陳萬鋒

摘要 基于預(yù)制混凝土路面板缺乏受力特性研究的問題，為了加強道路工程中預(yù)制混凝土路面板的技術(shù)研究，文章對其進行力學(xué)研究。對預(yù)制混凝土路面板進行靜力實驗，探究其極限承載力。研究采用三種不同應(yīng)力等級的預(yù)制混凝土路面板試件，觀測其開裂、應(yīng)力應(yīng)變和撓度。結(jié)果表明，其極限承載力為365 kN，裂紋的寬度都在1.5 mm左右。研究對裝配式公路路面的力學(xué)性能進行分析，以提升鉆井前期的施工效率，對打破鉆井前期工作時間緊迫的瓶頸，有著積極意義。

關(guān)鍵詞 道路工程；預(yù)制混凝土路面板；力學(xué)分析；壽命預(yù)測；靜力實驗

中圖分類號 TU528.2文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）06-0083-03

0 引言

道路工程中，裝配式路面是以預(yù)制的混凝土面板為面層、基層，與土基組合而成的一種路面形式[1]。隨著裝配式施工工藝的逐步成熟，對基礎(chǔ)進行裝配式施工的研究也在蓬勃發(fā)展。在橋梁、鉆探、機場和市政等領(lǐng)域，裝配式路面具有良好的發(fā)展前景[2]。值得一提的是，裝配式路面自身又是一種剛性表面，其強度高、穩(wěn)定性好、耐久性好，適用于工期緊、現(xiàn)場設(shè)備簡單、需再使用面板的工程[3-4]。道路工程中采用的預(yù)制混凝土路面是一種綠色環(huán)保的臨時設(shè)施，施工簡便，可長期重復(fù)使用，符合國家大力建設(shè)井場，發(fā)展頁巖氣的需要[5-6]。為了更好地開展頁巖氣鉆井前期工程中預(yù)制混凝土路面受力特性的研究，以及獲得更符合其工作條件的預(yù)制混凝土路面板的設(shè)計，研究將對預(yù)制鋼筋混凝土路面板進行力學(xué)性能分析與研究，以探索更高效率的施工工藝，更好地解決施工工期緊張等相關(guān)問題。

1 預(yù)制混凝土路面板計算方法與實驗研究

1.1 預(yù)制混凝土路面板設(shè)計與理論值計算方法研究

研究選擇了一條用于鋪裝預(yù)制路面的場地，考慮施工的便利性，將其按一定的模數(shù)進行設(shè)計，使其長度為3 000 mm，寬度為1 500 mm，以便橫向縫的縱縫連接。同時，現(xiàn)場規(guī)則化，預(yù)制混凝土路面板的長、短兩條可以任意拼接，無任何棱角凸出。預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)施工過程主要包含預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)、運輸、堆放、定位放線、墻板吊裝、墻板位置固定和調(diào)整、鋼筋綁扎、模板安裝、混凝土澆筑及陽臺或者樓梯等相關(guān)構(gòu)件的安裝、封頂、打膠，最后驗收。裝配式路面結(jié)構(gòu)有別于一般的水泥混凝土路面。在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為便于施工，在施工過程中不設(shè)路基，只設(shè)找平層，以保證路面的平整性[7]。在預(yù)制混凝土路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，將預(yù)制路面劃分為干拌砂漿找平層和預(yù)制路面兩層，根據(jù)施工場地的具體條件，可根據(jù)施工條件來決定是否設(shè)置防水材料[8]。為確保預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量和安全，承載力實驗是檢測預(yù)制構(gòu)件性能和質(zhì)量的重要手段，通過實驗可以確定預(yù)制板的承載能力，確保其滿足設(shè)計要求和使用安全[9-10]。承載力實驗可以驗證設(shè)計理論的準確性，為設(shè)計提供可靠的依據(jù)，同時也可以為改進設(shè)計提供反饋和指導(dǎo)。通常情況下，根據(jù)路面板的實際狀況分為中部與角部兩部分，其中預(yù)制混凝土路面板角部受壓區(qū)承載力計算如公式（1）所示。

式中，β1——預(yù)制混凝土路面板角部受壓區(qū)承載力；Ab——局部受壓的計算底面積；F1——局部受壓面上作用的局部荷載設(shè)計值。預(yù)制混凝土路面板中部受壓區(qū)承載力計算如公式（2）所示。

預(yù)制混凝土路面板最大裂縫寬度計算如公式（3）所示。

式中，C1——形狀系數(shù)，用于表示鋼筋表面；C2——影響系數(shù)，用于表示長期效應(yīng)；C3——受彎作用系數(shù)；σSS——鋼筋應(yīng)力；Es——彈性模量；ρte——效配筋率。

1.2 預(yù)制混凝土路面板承載力與疲勞度實驗研究

為了深入研究裝配式公路面板的受力特性，掌握其極限承載力，進行了靜力實驗。研究選取了一種規(guī)格為3 000 mm×1 495 mm，厚度為150 mm的板材。橋面鋪裝層為C40 N/mm2，雙向配筋，面層為C10@200 mm，下層鋼筋為C14@150 mm，兩種形式均為雙向配筋。在此基礎(chǔ)上，提出了一塊重1.67 t、C40混凝土0.675 m3、鋼筋108.93 kg的混合料。為了更好地研究傳力板作用下預(yù)制板的工作狀況，根據(jù)工程的具體情況和測試需要，分別設(shè)置相應(yīng)的測點?？紤]在道路面板中間行駛時，車輪下受到的載荷很大，所以，為了保證兩條接縫的兩條邊中點、兩條縫邊、兩條縫邊、車輪應(yīng)力為測點，保證兩個對稱測點的精度，以板中心為測點之一，鋼筋應(yīng)變共5個測點，縱向測點距離中心測點900 mm?；炷翜y點設(shè)置在板受壓區(qū)，也就是預(yù)制的混凝土面板上，與鋼筋的測點相對應(yīng)，由于在加載過程中不能粘貼應(yīng)變片，所以將S-X-3測量點的位置向中間測量點移動200 mm，共計6個。在裂縫測試開始前，在預(yù)制混凝土路面板繪制邊長為100 mm的方格，以便對板面的開裂狀況進行更精確的觀察。路面板加載裝置如圖1所示。

在圖1中，可以看出研究采用雙點加載，加載區(qū)域是傳力板的接觸面，通過分布梁完成雙點加載，兩塊加載板間隔為1 800 mm。預(yù)制混凝土路面板承載力實驗設(shè)計中，在進行靜載實驗前，必須對其進行預(yù)壓。在實驗過程中，為了避免損壞儀表，對應(yīng)變片和百分表的工作狀態(tài)都進行了測試。在加載時，要遵循表格式靜態(tài)加載的順序逐 步加載。在測試過程中，必須保證最近5 min的應(yīng)變增長不超過上一個5 min變形量的15%，并將預(yù)制面板下面的裂紋擴展和開裂情況記錄下來。模擬時選取多層的彈性體系，如圖2所示。

在圖2中，可以看出，在Ansys中，可以直接使用塊體指令（Block）對地基材料進行有限元分析，根據(jù)DP屈服準則，建立一個更理想的彈塑性本構(gòu)模型，并考慮土在屈服條件下的體脹效應(yīng)，而忽略了溫度效應(yīng)對土的影響。預(yù)制混凝土路面板采用多級隨機型增強模式，鋼筋按雙向等效硬化成型模型進行。鋪裝面板用固體單元仿真，整體模型用分段方法建立。

2 預(yù)制混凝土路面板力學(xué)性能實驗結(jié)果分析

2.1 預(yù)制混凝土路面板承載能力綜合力學(xué)分析

在測試前，認真地檢驗了鋪裝面板的尺寸和裂紋，以避免預(yù)制面板的損壞對試件承載力測試的結(jié)果產(chǎn)生影響。在荷載作用下，荷載達到100 kN（即極限荷載）時，會在板底拉壓區(qū)產(chǎn)生首道微裂紋，該裂紋主要發(fā)生在板底拉壓區(qū)，不是貫穿裂紋，而是以不連續(xù)的細裂紋形式存在。隨著加載的進行，裂紋逐漸擴展，并出現(xiàn)軸向?qū)ΨQ的裂紋。當(dāng)荷載達到120 kN后，裂紋開始向板基的方向發(fā)展，而變形的發(fā)展速率也在不斷加快。當(dāng)荷載由120 kN逐漸增加至300 kN時，裂紋寬度逐漸增大，裂紋數(shù)目不斷增多，裂紋擴展范圍主要發(fā)生在兩傳遞板荷載間的板下。在300 kN以上的荷載作用下，受拉區(qū)的混凝土已經(jīng)被推離，鋼筋的應(yīng)變增長和受壓區(qū)的變形也隨之增大，受拉區(qū)的混凝土發(fā)生了局部的損傷，構(gòu)件的塑性變形也隨之增大；由裂紋計測得的位移為6.5 mm，裂紋寬度為3.3 mm，最終得到的極限荷載為365 kN。實驗得到的實驗結(jié)果如圖3所示。

（a）荷載-撓度曲線圖

（b）荷載-裂縫寬度曲線圖

在圖3中，可以看出，在圖3（a）中撓度隨載荷增大而增大，且近似呈線性關(guān)系；在100 kN的載荷作用下，傳力板和道面板中間部位的撓度增大速度顯著加快，增長速度也加快，但在這個時候，混凝土仍在與鋼筋一起工作，所以生長比較穩(wěn)定，沒有發(fā)生突變。在荷載增大至300 kN時，板中撓度已達23.8 mm，板底邊緣處的撓度高達9.36 mm，三個測點的撓度均有很大幅度的增大，直至預(yù)制混凝土被頂出，直至失效。預(yù)制混凝土路面板受力360 kN后，中間板出現(xiàn)了6 cm以上的位移，并出現(xiàn)了1/50跨的撓度，導(dǎo)致了鋼筋的屈服。在圖3（b）中，在F=100 kN的荷載作用下，受拉區(qū)的混凝土仍在工作，而在荷載作用下，板的中部出現(xiàn)了0.06 mm的裂紋，在荷載作用的兩個部位，出現(xiàn)了10～80 mm的對稱裂紋。然而，當(dāng)荷載繼續(xù)增大時，板側(cè)、板中部和板荷載區(qū)域的裂紋寬度同時增大，板底部裂紋從中間向支座方向擴展，并且裂紋數(shù)目越來越多。當(dāng)加載在100～300 kN時，試樣處在“尚彈性”狀態(tài)，這三條裂紋的坡度都是一樣的，但是當(dāng)載荷大于300 kN時，這些裂紋就會變成底部貫穿裂紋，并且裂紋的寬度也會越來越大，在加載F=360 kN的情況下，裂紋的寬度都在1.5 mm左右，尤其是中間的裂紋擴展最大，達3.3 mm。

2.2 裝配式道路工程中的預(yù)制混凝土路面板鋼筋應(yīng)變實驗結(jié)果分析

通過對裝配式路面板受拉區(qū)三個位置的應(yīng)變分析，可以發(fā)現(xiàn)：在0～100 kN范圍內(nèi)，加載范圍內(nèi)的應(yīng)力增幅顯著低于隨后的增幅，并且加載部位（距面板中心900 mm）、中部和軸線600 mm處的應(yīng)力增幅幾乎一致，而在100～300 kN范圍內(nèi)，距板中心900 mm處的應(yīng)變增幅要大得多，但增長趨勢相同。當(dāng)預(yù)制混凝土路面板加載F=300 kN后，鋼筋逐漸從受拉區(qū)退去，受力集中在鋼筋上，當(dāng)F=365 kN時，結(jié)構(gòu)開始失效。預(yù)制混凝土路面板不同位置的荷載-鋼筋應(yīng)變實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 預(yù)制混凝土路面板不同位置的荷載-鋼筋應(yīng)變圖

圖4可以看出，與900 mm和600 mm區(qū)域的鋼筋相比，在荷載作用下，混凝土中的受拉區(qū)鋼筋的應(yīng)變值要小很多，這表明在荷載作用下，鋼筋起主要作用。在0～100 kN范圍內(nèi)，隨著荷載的增大，應(yīng)力逐漸增大；在全荷載下，鋼筋的應(yīng)變幾乎是線性上升的。

3 結(jié)論

在道路工程中，存在著預(yù)制混凝土路面的力學(xué)性能研究不夠充足的問題，且長度在3 000 mm及以上的裝配式路面中的系統(tǒng)力學(xué)研究較少。因此針對該問題，研究通過室內(nèi)實驗，對預(yù)制鋼筋混凝土路面板展開了技術(shù)分析與力學(xué)研究，探究其承載力和板開裂的應(yīng)力等數(shù)據(jù)變化，為預(yù)制混凝土路面板提供了荷載依據(jù)。通過靜載實驗，研究裝配式鋪裝層在荷載作用下直至全部失效的狀態(tài)下的極限承載能力。研究表明，900 mm和600 mm區(qū)域的鋼筋相比，在荷載作用下，混凝土中的受拉區(qū)鋼筋的應(yīng)變值要小很多；預(yù)制混凝土路面板的極限破壞力為365 kN；撓度隨載荷增大而增大，且近似呈線性關(guān)系。研究中依舊存在著不足之處，例如目前對裝配式公路面板受力特性的研究尚不完善，因受條件所限，未再進行預(yù)制混凝土路面板配筋、配比、配筋強度等方面的實驗研究，在未來的工作中將對其進行更深入的橫向?qū)Ρ妊芯俊?/p>

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