重载交通下CTCP-CRCP复合路面振动试验研究

郭 超， 陆 征 然＊2， 侯 世 伟， 于 红 梅

（1.沈阳建筑大学 土木工程学院，辽宁 沈阳 110168；2.沈阳建筑大学 管理学院，辽宁 沈阳 110168）

0 引 言

国内外众多学者都将路面简化为作用在基层上的弹性地基梁，基于质点系统动力学微分方程，建立车辆-路面-路基振动体系平衡方程［1－3］.然后，通过微分变换求解车辆荷载作用下路面随机动力响应及其可靠性［4］，并在此过程中利用数值模拟仿真技术补充上述理论计算中的不足［5］.在理论分析的基础上，为了实现对水泥路面服役状态快速无损的检测评价分析［6］，应用车辆的悬挂系统对路面不同平整度的动力反应［7］，间接实现测试路面振动响应的试验研究［8］.同时，还利用原位振动监测技术［9］、微地震技术［10］，监测车辆荷载作用下路面体系中弹性波的传播特性［11－12］，进而获得路面动力响应特性［13］.此外，通过测试随机车辆荷载激励下的路面加速度幅值，以达到预测车辆荷载等级的目的［14－15］.然而，对于复合路面结构在不同重载车辆作用下的加速度反应现场测试并不多见.

本文针对不同重载尤其是严重超载车辆冲击作用下，“三明治”式复合路面结构中各层路面板的加速度反应进行现场测试，并对沥青砂应力吸收层的应力吸收能力进行探讨，以期为复合路面在重载交通尤其是严重超载路段中的结构设计提供参考.

1 试验路面工程概况

为了准确获得复合路面各结构层振动特性，本次研究选择在辽宁省营口市岫水线路面大修工程中设置“三明治”式复合路面结构试验段.

岫水线为连接大石桥市铝镁矿区与营口港区码头的主要干道，属于典型的重载交通路段，而且当地采用高压轮胎的超载现象客观存在.此种超载已经远超出了现有路面设计的范畴.因此，需要探索一种适合重载交通实际工程情况的路面结构.基于上述原因，本试验段选择了“三明治”式复合路面结构作为重载交通的试验路面结构.

本次研究的“三明治”式复合路面结构主要由如下3部分组成：斜向交叉缓黏结预应力混凝土上面板（CTCP）、沥青砂（AS）应力吸收层、连续配筋混凝土下面板（CRCP）.其中，CTCP能够充分发挥保证路面连续、减少温缩缝的优势；AS应力吸收层则能有效地吸收重载车辆的冲击作用；CRCP具有强度高的特性，可以抵抗重载交通下的车辆荷载作用，相应的复合路面结构如图1所示，预应力筋及端部钢筋网平面布置如图2所示.

图1 CTCP-CRCP复合路面结构Fig.1 Structure of CTCP-CRCP composite pavement

图2 预应力筋及端部钢筋网布置Fig.2 Prestressing tendons and end mesh reinforcement distribution

此复合路面结构采用C35商品混凝土进行现场浇筑.其中，CTCP连续长度150m、宽6m、厚0.18m，在板中心层面处设置直径15.2mm、间距0.8m，极限抗拉强度1 860MPa并与线路纵向交叉角度为30°的斜向交叉缓黏结预应力钢筋网，所用路面材料参数如表1所示.

表1 路面材料参数Tab.1 Parameters of pavement material

CTCP中采用缓黏结剂涂敷和高密度聚乙烯护套包裹的预应力钢绞线.通过调整缓黏结剂配合比，可以控制其凝固时间，进而实现缓黏结的功能.当缓黏结剂未凝固时，钢绞线能够在护套内移动，此时相当于无黏结预应力筋，应进行初次张拉；当缓黏结剂凝固后，钢绞线与护套黏结在一起，且护套与混凝土浇筑成整体，此时就相当于有黏结预应力筋.

利用缓黏结预应力筋具备的无黏结与有黏结预应力筋的双重优势，将其应用到水泥混凝土路面中，并通过分阶段张拉预应力筋的方法以实现无黏结向有黏结的转换，具体实施过程如下：

首先，当混凝土强度达到5MPa，缓黏结剂保持液态，张拉预应力筋至极限抗拉强度的30%，防止路面温度收缩裂缝；然后，当混凝土强度达到16.7MPa，缓黏结剂固化前，张拉预应力筋到极限抗拉强度的75%，抵抗路面板内的温度应力；最后，当缓黏结剂固化后，预应力钢绞线通过护套与混凝土路面实现有效黏结成为有黏结预应力路面.

CRCP为每节10m、宽6m、厚0.18m的双向配筋混凝土板.上下面板间设置2cm AS应力吸收层.下部为0.60m水泥稳定碎石基层CSMB.

2 试验路面振动监测原理

上述“三明治”式复合路面结构为在重载交通下的首次应用，因此，需要探索其在重载车辆冲击作用下的工作性能.引起重载车辆振动的原因主要有车辆自身振动、路面不平整造成的车辆振动、车辆-路面耦合而产生的振动.重载车辆的振动作为路面振动的外部激励，将进一步引起路面各结构层的振动，并且，这些振动将在路面结构层内部形成弹性波.然而，这类弹性波的频率较低，属于低频振动，采集到的信号频带较窄，而高频分量则在向地层深部的传播过程中发生衰减.

为了测量重载车辆在复合路面中引起的冲击作用，利用预先埋设在CTCP、CRCP内的加速度计记录各结构层在不同轴载激励下的全时加速度反应谱.引入CTCP与CRCP加速度比值作为AS应力吸收层的应力吸收因数，通过概率统计分析，以反映其应力吸收能力的强弱.

3 试验路面振动测试

3.1 测试仪器

试验中的加速度计为秦皇岛市协力科技开发有限公司研制的YD301电压输出型（IEPE）单轴向加速度传感器，灵敏度1V／（m·s－2），频率0.1～500Hz，测 量 范 围 5m·s－2，分 辨 率0.000 03m·s－2，尺寸30mm×32mm.加速度信号采集分析仪采用江苏东华测试技术股份有限公司生产的DH8301高性能动态信号采集测试分析系统，其采样频率为80Hz.

3.2 测试过程

为了使加速度计的测量位置处于重载车辆轴载作用的中心部位，同时保证重载车辆通过测量位置处不会导致路面局部破坏，在试验路面中心车道投影处埋入加速度计及其保护装置，包括加速度计保护盒、数据线防护钢管等.将加速度计数据线通过防护钢管引到浇筑路面混凝土模板外侧的线缆井中.为提高测试成功率，在同一路面内分别埋设两组加速度计.车辆荷载激励下的路面加速度采集测试系统包括动态数据采集仪、220V配电箱、电脑等.试验过程中，采用115型重载卡车作为标准试验车，并且通过调整车载矿粉体积来实现100、200、300kN的不同轴载作用.

4 试验数据处理与分析

图3 100kN时频曲线Fig.3 TF curve under 100kN

复合路面中各结构层在40km／h的重载车辆作用下，加速度全时波形及通过对其进行傅里叶变换得到的频率曲线如图3～5所示.由图3可知：在100kN标准轴载作用下，CTCP与CRCP加速度最大峰值分别为0.022、0.010m·s－2，路面板加速度时程曲线与相位相关.振动主频分布在7～15Hz，傅里叶变换幅值分别为1.2、0.4.

由图4可知：在200kN超标准轴载作用下，CTCP与CRCP加速度最大峰值分别为0.039、0.015m·s－2，路面板加速度时程曲线与相位相关.振动主频分布在5～15Hz，傅里叶变换幅值分别为0.70、0.10.由图5可知：在300kN超标准轴载作用下，CTCP与CRCP加速度最大峰值分别为0.059、0.025m·s－2，路面板加速度时程曲线与相位相关.振动主频分布在2～23Hz，傅里叶变换幅值分别为0.42、0.16.

图4 200kN时频曲线Fig.4 TF curve under 200kN

图5 300kN时频曲线Fig.5 TF curve under 300kN

以上3种轴载作用下复合路面结构中CTCP、CRCP的加速度及傅里叶变换幅值测试结果如图6所示.随着轴载从100kN增加到300kN，CTCP的加速度从0.022m·s－2增加到0.059 m·s－2，傅里叶变换幅值从1.2下降到0.42；CRCP的加速度从0.010m·s－2增加到0.025 m·s－2，傅里叶变换幅值从0.4下降到0.16.

图6 加速度／傅里叶变换幅值随轴载变化曲线Fig.6 Curves of acceleration and Fourier transformation amplitude with axle load

将CTCP与CRCP加速度比值定义为AS应力吸收层的应力吸收因数α，并对其统计分析，结果如图7所示.从图中可以看出，在100、200、300 kN轴载作用下，α分别服从LN（3.15，0.040）、LN（3.38，0.0.038）、LN（3.46，0.041）的对数正态分布，应力吸收因数α均值随着车辆轴载的增大而有少量增加，可取为3.38.

图7 CTCP与CRCP加速度比值Fig.7 Ratio of CTCP and CRCP accelerations

5 结 论

（1）随着车辆轴载的增加，复合路面结构的加速度幅值呈现非线性增长的趋势，而且CTCP的加速度增长更为显著，重载车辆将引起复合路面结构的大幅振动，从而使路面结构进入加速破坏阶段.

（2）随着车辆轴载的增加，复合路面结构的加速度时程曲线的傅里叶变换幅值呈现非线性减小的趋势，这从频谱特征上进一步说明了复合路面结构受车辆荷载激励影响的频率范围越来越大，路面结构与重载车辆更容易发生共振.

（3）复合路面结构中AS应力吸收层能够有效降低重载车辆对于CRCP的冲击作用，从而进一步缓解对基层、土基等结构层的破坏作用，所以“三明治”式复合路面结构可以在重载交通中发挥重要作用.