道路工程中的技术分析及预制混凝土路面板的力学性能分析

陈万锋

摘要 基于预制混凝土路面板缺乏受力特性研究的问题，为了加强道路工程中预制混凝土路面板的技术研究，文章对其进行力学研究。对预制混凝土路面板进行静力实验，探究其极限承载力。研究采用三种不同应力等级的预制混凝土路面板试件，观测其开裂、应力应变和挠度。结果表明，其极限承载力为365 kN，裂纹的宽度都在1.5 mm左右。研究对装配式公路路面的力学性能进行分析，以提升钻井前期的施工效率，对打破钻井前期工作时间紧迫的瓶颈，有着积极意义。

关键词 道路工程；预制混凝土路面板；力学分析；寿命预测；静力实验

中图分类号 TU528.2文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）06-0083-03

0 引言

道路工程中，装配式路面是以预制的混凝土面板为面层、基层，与土基组合而成的一种路面形式[1]。随着装配式施工工艺的逐步成熟，对基础进行装配式施工的研究也在蓬勃发展。在桥梁、钻探、机场和市政等领域，装配式路面具有良好的发展前景[2]。值得一提的是，装配式路面自身又是一种刚性表面，其强度高、稳定性好、耐久性好，适用于工期紧、现场设备简单、需再使用面板的工程[3-4]。道路工程中采用的预制混凝土路面是一种绿色环保的临时设施，施工简便，可长期重复使用，符合国家大力建设井场，发展页岩气的需要[5-6]。为了更好地开展页岩气钻井前期工程中预制混凝土路面受力特性的研究，以及获得更符合其工作条件的预制混凝土路面板的设计，研究将对预制钢筋混凝土路面板进行力学性能分析与研究，以探索更高效率的施工工艺，更好地解决施工工期紧张等相关问题。

1 预制混凝土路面板计算方法与实验研究

1.1 预制混凝土路面板设计与理论值计算方法研究

研究选择了一条用于铺装预制路面的场地，考虑施工的便利性，将其按一定的模数进行设计，使其长度为3 000 mm，宽度为1 500 mm，以便横向缝的纵缝连接。同时，现场规则化，预制混凝土路面板的长、短两条可以任意拼接，无任何棱角凸出。预制装配式混凝土结构施工过程主要包含预制构件生产、运输、堆放、定位放线、墙板吊装、墙板位置固定和调整、钢筋绑扎、模板安装、混凝土浇筑及阳台或者楼梯等相关构件的安装、封顶、打胶，最后验收。装配式路面结构有别于一般的水泥混凝土路面。在路面结构设计中，为便于施工，在施工过程中不设路基，只设找平层，以保证路面的平整性[7]。在预制混凝土路面结构的设计中，将预制路面划分为干拌砂浆找平层和预制路面两层，根据施工场地的具体条件，可根据施工条件来决定是否设置防水材料[8]。为确保预制构件的质量和安全，承载力实验是检测預制构件性能和质量的重要手段，通过实验可以确定预制板的承载能力，确保其满足设计要求和使用安全[9-10]。承载力实验可以验证设计理论的准确性，为设计提供可靠的依据，同时也可以为改进设计提供反馈和指导。通常情况下，根据路面板的实际状况分为中部与角部两部分，其中预制混凝土路面板角部受压区承载力计算如公式（1）所示。

式中，β1——预制混凝土路面板角部受压区承载力；Ab——局部受压的计算底面积；F1——局部受压面上作用的局部荷载设计值。预制混凝土路面板中部受压区承载力计算如公式（2）所示。

预制混凝土路面板最大裂缝宽度计算如公式（3）所示。

式中，C1——形状系数，用于表示钢筋表面；C2——影响系数，用于表示长期效应；C3——受弯作用系数；σSS——钢筋应力；Es——弹性模量；ρte——效配筋率。

1.2 预制混凝土路面板承载力与疲劳度实验研究

为了深入研究装配式公路面板的受力特性，掌握其极限承载力，进行了静力实验。研究选取了一种规格为3 000 mm×1 495 mm，厚度为150 mm的板材。桥面铺装层为C40 N/mm2，双向配筋，面层为C10@200 mm，下层钢筋为C14@150 mm，两种形式均为双向配筋。在此基础上，提出了一块重1.67 t、C40混凝土0.675 m3、钢筋108.93 kg的混合料。为了更好地研究传力板作用下预制板的工作状况，根据工程的具体情况和测试需要，分别设置相应的测点。考虑在道路面板中间行驶时，车轮下受到的载荷很大，所以，为了保证两条接缝的两条边中点、两条缝边、两条缝边、车轮应力为测点，保证两个对称测点的精度，以板中心为测点之一，钢筋应变共5个测点，纵向测点距离中心测点900 mm。混凝土测点设置在板受压区，也就是预制的混凝土面板上，与钢筋的测点相对应，由于在加载过程中不能粘贴应变片，所以将S-X-3测量点的位置向中间测量点移动200 mm，共计6个。在裂缝测试开始前，在预制混凝土路面板绘制边长为100 mm的方格，以便对板面的开裂状况进行更精确的观察。路面板加载装置如图1所示。

在图1中，可以看出研究采用双点加载，加载区域是传力板的接触面，通过分布梁完成双点加载，两块加载板间隔为1 800 mm。预制混凝土路面板承载力实验设计中，在进行静载实验前，必须对其进行预压。在实验过程中，为了避免损坏仪表，对应变片和百分表的工作状态都进行了测试。在加载时，要遵循表格式静态加载的顺序逐 步加载。在测试过程中，必须保证最近5 min的应变增长不超过上一个5 min变形量的15%，并将预制面板下面的裂纹扩展和开裂情况记录下来。模拟时选取多层的弹性体系，如图2所示。

在图2中，可以看出，在Ansys中，可以直接使用块体指令（Block）对地基材料进行有限元分析，根据DP屈服准则，建立一个更理想的弹塑性本构模型，并考虑土在屈服条件下的体胀效应，而忽略了温度效应对土的影响。预制混凝土路面板采用多级随机型增强模式，钢筋按双向等效硬化成型模型进行。铺装面板用固体单元仿真，整体模型用分段方法建立。

2 预制混凝土路面板力学性能实验结果分析

2.1 预制混凝土路面板承载能力综合力学分析

在测试前，认真地检验了铺装面板的尺寸和裂纹，以避免预制面板的损坏对试件承载力测试的结果产生影响。在荷载作用下，荷载达到100 kN（即极限荷载）时，会在板底拉压区产生首道微裂纹，该裂纹主要发生在板底拉压区，不是贯穿裂纹，而是以不连续的细裂纹形式存在。随着加载的进行，裂纹逐渐扩展，并出现轴向对称的裂纹。当荷载达到120 kN后，裂纹开始向板基的方向发展，而变形的发展速率也在不断加快。当荷载由120 kN逐渐增加至300 kN时，裂纹宽度逐渐增大，裂纹数目不断增多，裂纹扩展范围主要发生在两传递板荷载间的板下。在300 kN以上的荷载作用下，受拉区的混凝土已经被推离，钢筋的应变增长和受压区的变形也随之增大，受拉区的混凝土发生了局部的损伤，构件的塑性变形也随之增大；由裂纹计测得的位移为6.5 mm，裂纹宽度为3.3 mm，最终得到的极限荷载为365 kN。实验得到的实验结果如图3所示。

（a）荷载-挠度曲线图

（b）荷载-裂缝宽度曲线图

在图3中，可以看出，在图3（a）中挠度随载荷增大而增大，且近似呈线性关系；在100 kN的载荷作用下，传力板和道面板中间部位的挠度增大速度显著加快，增长速度也加快，但在这个时候，混凝土仍在与钢筋一起工作，所以生长比较稳定，没有发生突变。在荷载增大至300 kN时，板中挠度已达23.8 mm，板底边缘处的挠度高达9.36 mm，三个测点的挠度均有很大幅度的增大，直至预制混凝土被顶出，直至失效。预制混凝土路面板受力360 kN后，中间板出现了6 cm以上的位移，并出现了1/50跨的挠度，导致了钢筋的屈服。在图3（b）中，在F=100 kN的荷载作用下，受拉区的混凝土仍在工作，而在荷载作用下，板的中部出现了0.06 mm的裂纹，在荷载作用的两个部位，出现了10～80 mm的对称裂纹。然而，当荷载继续增大时，板侧、板中部和板荷载区域的裂纹宽度同时增大，板底部裂纹从中间向支座方向扩展，并且裂纹数目越来越多。当加载在100～300 kN时，试样处在“尚弹性”状态，这三条裂纹的坡度都是一样的，但是当载荷大于300 kN时，这些裂纹就会变成底部贯穿裂纹，并且裂纹的宽度也会越来越大，在加载F=360 kN的情况下，裂纹的宽度都在1.5 mm左右，尤其是中间的裂纹扩展最大，达3.3 mm。

2.2 装配式道路工程中的预制混凝土路面板钢筋应变实验结果分析

通过对装配式路面板受拉区三个位置的应变分析，可以发现：在0～100 kN范围内，加载范围内的应力增幅显著低于随后的增幅，并且加载部位（距面板中心900 mm）、中部和轴线600 mm处的应力增幅几乎一致，而在100～300 kN范围内，距板中心900 mm处的应变增幅要大得多，但增长趋势相同。当预制混凝土路面板加载F=300 kN后，钢筋逐渐从受拉区退去，受力集中在钢筋上，当F=365 kN时，结构开始失效。预制混凝土路面板不同位置的荷载-钢筋应变实验结果如图4所示。

图4 预制混凝土路面板不同位置的荷载-钢筋应变图

图4可以看出，与900 mm和600 mm区域的钢筋相比，在荷载作用下，混凝土中的受拉区钢筋的应变值要小很多，这表明在荷载作用下，钢筋起主要作用。在0～100 kN范围内，随着荷载的增大，应力逐渐增大；在全荷载下，钢筋的应变几乎是线性上升的。

3 結论

在道路工程中，存在着预制混凝土路面的力学性能研究不够充足的问题，且长度在3 000 mm及以上的装配式路面中的系统力学研究较少。因此针对该问题，研究通过室内实验，对预制钢筋混凝土路面板展开了技术分析与力学研究，探究其承载力和板开裂的应力等数据变化，为预制混凝土路面板提供了荷载依据。通过静载实验，研究装配式铺装层在荷载作用下直至全部失效的状态下的极限承载能力。研究表明，900 mm和600 mm区域的钢筋相比，在荷载作用下，混凝土中的受拉区钢筋的应变值要小很多；预制混凝土路面板的极限破坏力为365 kN；挠度随载荷增大而增大，且近似呈线性关系。研究中依旧存在着不足之处，例如目前对装配式公路面板受力特性的研究尚不完善，因受条件所限，未再进行预制混凝土路面板配筋、配比、配筋强度等方面的实验研究，在未来的工作中将对其进行更深入的横向对比研究。

参考文献

[1]张守祺， 昂源， 李苗， 等. 3D打印对装配式混凝土路面板可循环性的影响研究[J]. 硅酸盐通报， 2020（8）： 2433-2440.

[2]Jiang Z Q， Kang Y T， Liu X C ， et al. Experimental study of an earthquake-resilient prefabricated opening-web steel channel beam-to-column joint with flange cover plates. Engineering Structures， 2020（10）： 111054-1110570.

[3]赵兰若， 赵鸿铎， 蔡爵威， 等. 考虑邻板高程差的装配式水泥路面行驶舒适性研究[J]. 公路交通科技， 2021（3）： 14-48.

[4]孙建诚， 鲍克端. 沥青混凝土路面装配式基层连接方式力学特性[J]. 兰州理工大学学报， 2020（1）： 139-143.

[5]Elbakari R， Shehata M H. A proposed laboratory method to evaluate the durability of concrete pavement joints against freezing in the presence of deicer salts. Canadian Journal of Civil Engineering， 2022（8）： 1351-1365.

[6]刘红磊， 周林波， 陈作， 等. 中国石化页岩气电动压裂技术现状及发展建议[J]. 石油钻探技术， 2023（1）： 62-68.

[7]杨晓晓， 符业晃. 装配式道路施工技术在犍为航电枢纽工程中的应用[J]. 水运工程， 2021（12）： 65-68.

[8 ]沈汝伟， 沈海秋. BIM技术在预制装配式混凝土结构设计中的应用研究[J]. 工程抗震与加固改造， 2021（2）： 166-166.

[9]Liu P， Shuai C， Qi Y， et al. Development and experimental study of a novel steel brace with load-bearing adjustable capacity utilizing the buckling behavior of partial steel plates. Engineering structures， 2022（2）： 113684-113697.

[10]Kim J ， Zollinger D ， Cho W . Experimental Study of the Effects of Moisture on the Performance of Concrete Pavement Joint Sealants： [J]. Transportation Research Record， 2022（7）： 585-596.