传力杆材料属性对水泥混凝土路面传荷的影响研究

周庆平

（山西省临汾市交通勘察设计院，山西 临汾 041000）

随着我国交通建设事业的快速发展，尽管水泥混凝土路面使用越来越少，但随着乡村振兴策略的迅速实施，农村经济快速发展，逐步开展水泥路面修筑。为适应重载交通对水泥路面的要求，在水泥混凝土路面胀缝与缩缝处设置传力杆，减少水泥混凝土路面在接缝处产生断裂、错台等现象，加强相邻板之间荷载传递，延长路面使用寿命[1-4]。蒋应军[5]等得到结论为设传力杆接缝传荷能力受温度变化影响比较大，温度效应包括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。张军等[6]提出重载交通情况下采用缩缝传力杆是非常必要的。锁利军[7]等通过建立三维有限元模型得到当接缝设传力杆时，混凝土面层计算点荷载应力和弯沉差明显小于无传力杆时。过去对传力杆的研究主要集中在传力是否有效上，并没有全面地分析接缝处设置传力杆材料本身属性对水泥混凝土路面的影响，很少有针对低等级公路进行单独分析研究，因此，通过对某低等级水泥混凝土路面接缝传力杆在不同材料参数下进行分析，得出传力杆材料参数对变荷载水泥混凝土路面的影响。

1 水泥混凝土路面结构模型建立

建立水泥混凝土路面结构三维有限元模型，分析传力杆的弹性模量、横截面半径、长度对水泥混凝土路面传荷的影响。

有限元模拟计算分析时，做以下假定：

a）地基采用文克勒地基模型。

b）水泥混凝土材料为各向同性、连续且均匀的材料。

c）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尺寸见表1。

表1 路面结构尺寸参数

荷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，两轮中心距12.8 cm，采用标准轴载BZZ-100作为荷载，水泥混凝土路面结构示意如图1。

图1 路面结构模型（单位：m）

传力杆与水泥混凝土之间采用嵌入约束，路面结构有限元模型及网格划分如图2。

图2 路面结构有限元模型

传荷挠度系数定义为：

网格划分，整体采用全局布种，在轮载作用区域，为提高计算精度，采用单精度形式。

2 计算结果分析

2.1 传力杆弹性模量对传荷的影响

研究传力杆在不同弹性模量情况下，对水泥混凝土接缝处传荷的影响，传力杆工况见表2。

表2 传力杆工况（不同弹性模量）

通过分析绘制出受荷板竖向位移，未受荷板竖向位移，传荷挠度系数随弹性模量的变化规律如图3。

图3 不同弹性模量下的受荷板侧竖向位移

通过对图3的分析，可看出，随着传力杆弹性模量的增加，竖向位移逐渐减小，但3种传力杆弹性模量下的受荷板最大竖向位移差异极小，表明传力杆弹性模量的变化对受荷板一侧的竖向位移影响极小。

图4 不同弹性模量下的未受荷板侧竖向位移

通过对图4的分析，随着传力杆弹性模量从0.1 GPa增加至0.3 GPa，未受荷板侧产生的竖向位移逐渐增加，竖向位移分别为0.142 mm、0.163 mm、0.175 mm，也表明位移增速随着传力杆弹性模量的增加而逐渐减小。

图5 传荷系数随传力杆弹性模量的变化

通过对图5的分析，传荷挠度系数随着传力杆弹性模量从0.1 GPa至0.3 GPa，分别对应为0.583、0.69、0.745，表明随着传力杆弹性模量的增加，传荷挠度系数逐渐增加，传荷系数增速随着弹性模量增加而放缓。

2.2 传力杆截面半径对传荷的影响

研究传力杆在不同半径情况下，对水泥混凝土接缝处传荷的影响，如表3工况。

表3 传力杆工况（不同半径）

通过分析绘制出受荷板竖向位移、未受荷板竖向位移、传荷挠度系数随传力杆半径的变化规律如图6～图8。

图6 不同半径下的受荷板侧竖向位移

通过对图6的分析，传力杆半径从0.01 m增加至0.016 m，受荷板侧最大竖向位移分别对应为0.249 mm、0.239 mm、0.231 mm，表明随着传力杆半径的逐渐增加，受荷板侧竖向位移逐渐降低，传力杆传力能力增加，增速放缓；且相较于传力杆的弹性模量增加，半径增加对受荷板侧的竖向位移影响更大。

图7 不同半径下的未受荷板侧竖向位移

通过对图7的分析，传力杆半径从0.01 m增加至0.016 m，未受荷板侧产生的竖向位移分别为0.132 mm、0.165 mm、0.184 mm，呈现出增加趋势。

图8 传荷系数随传力杆横截面半径的变化

通过对图8的分析，传荷挠度系数随着传力杆半径从0.01 m至0.013 m，传荷挠度系数分别对应为0.53、0.69、0.79，表明随着传力杆横截面半径的增加，传荷挠度系数逐渐增加，增速随着横截面半径增加而放缓。

2.3 传力杆长度对传荷的影响

研究传力杆在不同长度情况下，对水泥混凝土接缝处传荷的影响，如表4工况。

表4 传力杆工况（不同长度）

通过分析绘制出受荷板竖向位移、未受荷板竖向位移、传荷挠度系数随传力杆长度的变化规律如图9。

图9 不同长度下的受荷板侧竖向位移

通过对图9的分析，随着传力杆长度的增长，在不同传力杆长度工况下，受荷板侧竖向位移基本无任何变化，分别为0.235 mm、0.240 mm、0.242 mm，表明传力杆长度对受荷板侧的竖向位移影响极小，但也可看出，随着传力杆长度的增加，受荷板侧竖向位移缓慢增加。

图10 不同长度下的未受荷板侧竖向位移

通过对图10的分析，随着传力杆长度从0.41 m增加至0.51 m，未受荷板侧产生的竖向位移递减，竖向位移分别为0.165 mm、0.156 mm、0.147 mm，产生与传力杆弹性模量、半径增加相反的趋势。

图11 传荷系数随传力杆长度的变化

通过对图11的分析，传荷挠度系数随着传力杆长度从0.41 m至0.51 m，传荷挠度系数分别对应为0.694、0.642、0.599，表明随着传力杆长度增加，传荷挠度系数逐渐降低，基本呈线性相关。

从受荷板位移与传荷挠度系数的影响，产生与传力杆弹性模量、半径增加相反的趋势。经过分析，其中主要原因是随着传力杆增加，扩大了混凝土面板的受力范围，有效地分担了通过传力杆传递至未受荷板的荷载；且若是一味地缩短传力杆长度，会引起板边角承受更大的荷载，引起板边角破坏、缩短水泥混凝土板的使用寿命。

3 结论

通过设置不同材料属性下的传力杆，通过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。

a）当传力杆弹性模量从0.1 GPa增至0.3 GPa受荷板竖向位移基本不受此影响，但是对未受荷板的竖向位移变化影响较大，从传荷挠度系数上也同样表明了提高传力杆弹性模量能够有效地提高传力杆传递荷载的能力。

b）当传力杆横截面半径从0.01 m至0.016 m，受荷板侧竖向位移明显减小，未受荷板竖向位移也明显增加，表面传力杆半径越大，传递荷载的能力越强。

c）当传力杆长度从0.41 m至0.46 m，受荷板侧竖向位移略微变化，远远低于传力杆横截面半径的影响；且在未受荷板侧随着传力杆长度的增加，受荷板竖向位移呈现逐渐减小的趋势，从传荷挠度系数上看，也表明随着传力杆长度的变化，传荷能力减弱。

d）根据3种不同的材料属性对传荷挠度系数的影响，表明传力杆横截面半径对传荷能力影响最大，传力杆弹性模量的影响次之、传力杆长度最差。

e）传力杆长度对传荷系数的影响是负面的，这背后主要是随着传力杆长度的增加，共同承担荷载的水泥混凝土面板面积增加造成的结果，传荷挠度系数不能完全说明传荷的能力，且传力杆越短可能会引起板边角破坏，还需进一步研究传力杆长度对水泥混凝土面板的影响。