传力杆直径对水泥混凝土路面传荷性能影响的数值分析

２０１２年第２期　（总第２１６期）　黑龙江交通科技　ＨＥｌＬＯＮＧＪＩＡＮＧ　ＪＩＡＯＴＯＮＧ　ＫＥＯ　Ｎｏ．２，２０１２　（Ｓｕｍ　Ｎｏ．２１６）　传力杆直径对水泥混凝土路面传荷性能影响的数值分析　丘概新　（广东省高速公路有限公司）　摘要：采用水泥混凝土路面分析程序ＫＥＮＳＬＡＢＳ分析传力杆直径对水泥混凝土路面传荷性能的影响。研　究结果表明：传力杆直径越大，水泥混凝土路面的传荷效率越大，产生错台的可能性越小，对于特重或重交通　路面建议采用３８　ｍｍ传力杆直径。　关键词：水泥混凝土路面；传力杆；传荷性能　中图分类号：Ｕ４１６．２１４　文献标识码：Ｃ　文章编号：１００８—３３８３（２０１２）０２—０００５—０１　１　引　言　的位移是最大的。因此，分析采用不同直径传力杆，受荷板　水泥混凝土路面长期处于自然环境中，在大气温度周期　和未受荷板接缝边缘的弯沉差和接缝传荷系数，计算结果可　性的变化下会产生温度变形。倘若这种变形受到约束，将会　见表１，接缝传荷系数计算公式如下　成为板内应力，当板内应力超出容许范围时，板即产生不规　则裂缝，被挤压碎，甚至隆起。为了消除温度引起的内应力，　：　！　×ｌＣ　Ｏ　０　ＯＯ（％）ｌ■　＾ｔ　Ｅ　Ｓ　Ｗ　需要用纵向和横向各种形式的接缝将道面分割开来。　式中：叫　为未受荷板接缝边缘处的弯沉值；Ｗ　为受荷板接缝　ｍⅢｍⅢｍⅢｍ　ｍ　．　普通水泥混凝土路面设置切缝的目的是避免温度变化　边缘处的弯沉值。　引起的不规则开裂。然而，接缝的设置又破坏了结构的整体　啪ｓ１．＾■０蛐ｓ越．西ＦＯＩＩ￣ＴＸＯ■　■１ｔＭ　ｒｌＵ　ＣＯ■ｔ＾ｃｔ　性，反而成为路面中的薄弱环节。因此，《公路水泥混凝土路　Ｐｔ曲１蚺Ｉｏ－ｌ　Ｐ●ｔ１ｏｄ脚－ｉ　Ｌｏａｄｈ－时珂口・ｉ　ｒＳ盯。１　－　－０　・０　●●　面施工技术规范》（ＪＴＧ　Ｆ３０—２００３）规定，特重、重交通高速　●Ｍ■ｘ．ＳｔⅢ■－－８５０．●，　●　ｌ　公路水泥混凝土路面应采用每条缩缝插传力杆的结构形式。　。恤ｉｉ。ｍ　Ｌ’’ｘ“・”砒ｎ‘　。　：　＿ｎ　实践表明，接缝插传力杆可以有效地提高接缝传荷能力，并　减小错台量，改善行车舒适性；同时，由于传力杆和拉杆能够　将车轮荷载向四周的板块进行传递，减小了直接承受轮载作　用面板的内应力，因此使面板的疲劳应力强度比有所降低，　使用寿命可提高３年以上；又由于板角传力杆与拉杆的存　在，提高了板角对脱空断裂的抵抗能力。　我国对传力杆的研究工作较少，传力杆的设计还需要进　步完善。如传力杆的适宜直径如何设计，直径过小，不能　。　。　一。　：：　。　有效地传递荷载；直径过大，采用传力杆自动插入法施工时，　会影响接缝部位的施工质量，并直接导致路面平整度变差。　图１　水泥路面的有限元网格　因此，我国学术界有两个截然不同的观点：一个观点从提高　水泥混凝土路面平整度的角度，认为现有规范的传力杆直径　由表１可见，水泥混凝土面层弯沉差随着传力杆直径　过粗，应该采用较细的传力杆直径；另外一个观点从减少面　的增大而呈现减小趋势。传力杆直径小于３８　ｍｍ时，随着　板错台的角度，认为需采用比现有规范推荐传力杆直径更粗　传力杆直径增大，面板缩缝的传荷能力有了明显的提高，相　的传力杆。采用合适的传力杆直径对于提高高速公路水泥　邻两块板之间的沉降差减少，可以有效地减少路面的错台和　混凝土路面工程质量和延长路面寿命具有重要意义。因此，　断板现象。传力杆直径大于和等于３８　ｍｍ时，面板的沉降　建立水泥混凝土路面的有限元模型，采用刚性路面分析程序　差和传荷系数减少的趋势减缓，传荷系数大于８０％，由表２　ＫＥＮＳＬＡＢＳ研究传力杆直径和间距对路面传荷性能的影响。　可知，传荷能力可达到优良等级。　２传力杆直径对路面传荷性能影响的数值分析　表１　不同直径传力杆对传荷效率影响　ｍｍ　２．１建立有限元模型　采用黄仰贤教授编写的刚性路面分析程序ＫＥＮＳＬＡＢＳ　分析传力杆尺寸对路面力学性能，并根据某高速公路的路面　结构建立有限元模型。面板长５　ｍ，宽４．５　ｍ，弹性模量为　３．１　ＧＰａ，泊松比为０．１５。基层厚度１７　ｃｍ，弹性模量为　１　３００　ＭＰａ，底基层厚度为１７　ｃｍ，弹性模量为６００　ＭＰａ，路基　弹性模量为４０　ＭＰａ，各结构层泊松比为０．４，根据《公路水泥　混凝土路面设计规范》（ＪＴＧ　１３４０—２００２）可得到基层顶部当　量回弹模量为１９８　ＭＰａ。标准轴载１００　ｋＮ荷载作用在板边。　接缝处设置传力杆，接缝宽为３　ｍｍ。传力杆间距为３０　ｅｍ，　假定板和基层间无空隙。面板有限元网格可见图１。　２．２不同传力杆直径对传荷效率的影响　根据数值分析可知，当标准轴载作用在板边接缝边缘时　（下转第７页）　收稿日期：２０１１—１２—０２　作者简介：丘概新（１９７９一），男，工程师。　・５・　第２期　曾明呜，孙茂辉：灾害性洪水时期远东地区公路排水调节措施研究　ｈ　口＝ｈ　高度（或者ｄ为对于圆管涵）。　涵洞流量值　，ｍ。／ｓ，按下列公式计算　＝总第２１６期　涵洞的长度按下列公式计算　ｚ＝［　１　ｎ・】＋【　（３）　Ａ／　（６）　÷　ｓｌｎｏ￣　水流速度　，ｍ／ｓ，以及涵洞出口的弗劳德数（Ｆｒｏｕｄｅ　其中：Ｂ为公路路基宽度，ｍ；ｍ为边坡坡度；Ｈ为路堤高度，　ｎｕｍｂｅｒ）Ｆ　按下列公式计算　ｍ；ｈ　为涵洞高度，ｍ；ｎ为环节壁厚度，ｍ；ｉ为在构造物旁的　涵洞的角度；　为流量系数，由公式确定　ｖ　ｊ　出口一　—（７）　出口　“＝　焉　（４）　（８）　ｇ’　０　其中：　为进口阻力系数，流线型洞口建筑等于０．２；Ａ为水　河道中水流的极限深度由下列公式确定　力摩擦系数（０．０２７）；ｌ为涵洞长度，ｍ；ｄ为涵管直径，ｍ；　为过水截面面积，按公式计算　（９）　∞＝华　（５）　其中：　为极限能量系数，等于１．１；ｇ为自由落体加速度。　在过水涵洞满水压工作状态下，水流速度达到５－６　ｍ／ｓ的　用选配的方法找到排水河道的水流标准深度。　流量。在未加固的排水河床，土壤的过水速度为０．７—１．０　ｍ／ｓ。　当发生洪水时，当系统中泄水涵洞的工作出现满水压或　因为过水涵洞的桥头引道的路堤边坡能够从上下两个方向被冲　半水压状态，应在面向洪水靠近涵洞的地方用加固承重结构　刷，在过水构造物的帮助下路堤局部冲刷可经常观察到，因此涵　来加固高路堤的边坡（混凝土板，大尺寸的抛石、石笼等　洞出水口洞口建筑计算具有巨大的意义。　等）。　借助于构造物的排水路段的计算包括以下条件保证，即　３结论　能及时防止来自于低水区方向的路堤边坡的冲刷。计算转　上述措施在跨纽伊河公路桥的泄水河道的工作中得到　化为水流联合型式的分析、流动水流的水力特征的确定、可　了很好应用，桥梁和道路得到了保护。在我国一些类似气候　能性局部冲刷的分析和它们之中危险存在的计算、低水区加　条件的地区在进行桥涵路基设计时可以借鉴俄罗斯远东地　固型式和冲刷的选择。　区的一些经验做法。　涵洞出水口水流的水力特征，以及地形条件将是排水路　段计算的数据来源。　参考文献：　在泄洪涵洞系统后面水流的空间联合形式由泄洪河道　［１］　Ａ．Ｈ．，ｑｐＭＯｎＨｎＣＫ．ｖ￣，Ｂ．Ａ．．ｑｐＭＯｎＨＨＣＫｍ￣．１＇Ｉｐｏｅ￣ｒｎｐｏＢａｎｎｅ　的坡度以及相对深度（在出口处，在不受约束河床的条件下　ＸＯＨＣＴｐｙＫＩｍｆ＊ａＢＴＯＭＯ６Ｉ￣ｑｂＨｂｌＸ￣ｏｐｏｒ　ｃ　ｙｑｅＴＯＭ　ｎｐＨｐｏ￣ＨＯ—　的水流流动）来确定。　ｏｃｏ６ｅＨＨｏｃｒｅ￣ｊＩａｎｂｎｅｒｏ　ＢｏｃｒｏＫａ［Ｍ］　Ｘａ６ａｐｏＢｃｒ．２００５　对于未被淹没的过水涵洞，出水口水流深度应采取　（上接第５页）　续表４　表２接缝的传荷能力分级标准　２．３　不同传力杆间距对传荷效率的影响　假定传力杆直径为３５　ｍｍ和３０　ｍｍ，分析不同传力杆间　距对传荷系数的影响。由表３和表４可知：随着传力杆间距　注：传力杆直径为３０　ｉｎｎｌ　的减少，面板缩缝的传荷能力有了明显的提高，相邻两块板　３结论　之间的沉降差减少。传力杆直径为３０　ｍｍ，间距为２５０　ｍｍ　（１）根据数值分析可知，水泥混凝土面层弯沉差随着传　与传力杆直径为３５　ｍｍ，间距为３００　ｍｍ的传荷系数和沉降　力杆直径的增大而呈现减小趋势。传力杆直径小于３８　ｍｍ　差都非常接近。这说明减少传力杆间距可以有效提高接缝　时，随着传力杆直径增大，面板缩缝的传荷能力有了明显的　的传荷能力，减少错台和断板病害。　提高，传力杆直径大于和等于３８　ｍｍ时，面板的沉降差和传　表３不同传力杆间距对传荷效率影响　ｍｍ　荷系数减少的趋势减缓。　（２）传力杆间距对水泥路面传荷效率影响较大，减少传　力杆间距可以有效提高接缝的传荷能力，减少错台和断板病　害。　（３）对于承受特重或重交通路面应增大传力杆直径，建　议设置直径３８　ｍｍ的传力杆，传力杆间距为３０　ｃｍ，或者传　力杆直径尺寸参照现行规范，但是缩小传力杆间距到２Ｏ～　２５　ｃｍ。　注：传力杆直径为３５　ｍｍ　参考文献：　表４不同传力杆间距对传荷效率影响　ｍｍ　［１］广东省交通厅．广东省水泥混凝土路面施工技术指南［Ｊ］．　２００９．　［２］　高伟，徐明．水泥混凝土路面缩缝传荷体系的力学分析与优化　［Ｊ］．公路，２００８，（６）：８３—８７．　［３］　黄仰贤．路面分析与设计［Ｍ］，人民交通出版社，１９９８．　・７・