传力杆设置形式对低等级水泥路面传荷的影响研究

羊金贤

(海南路桥工程有限公司 三亚 572000)

随着乡村振兴策略的迅速实施，农村经济快速发展，农村公路逐渐采用水泥混凝土路面形式，但由于农村经济的快速发展，以往的水泥混凝土路面标准及形式等级普遍较低，易出现错台、翘曲等公路病害问题，极大地加重了农村公路养护成本，且往往未设置传力杆，相邻板之间不能进行荷载传递。农村公路相对于传统高速公路有地质地形差异较大、施工大型机械无法进场质量无法保证、公路横断面窄的特点，为减少水泥混凝土路面在接缝处产生断裂、错台等现象，减少公路养护成本，推荐在农村公路结构中设置传力杆[1-3]。蒋应军等[4]认为温度对水泥混凝土路面传荷影响非常大，温度效应主要分为翘曲效应和胀缩效应两部分，胀缩效应一定程度上有助于缓解设传力杆路面翘曲变形。周德云等[5]选用道路常用的汽车荷载参数和路面结构参数，采用有限元法分析了轴载作用于纵缝和横缝边缘时的接缝传荷能力，并通过整理分析建立了挠度传荷系数与应力传荷系数的对应关系。杨斌[6]对桂柳高速公路混凝土路面接缝传荷能力进行了现场测试，采用有限元程序CPAP对混凝土路面板在不同荷载能力下弯拉应力及挠度进行了计算分析，得出保持接缝传荷能力可有效降低路面板弯拉应力，且挠度对防止混凝土路面断裂破坏具有重要作用的结论。

过去对传力杆的研究主要集中高速公路上，农村公路由于其有自身的特点，因此，按照农村公路尺寸及基本形式建立相应道路模型，以分析传力杆安装形式在农村公路中的效用。

1 水泥混凝土路面结构模型建立

以某水泥混凝土路面，建立水泥混凝土路面结构三维有限元模型。

在有限元模拟计算分析过程中，做以下假定：

1) 地基采用文克勒地基模型。

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。

轮载作用在水泥混凝土路面板中部，作用区域大小为18.6 cm×19.6 cm，2轮中心距12.8 cm。本文研究在横向缩缝处设置传力杆对路面传荷的影响，并不研究在胀缝处设置滑动传力杆以及在纵缝处设置拉杆对水泥混凝土路面的影响，传力杆布置位置及轮载作用区域见图1。

图1 传力杆布置位置及轮载作用区域

以传力杆直径为26 mm、间距为0.3 m为例，某公路路面结构尺寸见表1。

表1 路面结构尺寸参数

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，荷载区域的网格划2.5 cm×2.5 cm；水泥混凝土路面板单元类型为二十节点二次六面体单元，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，荷载采用BZZ-100；路面结构有限元模型及网格划分见图2。

图2 路面结构模型

水泥混凝土路面接缝传荷能力通常定义为接缝一侧直接承受荷载的混凝上板向另一侧间接承受荷载的板块进行荷载传递的能力。具体表征传荷能力的直接指标是接缝两侧所承受的位移或者荷载的比值[7]。即:

式中：α为接缝挠度传荷系数；U1为受荷板竖向位移，mm；U2为未受荷板竖向位移，mm。

2 计算结果分析

为研究传力杆安装形式对传荷的影响，对比传力杆分别在不同安装部位、角度、间距时，水泥混凝土路面传荷的影响规律。

2.1 安装角度对传荷的影响

研究传力杆在安装角度为0°，15°，30°，45°情况下，对水泥混凝土接缝处传荷的影响，安装形式见图3。

图3 传力杆安装角度示意图

通过模型计算结果分析并绘制出受荷板竖向位移、未受荷板竖向位移随安装角度的变化规律见图4、图5。

图4 受荷板侧竖向位移

由图4可见，随着传力杆弹性模量的增长，当传力杆安装角度由0°逐渐变化为45°时，受荷板侧竖向位移基本不受影响。

图5 未受荷板侧竖向位移

由图5可见，随着传力杆安装角度从0°变化为45°，未受荷板侧产生的竖向位移略微逐渐增加，表明未受荷板竖向位移受传力杆安装角度有一定的影响，但影响的程度较小。

经计算，挠度传荷系数随着传力杆安装角度从0°逐渐增加至45°，竖向传荷挠度系数分别对应为0.691，0.697，0.698，0.692，即随着传力安装角度的增加，传荷挠度系数基本不变，说明传力杆安装角度对结构受力影响不明显。

2.2 安装间距对传荷的影响

研究传力杆在不同间距情况下对水泥混凝土接缝处传荷的影响，设计传力杆布设间距从0.3，0.4 m增加至0.5 m。其中传力杆间距为0.3 m时，传力杆为13根。同样地，传力杆间距为0.4 m时，传力杆为11根；传力杆间距为0.5 m时，传力杆为9根。传力杆纵向以接缝为中心对称布置，竖向位于板厚的中部。

通过模型计算结果分析并绘制出受荷板竖向位移、未受荷板竖向位移随传力杆布设间距的变化规律见图6、图7。

图6 受荷板侧竖向位移

由图6可见，传力杆布设间距从0.3 m变化到0.5 m，受荷板侧最大竖向位移分别对应为0.239，0.242，0.244 mm，表明随着传力杆间距的逐渐增加，受荷板侧竖向位移逐渐增加，传力杆传力能力随着间距的加大而减弱。

图7 未受荷板侧竖向位移

由图7可见，传力杆布设间距从0.3 m变化到0.5 m，未受荷板侧产生的竖向位移逐渐降低，竖向位移分别为0.165，0.156，0.148 mm，该现象再次表明随着传力杆布设间距的增加，传力效果减弱。

经计算，当传力杆布设间距分别为0.3，0.4，0.5 m时，挠度传荷系数分别对应为0.69，0.64，0.60，表明随着传力杆布设间距的加大，传荷系数逐渐减小，基本呈线性变化。

2.3 安装部位对传荷的影响

为研究传力杆在不同布设位置对水泥混凝土接缝处传荷的影响，设计了如图8的布设方式。

图8 传力杆安装部位横断面示意图(单位：mm)

通过模型计算结果分析并绘制出受荷板竖向位移、未受荷板竖向位移随传力杆布设位置的变化规律，见图9、图10。

图9 受荷板侧竖向位移

由图9可见，传力杆布设在受荷板上部、中部、下部时，受荷板侧竖向位移相差不大，其竖向位移分别为0.236，0.239，0.236 mm，从结果中可以看出，在上部、下部对称布置时，受荷板侧产生的竖向位移相同，但在中部布设时，受荷板侧竖向位移相较于上、下布置，产生的位移明显增加。

图10 未受荷板侧竖向位移

由图10可见，传力杆在上部与下部布置时，未受荷板侧产生的竖向位移完全一致，最大竖向位移为0.159 mm。当传力杆布设位置为中部时，未受荷板侧的竖向位移与另外2种布设方式比较。明显增加，此时的最大竖向位移为0.165 mm。

经计算，传力杆在面板上部与下部对称布置时，挠度传荷系数均为0.676，在面板中部布设时，挠度传荷系数明显增加，此时为0.69，表明在中部布设传力杆能够更加有效地传递行车荷载。

3 结语

通过设置不同安装形式的传力杆，分析受荷板与未受荷板的竖向位移，以及挠度传荷系数得出以下结论。

1) 传力杆安装角度从平行于行车方向，逐渐增加至斜向45°，挠度传荷系数基本处于0.69，说明传力杆安装角度对混凝土面板间的传荷影响极小。

2) 传力杆安装间距0.3，0.4，0.5 m，随着安装间距的逐渐增加，传力杆密度减小，挠度传荷系数逐渐降低，表面传荷能力逐渐降低。故在设计过程中应在保证经济性的前提下，加大布设密度。

3) 当传力杆安装部位为上、中、下时，其中上、下布设为对称布置，上、下部位布设传力杆时，挠度传荷系数相同，表面传荷能力一致，当传力杆布设在中部时，挠度传荷系数明显增加，故在设计时应当将传力杆布设于混凝土面板中部。