为应力集中处，也最容易产生挠度变形。因此接缝能否将荷载均匀传递给相邻板块承担显得极其重要。选择合理的跨矢比能够有利于企口缝的受力,有效改善企口缝的挠度变形。由图7可以看到，板块的传荷系数随板块跨矢比增大呈陡增或陡降趋势，可见跨矢比对板块的传荷能力影响明显。在跨矢比为3.5时，接缝的传荷系数最小，表明此尺寸下板块的传荷能力最弱，承受过重荷载时，板块接缝易产生应力集中发生损坏。跨矢比为2.0时，板块的传荷系数最大，表明此尺寸下板块的传荷能力最好，荷载均匀传递给相邻板块承担，可有效降低接缝损坏。

图6 圆企口双板模型凸板侧加载位移云图Fig. 6 Load displacement contours at convex side of double plate model with circular tongue and groove joints

图7 Y向位移对应传荷系数Fig. 7 Load transfer coefficient of Y-displacement

3 结 论

通过对圆企口装配式水泥混凝土路面板块数值模拟分析，得到如下结论：

1)单板模型加载下，企口缝跨矢比为4.0时，板块所受各向拉应力相对较小，板块状况受力良好，跨矢比为3.5时，板块受拉均出现各向最不利拉应力，此跨矢比受力状况不良。

2)由单板模型位移变化趋势可以看出，相同加载工况下，凹板更易产生较大位移变形，受力状况更为不利。且在跨矢比为2.5时尤为明显。对应跨矢比为2.5时企口缝传荷系数较低，可见跨矢比2.5不利于企口缝受力。

3)双板模型加载下，可以看到板块均为板底受拉，且受拉区域均为路面横缝、纵向接缝及角隅附近。可见路面接缝及角隅均为路面板块薄弱区，有必要时可设置抗拉钢筋，增强其抗拉性能，延长路面使用寿命。

4)利用传荷系数表征路面传荷能力可以看出，跨矢比对路面传荷能力影响明显。跨矢比为3.5时，路面传荷能力最弱，板块接缝容易产生应力集中发生破坏。在跨矢比2.0下，板块的传荷系数最大，表明此尺寸下企口缝的传荷能力最好，荷载均匀传递给相邻板块承担，可避免接缝过早发生损坏。

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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

严秋荣(1978—)，男，福建仙游人，副研究员，博士，主要从事公路路基路面科研及检测方面的研究。E-mail：43112443@qq.com。

U416.216;TV641

A

1674-0696(2017)11-028-05

(责任编辑：谭绪凯)