传力杆对水泥混凝土路面的影响

李 磊

(山西省交通规划勘察设计院有限公司 太原市 030032)

为适应重载交通对高速公路路面的要求，采用水泥混凝土路面可以有效延长道路使用寿命，但由于水泥混凝土路面为刚性路面且路面荷载日趋增大，路面胀缩缝处应力较大，仅靠水泥混凝土材料的嵌锁作用传递荷载已经不能满足道路的使用要求，容易在胀缩缝处产生断裂、断板和错台现象，严重影响了高速公路的使用性能和寿命[1-2]。覃炳贤等[3]对设置了传力杆的水泥混凝土路面进行了实测分析，确定了传力杆对防治路面病害有积极作用，曹云龙、王端宜等[4]通过数据调查认为传力杆能够有效地传递荷载，过去的研究主要是依靠现场数据实测，并没有全面地分析接缝处设置传力杆对水泥混凝土路面的影响，因此，通过对某公路的水泥混凝土路面接缝传力杆设置进行有限元计算分析，得出传力杆对变荷载水泥混凝土路面的影响。

1 路面结构有限元模型建立

建立水泥混凝土路面结构有限元模型，其中一个模型路面接缝处设置传力杆，一个不设置传力杆做对比分析，分析传力杆对水泥混凝土路面的影响，在设置传力杆的道路结构模型中考虑不同荷载情况下，传力杆对水泥混凝土路面的影响。

在有限元模拟计算分析过程中，做以下假定：

(1)水泥混凝土路面结构下的地基满足文克勒地基模型。

(2)水泥混凝土材料为各向同性、连续且均匀的材料。

(3)水泥混凝土路面与地基之间的接触为完全连续，无脱空。

结合某公路的实际路面结构确定各部件物理及材料计算参数[5]见表1、表2。

表1 路面结构尺寸参数

注：传力杆之间间距0.3m，共计13根，两端埋置长度0.2m；接缝宽度0.01m

表2 各部件材料属性

注：传力杆横截面为圆形且直径为0.013m

该路面结构模型轮载作用在路面板中部，作用区域大小为18.6cm×19.6cm，两轮中心距12.8cm，采用BZZ-100,水泥混凝土路面结构未设置传力杆的如图1、设传力杆的如图2。

本计算案例主要讨论传力杆对水泥混凝土路面的影响，并不研究传力杆与水泥混凝土面板的接触问题，故传力杆与水泥混凝土之间采用嵌入约束；为提高计算精度与计算效率，非荷载区域的网格划分采用全局布种0.4，荷载作用区域长边为单精度个数6，宽边为单精度个数4；水泥混凝土路面板单元类型为二十结点二次六面体单元,减缩积分,传力杆单元类型为B31，边界条件主要限制传力杆X方向的转动。路面结构有限元模型及网格划分如图3。

将水泥混凝土路面分未设传力杆与设传力杆，分析应力与位移的变化，分析传力杆对路面结构的影响。

2 有无传力杆分析

将在接缝之间设传力杆与不设传力杆的水泥混凝土路面板的压应力与竖向位移的分析云图做对比，如图4～图7。

通过计算结果的云图可知，从整体上分析：当不设置传力杆时，水泥混凝土面板受车轮荷载时，压应力与竖向位移的变化只发生在受荷板一侧，未受荷板不受任何影响；当在两板接缝之间设置传力杆时，此时水泥混凝土面板在受到荷载时，不仅受荷板的压应力与竖向位移发生变化，未受荷板在传力杆的作用下，压应力与竖向位移也随着有一定的变化；当设置传力杆时应力最大值将出现在传力杆与混凝土接触的位置，且设置传力杆时荷载的影响范围相较于未设置传力杆时要小。

接下来从设置了传力杆路面板层底最大竖向压应力与位移的具体变化情况来分析。

水泥混凝土路面受荷板板底竖向位移随道路横断面的变化规律如图8。

从图8分析可知，在接缝处设传力杆时，受荷板一侧整体竖向位移明显减小，最大竖向位移位于轮载中心，有传力杆时竖向位移为-0.00024m，无传力杆时竖向位移为-0.00026m，有传力杆时受荷板侧最大竖向位移减小8%。

水泥混凝土路面未受荷板板底竖向位移随道路横断面的变化规律如图9。

通过前文的分析可知，在接缝处不设传力杆时相邻不受荷板无相关变化，通过图9也可印证此规律；当在接缝处布设传力杆时，相邻未受荷板明显发生竖向位移，最大竖向位移为0.00016m，说明传力杆能有很好的传力作用。

水泥混凝土路面受荷板侧设传力杆时与不设传力杆时的最大拉应力变化规律如图10。

在接缝处设传力杆时的面层底最大拉应力为0.56MPa，在接缝处不设传力杆时的面层底最大拉应力为0.64MPa，设传力杆时的拉应力比不设传力杆时的拉应力减少14%；由此表明设传力杆能够有效地传力，控制减小荷载作用影响范围。

水泥混凝土路面未受荷板侧，设传力杆时与不设传力杆时的最大压应力变化规律如图11。

在接缝处设传力杆时未受荷板的受荷区域层底最大压应力为0.3MPa，在接缝处不设传力杆时的最大压应力约为0MPa；由此表明在路面板接缝处设置传力杆之后，传力杆能够有效地传递车轮荷载，相邻未受荷板能够承受受荷板一侧所传递过来的轮载。

3 荷载对传力的影响

随着社会的发展，道路承担起更重的交通任务，超载现象时有发生，为研究水泥混凝土路面接缝处传力杆随着荷载的变化关系，设计了100kN、200kN、300kN、400kN的荷载。分析变荷载作用下传力杆对水泥混凝土路面的影响。

随着荷载的线性增加，由于水泥混凝土路面板被视作弹性材料，故层底竖向位移也表现为线性增长。

从图13分析可知，随着荷载以100kN递增，受荷板面层底部的压应力也随之增加，增长的规律与竖向位移情况一般一致，其背后的机理也相同。

随着荷载从100kN增长至400kN，由于传力杆的作用，明显可以看出相邻未受荷板也受到了来自荷载板所传递过来的荷载，且随着荷载的增加所分担的荷载也随之增加。

随着荷载的增加，相邻未受荷板层底压应力也逐渐增加，但层底压应力最大值并非发生在相对应的轮载相邻区域，而是发生在板角处，表面由于传力杆的作用，未受荷板受到传递过来的力，导致了板角翘曲。

图12～图15表明随着荷载的线性增加，受荷板水泥混凝土面层底部的竖向位移也线性增加，层底所受压应力也随着荷载的增加而增加；在相邻未受荷板侧，随着荷载的线性增加，未受荷板的层底竖向位移逐渐增加，为线性增长，未受荷板的层底压应力也线性增加。

4 结论

文章从水泥混凝土面板接缝处是否设置传力杆，通过建立模型对比分析得出以下结论。

(1)当路面板接缝处不设置传力杆时，相邻未受荷板基本不受任何影响，受荷板此时受轮载作用，受力影响范围较大、竖向位移较大、层底拉应力较大。

(2)当路面板接缝处设置传力杆时，受荷板竖向位移有所变化，此时竖向位移从-0.00053mm减少至-0.00048mm，减少了约10%的竖向位移；层底最大拉应力减小14%。相邻未受荷板区域，竖向位移由之前的0mm变化为-0.00033mm，此时层底最大拉应力为0.3MPa。

(3)在接缝处设置传力杆能够有效地传递荷载，减小单一面板竖向位移与层底最大拉应力以及荷载作用的影响范围。

(4)随着荷载的增大，水泥混凝土面板之间通过接缝处设置的传力杆，能够有效地传递荷载到相邻未受荷板，且通过传力杆到相邻未受荷板的力随着荷载的增加线性增加，竖向位移也线性增加。