水泥混凝土路面拓寬段拉桿設(shè)置類型研究

1、水泥混凝土路面拓寬段拉桿設(shè)置類型研究摘要：針對水泥混凝土路面拓寬段拉桿受力特點，結(jié)合廣東省某高速公路改擴建工程擬采用的兩種類型的拉桿，借助有限元法對這兩種拉桿在車輛荷載下及路基沉降條件下所產(chǎn)生的應(yīng)力情況進行分析研究，合理評價這兩種拉桿的使用特點，為后續(xù)水泥混凝土路面拓寬工程中所采用的拉桿類型提供思路及參考。關(guān)鍵詞：拉桿；拓寬；水泥混凝土路面；有限元隨著我國國民經(jīng)濟迅速發(fā)展，早期修建的四車道水泥混凝土公路越來越無法滿足交通量增長的需要，為滿足道路通行能力的需求，有必要對這些公路進行拓寬。而在水泥混凝土路面拓寬設(shè)計中，新舊路面如何進行合理搭接、拓寬部分路面如何布設(shè)等，盡管國內(nèi)外都對此進行了大量探索

2、性研究【1】-【3】，目前尚沒有一套成熟適用的技術(shù)來指導(dǎo)設(shè)計和施工【4】。特別是對水泥混凝土路面拓寬后再進行瀝青罩面的工程，由于罩面后路面為剛?cè)釓?fù)合路面結(jié)構(gòu)，拓寬部位車道無論采用剛性基層、半剛性基層還是組合式柔性基層，在車輛荷載的作用下，與舊水泥混凝土面板拼接部位的豎向變形很難達到協(xié)調(diào)，從而在拼接位置處產(chǎn)生較大的橫向拉應(yīng)力和縱向彎拉應(yīng)力，長期作用下，拼接部位的路面將會產(chǎn)生裂縫。在實際施工中，為防止此部位裂縫的產(chǎn)生，可采取加強對路基穩(wěn)定性處理和填筑壓實質(zhì)量等措施來降低因豎向變形而引起的應(yīng)力外，目前最常用的且比較經(jīng)濟合理的方法是在舊板厚度中部設(shè)置水平向拉桿。 縱觀國內(nèi)眾多工程實踐及研究可知【5】-

3、【7】，拉桿設(shè)置的主要作用是為了保持縱縫兩側(cè)路面板的整體性，防止在荷載作用下向兩側(cè)移動，并不要求拉桿具有傳遞車輪荷載的功能。因此，拉桿的設(shè)計主要考慮拉桿本身的抗拉強度及拉桿與水泥混凝土之間的粘結(jié)力是否超過容許應(yīng)力的范圍。目前，國內(nèi)水泥混凝土路面的拉桿均按照現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定的要求進行設(shè)置，但這種拉桿設(shè)置類型是否適合水泥混凝路面拓寬工程，或者是否有更適合的設(shè)置類型，本文結(jié)合廣東省某高速公路改擴建工程，對此類問題進行了相關(guān)的研究。該高速采用舊混凝土路面兩側(cè)加寬，由雙向四車道拓寬為八車道，新舊路面拼接位置處設(shè)置拉桿，擬采用兩種拉桿設(shè)置類型，一種為直桿，一種為桿端彎曲。本文借助有限元法對這兩種類型的拉桿在

4、車輛荷載下及路基沉降條件下所產(chǎn)生的應(yīng)力情況進行分析研究，合理評價這兩種拉桿的使用特點，為后續(xù)水泥混凝土路面拓寬工程中所采用的拉桿類型提供思路及參考。 1.建立有限元模型 采用ANSYS大型有限元通用軟件，建立了該路面結(jié)構(gòu)的空間實體有限元模型，其中路面結(jié)構(gòu)采用solid65單元進行離散分析，拉桿采用beam189單元進行離散分析，模型共建立28776個節(jié)點，87692單元，路面結(jié)構(gòu)建立有限元模型如圖1所示，車輛荷載加載如圖2 所示。 圖1 混凝土路面加寬有限元模型 圖2 混凝土路面車輛荷載加載示意圖 汽車輪載采用單軸雙輪，為便于有限元分析，汽車輪載采用18.9cm18.9cm 的正方形垂直均布荷

5、載模擬，雙輪間距32cm，兩側(cè)輪隙間距為182cm，接觸壓應(yīng)力為0.7MPa，荷載位置取在混凝土路面板拼接位置的加寬路面板邊緣，縱向為板中位置，加寬的新混凝土板與舊混凝土板的縱向接縫處設(shè)置拉桿，拉桿設(shè)置參考公路水泥混凝土設(shè)計規(guī)范（JTG D40-2002），拉桿的直徑為16mm，間距60cm。直桿長為80cm；另一種進行桿端彎曲設(shè)置，其中彎曲的長度為0.2m，彎曲角度為90。新舊道路各結(jié)構(gòu)層參數(shù)見表1表2所列。 表1 舊路各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù) 表2 新路各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù) 2.車輛荷載作用下的應(yīng)力分析 將BZZ-100標準車輛荷載作用于道路拓寬處的路面板頂時，分析新、舊瀝青混凝土路面各結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力分

6、布和拉桿的受力情況。 2.1車輛荷載作用于混凝土面板中部 在車輛荷載作用下，兩種拉桿設(shè)置類型中，瀝青面層底部和混凝土面板板頂應(yīng)力分布見表3所列。 表3瀝青面層底部和混凝土面板板頂應(yīng)力分布（MPa） 圖3圖4分別為兩種拉桿類型在行車荷載作用下，新舊混凝土板之間拉桿的受力分布圖。 圖3 拉桿受力分布圖（Pa）圖4 彎拉桿受力分布圖（Pa） 從圖3圖4中可以看出，當拉桿為直桿時，在臨近汽車荷載作用位置的拉桿最大拉力為0.36MPa；當拉桿為彎拉桿時，在臨近汽車荷載作用位置的拉桿最大拉力為0.4MPa；其余拉桿受力隨其距汽車荷載作用位置的增加而減小。 從以上分析可以看出，當車輛荷載作用于車道板中央時，

7、新舊混凝土之間的拉桿彎曲對于瀝青混凝土面板層底的橫向拉應(yīng)力和接縫處的剪應(yīng)力都有一定的影響，但影響不大；對于混凝土板頂?shù)膽?yīng)力也影響不大；但對碾壓混凝土豎向拉應(yīng)力影響較大，明顯低于直桿時所受應(yīng)力；同時在采用彎曲拉桿時，拉桿可承受的應(yīng)力明顯比直桿要大。 2.2車輛荷載作用于混凝土面板接縫處 在車輛荷載作用下，兩種拉桿設(shè)置類型中，瀝青面層底部和混凝土面板板頂應(yīng)力分布見表4所列。 表4瀝青面層底部和混凝土面板板頂應(yīng)力分布（MPa） 圖5圖6分別為兩種拉桿類型在行車荷載作用下，新舊混凝土板之間拉桿的受力分布圖。 從圖5圖6中可以看出，當拉桿為直桿時，在臨近汽車荷載作用位置的拉桿最大拉力為0.35MPa；當

8、拉桿為彎拉桿時，在臨近汽車荷載作用位置的拉桿最大拉力為0.38MPa；其余拉桿受力隨其距汽車荷載作用位置的增加而減小。 從以上分析可以看出，當車輛荷載作用于混凝土接縫時，拉桿類型對瀝青面層底部、混凝土面板板頂及拉桿受力規(guī)律與車輛荷載作用于車道板中央時相一致，即新舊混凝土之間的拉桿彎曲對于瀝青混凝土面板層底的橫向拉應(yīng)力和接縫處的剪應(yīng)力都有一定的影響，但影響不大；對于混凝土板頂?shù)膽?yīng)力也影響不大；但對碾壓混凝土豎向拉應(yīng)力影響較大，明顯低于直桿時所受應(yīng)力；同時在采用彎曲拉桿時，拉桿可承受的應(yīng)力明顯比直桿要大。 圖5 拉桿受力分布圖（Pa） 圖6 彎拉桿受力分布圖（Pa） 3.基于拓寬路面土基下沉?xí)r拉桿

9、的應(yīng)力分析 前述可知，拉桿的作用主要是保持縱縫兩側(cè)水泥混凝土面板的整體穩(wěn)定性，而在水泥混凝土路面加寬工程中，由于拓寬段的土基受力與舊土基的受力情況相差太大，在行車荷載的作用下，拓寬段的土基很容易出現(xiàn)不均勻沉降。在這種情況下，設(shè)置拉桿可在一定程度上保持新舊路面的整體穩(wěn)定，延緩或抵抗拓寬段路面的沉降。因此，本文通過研究土基下沉10mm、20mm、30mm和40mm時，作用在這兩種類型的拉桿上的受力情況，以分析這兩種類型的拉桿抵抗路面沉降的優(yōu)劣。 根據(jù)前述有限元模型計算可得拓寬路面土基不同下沉深度時，這兩種類型的拉桿的受力大小，見表5所列。 表5不同類型拉桿承受拉力大小（MPa） 從表5可知，在相同

10、的土基下沉深度，作用在直桿上的拉力要比作用在彎拉桿上的拉力要大，且隨著土基下沉深度的不斷增加，作用在直桿上拉力的增長速度要遠遠大于彎拉桿，表明端頭彎曲的拉桿在一定程度上分散了由于土基下沉而引起的應(yīng)力，其保持路面板整體穩(wěn)定性能要遠遠優(yōu)于直桿。 4.總結(jié) 通過對公路拓寬路面板在車輛荷載和土基下沉作用下的應(yīng)力分布情況，可以得到以下結(jié)論： （1）無論拉桿類型為直桿還是彎拉桿，其加鋪瀝青面層的底部最大應(yīng)力均小于瀝青混凝土的抗拉和抗剪強度，滿足瀝青混凝土路面的使用要求； （2）無論拉桿類型為直桿還是彎拉桿，其新、舊混凝土板板頂最大應(yīng)力均小于混凝土的最大抗拉強度，能夠滿足水泥混凝土的使用要求； （3）從拉桿為直桿和桿端彎曲兩種形式的力學(xué)性能分析可知，拉桿設(shè)置為桿端彎曲的形式有利于混凝土板之間力的傳遞和提供更大的拉應(yīng)力； （4）從對拓寬段土基下沉?xí)r拉桿的應(yīng)力分析可知，拉桿設(shè)置為桿端彎曲的形式有利于分散由于土基下沉而引起的應(yīng)力，能較好的確保新舊路面板整體的穩(wěn)定性。 參考