傳力桿材料屬性對水泥混凝土路面?zhèn)骱傻挠绊懷芯?/h1>
2020-09-30 07:58:46周慶平
山西交通科技 2020年4期
周慶平
（山西省臨汾市交通勘察設(shè)計院，山西 臨汾 041000）
隨著我國交通建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，盡管水泥混凝土路面使用越來越少，但隨著鄉(xiāng)村振興策略的迅速實施，農(nóng)村經(jīng)濟快速發(fā)展，逐步開展水泥路面修筑。為適應(yīng)重載交通對水泥路面的要求，在水泥混凝土路面脹縫與縮縫處設(shè)置傳力桿，減少水泥混凝土路面在接縫處產(chǎn)生斷裂、錯臺等現(xiàn)象，加強相鄰板之間荷載傳遞，延長路面使用壽命[1-4]。蔣應(yīng)軍[5]等得到結(jié)論為設(shè)傳力桿接縫傳荷能力受溫度變化影響比較大，溫度效應(yīng)包括翹曲效應(yīng)和脹縮效應(yīng)兩部分，脹縮效應(yīng)一定程度上有助于緩解設(shè)傳力桿路面翹曲變形。張軍等[6]提出重載交通情況下采用縮縫傳力桿是非常必要的。鎖利軍[7]等通過建立三維有限元模型得到當接縫設(shè)傳力桿時，混凝土面層計算點荷載應(yīng)力和彎沉差明顯小于無傳力桿時。過去對傳力桿的研究主要集中在傳力是否有效上，并沒有全面地分析接縫處設(shè)置傳力桿材料本身屬性對水泥混凝土路面的影響，很少有針對低等級公路進行單獨分析研究，因此，通過對某低等級水泥混凝土路面接縫傳力桿在不同材料參數(shù)下進行分析，得出傳力桿材料參數(shù)對變荷載水泥混凝土路面的影響。
1 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)模型建立
建立水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型，分析傳力桿的彈性模量、橫截面半徑、長度對水泥混凝土路面?zhèn)骱傻挠绊憽?/p>
有限元模擬計算分析時，做以下假定：
a）地基采用文克勒地基模型。
b）水泥混凝土材料為各向同性、連續(xù)且均勻的材料。
c）水泥混凝土路面與地基之間的接觸為完全連續(xù)，無脫空。
結(jié)合某公路的實際路面結(jié)構(gòu)確定各部件尺寸見表1。
表1 路面結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)
荷載作用在水泥混凝土路面板中部，作用區(qū)域大小為18.6 cm×19.6 cm，兩輪中心距12.8 cm，采用標準軸載BZZ-100作為荷載，水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)示意如圖1。
圖1 路面結(jié)構(gòu)模型（單位：m）
傳力桿與水泥混凝土之間采用嵌入約束，路面結(jié)構(gòu)有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖2。
圖2 路面結(jié)構(gòu)有限元模型
傳荷撓度系數(shù)定義為：
網(wǎng)格劃分，整體采用全局布種，在輪載作用區(qū)域，為提高計算精度，采用單精度形式。
2 計算結(jié)果分析
2.1 傳力桿彈性模量對傳荷的影響
研究傳力桿在不同彈性模量情況下，對水泥混凝土接縫處傳荷的影響，傳力桿工況見表2。
表2 傳力桿工況（不同彈性模量）
通過分析繪制出受荷板豎向位移，未受荷板豎向位移，傳荷撓度系數(shù)隨彈性模量的變化規(guī)律如圖3。
圖3 不同彈性模量下的受荷板側(cè)豎向位移
通過對圖3的分析，可看出，隨著傳力桿彈性模量的增加，豎向位移逐漸減小，但3種傳力桿彈性模量下的受荷板最大豎向位移差異極小，表明傳力桿彈性模量的變化對受荷板一側(cè)的豎向位移影響極小。
圖4 不同彈性模量下的未受荷板側(cè)豎向位移
通過對圖4的分析，隨著傳力桿彈性模量從0.1 GPa增加至0.3 GPa，未受荷板側(cè)產(chǎn)生的豎向位移逐漸增加，豎向位移分別為0.142 mm、0.163 mm、0.175 mm，也表明位移增速隨著傳力桿彈性模量的增加而逐漸減小。
圖5 傳荷系數(shù)隨傳力桿彈性模量的變化
通過對圖5的分析，傳荷撓度系數(shù)隨著傳力桿彈性模量從0.1 GPa至0.3 GPa，分別對應(yīng)為0.583、0.69、0.745，表明隨著傳力桿彈性模量的增加，傳荷撓度系數(shù)逐漸增加，傳荷系數(shù)增速隨著彈性模量增加而放緩。
2.2 傳力桿截面半徑對傳荷的影響
研究傳力桿在不同半徑情況下，對水泥混凝土接縫處傳荷的影響，如表3工況。
表3 傳力桿工況（不同半徑）
通過分析繪制出受荷板豎向位移、未受荷板豎向位移、傳荷撓度系數(shù)隨傳力桿半徑的變化規(guī)律如圖6～圖8。
圖6 不同半徑下的受荷板側(cè)豎向位移
通過對圖6的分析，傳力桿半徑從0.01 m增加至0.016 m，受荷板側(cè)最大豎向位移分別對應(yīng)為0.249 mm、0.239 mm、0.231 mm，表明隨著傳力桿半徑的逐漸增加，受荷板側(cè)豎向位移逐漸降低，傳力桿傳力能力增加，增速放緩；且相較于傳力桿的彈性模量增加，半徑增加對受荷板側(cè)的豎向位移影響更大。
圖7 不同半徑下的未受荷板側(cè)豎向位移
通過對圖7的分析，傳力桿半徑從0.01 m增加至0.016 m，未受荷板側(cè)產(chǎn)生的豎向位移分別為0.132 mm、0.165 mm、0.184 mm，呈現(xiàn)出增加趨勢。
圖8 傳荷系數(shù)隨傳力桿橫截面半徑的變化
通過對圖8的分析，傳荷撓度系數(shù)隨著傳力桿半徑從0.01 m至0.013 m，傳荷撓度系數(shù)分別對應(yīng)為0.53、0.69、0.79，表明隨著傳力桿橫截面半徑的增加，傳荷撓度系數(shù)逐漸增加，增速隨著橫截面半徑增加而放緩。
2.3 傳力桿長度對傳荷的影響
研究傳力桿在不同長度情況下，對水泥混凝土接縫處傳荷的影響，如表4工況。
表4 傳力桿工況（不同長度）
通過分析繪制出受荷板豎向位移、未受荷板豎向位移、傳荷撓度系數(shù)隨傳力桿長度的變化規(guī)律如圖9。
圖9 不同長度下的受荷板側(cè)豎向位移
通過對圖9的分析，隨著傳力桿長度的增長，在不同傳力桿長度工況下，受荷板側(cè)豎向位移基本無任何變化，分別為0.235 mm、0.240 mm、0.242 mm，表明傳力桿長度對受荷板側(cè)的豎向位移影響極小，但也可看出，隨著傳力桿長度的增加，受荷板側(cè)豎向位移緩慢增加。
圖10 不同長度下的未受荷板側(cè)豎向位移
通過對圖10的分析，隨著傳力桿長度從0.41 m增加至0.51 m，未受荷板側(cè)產(chǎn)生的豎向位移遞減，豎向位移分別為0.165 mm、0.156 mm、0.147 mm，產(chǎn)生與傳力桿彈性模量、半徑增加相反的趨勢。
圖11 傳荷系數(shù)隨傳力桿長度的變化
通過對圖11的分析，傳荷撓度系數(shù)隨著傳力桿長度從0.41 m至0.51 m，傳荷撓度系數(shù)分別對應(yīng)為0.694、0.642、0.599，表明隨著傳力桿長度增加，傳荷撓度系數(shù)逐漸降低，基本呈線性相關(guān)。
從受荷板位移與傳荷撓度系數(shù)的影響，產(chǎn)生與傳力桿彈性模量、半徑增加相反的趨勢。經(jīng)過分析，其中主要原因是隨著傳力桿增加，擴大了混凝土面板的受力范圍，有效地分擔了通過傳力桿傳遞至未受荷板的荷載；且若是一味地縮短傳力桿長度，會引起板邊角承受更大的荷載，引起板邊角破壞、縮短水泥混凝土板的使用壽命。
3 結(jié)論
通過設(shè)置不同材料屬性下的傳力桿，通過分析受荷板與未受荷板的豎向位移，以及撓度傳荷系數(shù)得出以下結(jié)論。
a）當傳力桿彈性模量從0.1 GPa增至0.3 GPa受荷板豎向位移基本不受此影響，但是對未受荷板的豎向位移變化影響較大，從傳荷撓度系數(shù)上也同樣表明了提高傳力桿彈性模量能夠有效地提高傳力桿傳遞荷載的能力。
b）當傳力桿橫截面半徑從0.01 m至0.016 m，受荷板側(cè)豎向位移明顯減小，未受荷板豎向位移也明顯增加，表面?zhèn)髁U半徑越大，傳遞荷載的能力越強。
c）當傳力桿長度從0.41 m至0.46 m，受荷板側(cè)豎向位移略微變化，遠遠低于傳力桿橫截面半徑的影響；且在未受荷板側(cè)隨著傳力桿長度的增加，受荷板豎向位移呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，從傳荷撓度系數(shù)上看，也表明隨著傳力桿長度的變化，傳荷能力減弱。
d）根據(jù)3種不同的材料屬性對傳荷撓度系數(shù)的影響，表明傳力桿橫截面半徑對傳荷能力影響最大，傳力桿彈性模量的影響次之、傳力桿長度最差。
e）傳力桿長度對傳荷系數(shù)的影響是負面的，這背后主要是隨著傳力桿長度的增加，共同承擔荷載的水泥混凝土面板面積增加造成的結(jié)果，傳荷撓度系數(shù)不能完全說明傳荷的能力，且傳力桿越短可能會引起板邊角破壞，還需進一步研究傳力桿長度對水泥混凝土面板的影響。
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1 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)模型建立
建立水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型，分析傳力桿的彈性模量、橫截面半徑、長度對水泥混凝土路面?zhèn)骱傻挠绊憽?/p>
有限元模擬計算分析時，做以下假定：
a）地基采用文克勒地基模型。
b）水泥混凝土材料為各向同性、連續(xù)且均勻的材料。
c）水泥混凝土路面與地基之間的接觸為完全連續(xù)，無脫空。
結(jié)合某公路的實際路面結(jié)構(gòu)確定各部件尺寸見表1。
表1 路面結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)
荷載作用在水泥混凝土路面板中部，作用區(qū)域大小為18.6 cm×19.6 cm，兩輪中心距12.8 cm，采用標準軸載BZZ-100作為荷載，水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)示意如圖1。
圖1 路面結(jié)構(gòu)模型（單位：m）
傳力桿與水泥混凝土之間采用嵌入約束，路面結(jié)構(gòu)有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖2。
圖2 路面結(jié)構(gòu)有限元模型
傳荷撓度系數(shù)定義為：
網(wǎng)格劃分，整體采用全局布種，在輪載作用區(qū)域，為提高計算精度，采用單精度形式。
2 計算結(jié)果分析
2.1 傳力桿彈性模量對傳荷的影響
研究傳力桿在不同彈性模量情況下，對水泥混凝土接縫處傳荷的影響，傳力桿工況見表2。
表2 傳力桿工況（不同彈性模量）
通過分析繪制出受荷板豎向位移，未受荷板豎向位移，傳荷撓度系數(shù)隨彈性模量的變化規(guī)律如圖3。
圖3 不同彈性模量下的受荷板側(cè)豎向位移
通過對圖3的分析，可看出，隨著傳力桿彈性模量的增加，豎向位移逐漸減小，但3種傳力桿彈性模量下的受荷板最大豎向位移差異極小，表明傳力桿彈性模量的變化對受荷板一側(cè)的豎向位移影響極小。
圖4 不同彈性模量下的未受荷板側(cè)豎向位移
通過對圖4的分析，隨著傳力桿彈性模量從0.1 GPa增加至0.3 GPa，未受荷板側(cè)產(chǎn)生的豎向位移逐漸增加，豎向位移分別為0.142 mm、0.163 mm、0.175 mm，也表明位移增速隨著傳力桿彈性模量的增加而逐漸減小。
圖5 傳荷系數(shù)隨傳力桿彈性模量的變化
通過對圖5的分析，傳荷撓度系數(shù)隨著傳力桿彈性模量從0.1 GPa至0.3 GPa，分別對應(yīng)為0.583、0.69、0.745，表明隨著傳力桿彈性模量的增加，傳荷撓度系數(shù)逐漸增加，傳荷系數(shù)增速隨著彈性模量增加而放緩。
2.2 傳力桿截面半徑對傳荷的影響
研究傳力桿在不同半徑情況下，對水泥混凝土接縫處傳荷的影響，如表3工況。
表3 傳力桿工況（不同半徑）
通過分析繪制出受荷板豎向位移、未受荷板豎向位移、傳荷撓度系數(shù)隨傳力桿半徑的變化規(guī)律如圖6～圖8。
圖6 不同半徑下的受荷板側(cè)豎向位移
通過對圖6的分析，傳力桿半徑從0.01 m增加至0.016 m，受荷板側(cè)最大豎向位移分別對應(yīng)為0.249 mm、0.239 mm、0.231 mm，表明隨著傳力桿半徑的逐漸增加，受荷板側(cè)豎向位移逐漸降低，傳力桿傳力能力增加，增速放緩；且相較于傳力桿的彈性模量增加，半徑增加對受荷板側(cè)的豎向位移影響更大。
圖7 不同半徑下的未受荷板側(cè)豎向位移
通過對圖7的分析，傳力桿半徑從0.01 m增加至0.016 m，未受荷板側(cè)產(chǎn)生的豎向位移分別為0.132 mm、0.165 mm、0.184 mm，呈現(xiàn)出增加趨勢。
圖8 傳荷系數(shù)隨傳力桿橫截面半徑的變化
通過對圖8的分析，傳荷撓度系數(shù)隨著傳力桿半徑從0.01 m至0.013 m，傳荷撓度系數(shù)分別對應(yīng)為0.53、0.69、0.79，表明隨著傳力桿橫截面半徑的增加，傳荷撓度系數(shù)逐漸增加，增速隨著橫截面半徑增加而放緩。
2.3 傳力桿長度對傳荷的影響
研究傳力桿在不同長度情況下，對水泥混凝土接縫處傳荷的影響，如表4工況。
表4 傳力桿工況（不同長度）
通過分析繪制出受荷板豎向位移、未受荷板豎向位移、傳荷撓度系數(shù)隨傳力桿長度的變化規(guī)律如圖9。
圖9 不同長度下的受荷板側(cè)豎向位移
通過對圖9的分析，隨著傳力桿長度的增長，在不同傳力桿長度工況下，受荷板側(cè)豎向位移基本無任何變化，分別為0.235 mm、0.240 mm、0.242 mm，表明傳力桿長度對受荷板側(cè)的豎向位移影響極小，但也可看出，隨著傳力桿長度的增加，受荷板側(cè)豎向位移緩慢增加。
圖10 不同長度下的未受荷板側(cè)豎向位移
通過對圖10的分析，隨著傳力桿長度從0.41 m增加至0.51 m，未受荷板側(cè)產(chǎn)生的豎向位移遞減，豎向位移分別為0.165 mm、0.156 mm、0.147 mm，產(chǎn)生與傳力桿彈性模量、半徑增加相反的趨勢。
圖11 傳荷系數(shù)隨傳力桿長度的變化
通過對圖11的分析，傳荷撓度系數(shù)隨著傳力桿長度從0.41 m至0.51 m，傳荷撓度系數(shù)分別對應(yīng)為0.694、0.642、0.599，表明隨著傳力桿長度增加，傳荷撓度系數(shù)逐漸降低，基本呈線性相關(guān)。
從受荷板位移與傳荷撓度系數(shù)的影響，產(chǎn)生與傳力桿彈性模量、半徑增加相反的趨勢。經(jīng)過分析，其中主要原因是隨著傳力桿增加，擴大了混凝土面板的受力范圍，有效地分擔了通過傳力桿傳遞至未受荷板的荷載；且若是一味地縮短傳力桿長度，會引起板邊角承受更大的荷載，引起板邊角破壞、縮短水泥混凝土板的使用壽命。
3 結(jié)論
通過設(shè)置不同材料屬性下的傳力桿，通過分析受荷板與未受荷板的豎向位移，以及撓度傳荷系數(shù)得出以下結(jié)論。
a）當傳力桿彈性模量從0.1 GPa增至0.3 GPa受荷板豎向位移基本不受此影響，但是對未受荷板的豎向位移變化影響較大，從傳荷撓度系數(shù)上也同樣表明了提高傳力桿彈性模量能夠有效地提高傳力桿傳遞荷載的能力。
b）當傳力桿橫截面半徑從0.01 m至0.016 m，受荷板側(cè)豎向位移明顯減小，未受荷板豎向位移也明顯增加，表面?zhèn)髁U半徑越大，傳遞荷載的能力越強。
c）當傳力桿長度從0.41 m至0.46 m，受荷板側(cè)豎向位移略微變化，遠遠低于傳力桿橫截面半徑的影響；且在未受荷板側(cè)隨著傳力桿長度的增加，受荷板豎向位移呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，從傳荷撓度系數(shù)上看，也表明隨著傳力桿長度的變化，傳荷能力減弱。
d）根據(jù)3種不同的材料屬性對傳荷撓度系數(shù)的影響，表明傳力桿橫截面半徑對傳荷能力影響最大，傳力桿彈性模量的影響次之、傳力桿長度最差。
e）傳力桿長度對傳荷系數(shù)的影響是負面的，這背后主要是隨著傳力桿長度的增加，共同承擔荷載的水泥混凝土面板面積增加造成的結(jié)果，傳荷撓度系數(shù)不能完全說明傳荷的能力，且傳力桿越短可能會引起板邊角破壞，還需進一步研究傳力桿長度對水泥混凝土面板的影響。
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