重型荷载作用下建筑工程施工现场钢板临时路面应用研究*

杨 成，吴家雄，陈 波，李罡烨，胡 俊

(中国建筑第四工程局有限公司，广东 广州 510665)

0 引言

钢板路面体系是以自然地面为基础，无机料作为水稳层，钢板作为路面[1]，可有效解决临时施工道路采用现浇混凝土施工方式，养护周期长，后期破除成本高，环境污染破坏大的弊端[2]，王维等[3]通过3种可周转临时道路方案的比较，得出装配式钢板道路的适应性最强结论，王志明[4]将可周转装配式重载型钢板在临时施工道路进行了运用，并取得较好的经济效益。以往研究者对钢板临时路面研究主要集中在应用，对影响钢板临时路面的重要指标如路基压实度、钢板尺寸、钢板间连接件均鲜为提及，本文通过对大量钢板临时路面项目运用进行统计分析，得出临时钢板路面路基最低压实度，通过有限元模拟得出重载下钢板的最优尺寸，为施工现场钢板临时路面铺筑提供理论指导。

1 调查统计分析

笔者从2013年开始研究钢板临时路面，并在多个项目进行了使用，应用效果统计如表1所示。由表1可知，钢板临时路面的总体使用效果好，施工快捷，重复周转使用，回收方便环保，符合绿色施工要求；但当路基压实度为80%时，因路面排水不畅，路面积水，导致局部路基下沉，造成路面变形严重，建议在选取路基压实度时应考虑路面排水等问题，参照文献[5]取值≥90%。

2 钢板临时路面方案比选

2.1 荷载选取

建筑工程临时施工道路作为承载进出施工现场各种施工机械的工具，主要包括钢筋运输车、起重机、混凝土运输车、混凝土泵车等，最大总重约80t，车辆类型及载重情况为：钢筋车73.8t，水泥车37.93t，混凝土搅拌车42.97t，土方车47.35t，起重机25t，模板车18t，脚手架车38.84t。

表1 钢板临时路面应用项目统计

结合施工实际，以5t荷载为界，分为轻载道路和重载道路，其中5t及以下载重为轻载道路，用于施工现场生活区和办公区(主要通行小车和6m长左右货车)；5t以上载重为重载道路，用于施工生产区，主要承载各种大型车辆，最大载重按80t计算。

2.2 重载钢板路面组合形式及结构方案

1)结构形式 根据运输车辆尺寸及施工运输现场实际，一般重载道路宽4m或6m，重载钢板路面的材质选用Q235，密度7 850kg/m3，弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比0.27，其钢板外形规格2 000mm×2 000mm×20mm，2 000mm×3 000mm×20mm，2 000mm×1 000mm×20mm；以2 000mm×2 000mm×20mm，[10加强为例，4m或6m宽道路主要是采用单块钢板进行不同形式组合，结构形式如图1所示。

图1 钢板结构形式

2)连接件 钢板之间连接为在钢板上钻孔攻丝，用于路面等厚连接板，连接方式分为2种：①连接板钻4个φ22孔，4个孔中心距80mm×80mm居中布置，连接螺栓为M20×40，性能为10.9级；②连接板分为上、下两块板，上盖板中心钻1个φ26孔，下底板中心钻1个φ22孔攻M24×3螺纹，连接螺栓为M24×65，10.9级，连接形式如图2所示。

图2 钢板结构连接件

3)组合方案 根据图1所示钢板结构及连接形式，组合成4m宽道路(6m宽类似，主要考虑错车)，考虑到重载汽车长度及行驶距离，将模拟方案长度取为16m，其组合方案如表2所示。

表2 4m×16m道路组合方案

3 有限元数值模拟

3.1 钢板临界条件

钢板沉降限值为沉降s≤30mm及沉降引起坡度i≤3；基底平均压力限值pk≤fa，其中fa为地基承载力特征值；钢板应力限值为屈服应力设计值(即215N/mm2)，ANSYS分析结果采用von Misses应力与钢板屈服应力进行比较。

3.2 有限元数值模拟

1)有限元模型、荷载施加及约束条件

根据上述方案，建立各自有限元模型，在仿真中，为模拟极限变形最大工况，在保证重载的轮压分布及压力值情况下，采用均布荷载的施加方式，且尽量使荷载施加位置靠近连接处，获得最大变形及应力。根据计算荷载，在有限元模型中施加荷载，约束钢板底部槽钢，如图3所示。

图3 荷载及约束情况

2)有限元分析结果 根据上述施加的约束和荷载，在ANSYS中进行静应力分析，得到总变形、总应力情况，如图4～6所示。

图4 方案1总变形与总应力云图

图5 方案2总变形与总应力云图

图6 方案3总变形与总应力云图

由图4可知，方案1中钢板道路最大变形量为6.793mm，最大应力为189.55MPa，最大变形位置产生在重载汽车中桥位置，此处荷载为360kN，产生最大变形的原因为长距离的钢板挠度较大，在中间处承受弯矩较大，故产生较大变形，在单一方向上，z向发生的变形量最大，最大值为-6.307 5mm，即变形主要产生在竖直方向上；最大应力产生在后桥位置，主要与此处承受较大荷载(400kN)有关，但产生的应力值均<215MPa，满足结构强度要求。

由图5可知，方案2中钢板道路最大变形量为7.773 4mm，最大应力为212.44MPa，最大变形位置产生在重载汽车后桥位置，此处荷载为400kN，产生最大变形的原因为在后部承受荷载较大，而在单一方向上，z向产生的变形量最大，最大值为-7.773 4mm，即变形主要产生在竖直方向上；最大应力产生在后桥位置，主要与此处承受较大荷载(400kN)有关，其次在中桥位置处也体现应力不集中现象，主要是因为该部分承受360kN荷载，虽然产生的应力值<215MPa，但较接近Q235材料的极限强度，稳定性和强度无法得到可靠保障。

由图6可知，方案3中钢板道路最大变形量为4.516 5mm，最大应力为148.95MPa，最大变形位置产生在重载汽车后桥位置，此处荷载为400kN，产生最大变形的原因为在后部承受荷载较大，在单一方向上，z向产生的变形量最大，最大值为-4.516 5mm，即变形主要产生在竖直方向上；最大应力产生在后桥位置，主要与此处承受较大荷载(400kN)有关，但产生的应力值均<215MPa，满足结构强度要求。

3.3 数值仿真结果对比分析

通过3种方案的仿真结果对比分析，可得出4m宽的重载钢板道路的Von Misses应力及应变情况如表3所示。由表3可知，3种方案中在相同荷载下方案3的变形量和最大应力值均较小，但连接件数量多，现场施工较麻烦；方案2已接近Q235材料的极限强度，稳定性和强度无法得到可靠保障；综合以上分析施工现场采用方案1进行现场试验。

4 现场实施及使用效果

根据上述分析，参照相关文献[5-7]，路基压实度≥90%进行路基压实，钢板路面按如下工艺流程：原始地面平整压实→水稳层摊铺夯实→钢板路面加工→路面排水沟施工→钢板路面铺装→钢板拼接处连接→路缘石安装，进行施工试验组装，钢板路面安装时，板块拼接处的缝隙用φ10三元乙丙橡胶条进行密封。

通过近3个月的使用，未发现路面变形、损坏等异常情况，能满足施工现场临时道路需求，整体使用效果好。

5 结语

根据对大量钢板临时路面项目运用进行统计分析及有限元模拟分析，得出结论如下。

1)钢板路面结构强度高，施工效率高；综合成本低，周转率高；环保节能，拆除方便。其切合绿色施工主题要求，具有显著的长期经济效益和环保、社会效益，具有广泛的应用前景。

2)通过有限元软件分析结合施工现场，得出施工现场最优钢板路面尺寸为2 000mm×2 000mm×20mm。

3)建议在选取钢板临时路面路基压实度时考虑路面排水等问题，取值不低于90%，以免路基承载力不足，造成钢板翘曲变形，影响钢板路面使用寿命。

4)钢板临时路面使用过程中应采取有效的排水措施，防止雨水下渗，造成板底脱空，影响基层承载力。