傳力桿接觸應(yīng)力

概述

設(shè)傳力桿的水泥混凝土路面接縫通常因傳力桿松動量增加而喪失傳遞荷載的能力,甚至出現(xiàn)混凝土的擠碎破壞。在已有的力學(xué)分析模型中,有的采用彈性懸臂梁連接板或者利用代表傳力桿傳遞荷載能力的梁單元和代表混凝土對傳力桿支承傳遞荷載作用的彈簧單元建立有限元模型, 也有的建立了二維有限元模型, 但是這些模型都難以有效模擬傳力桿混凝土界面、混凝土與地基接觸狀況,因而無法精確地分析路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的各種應(yīng)力變化規(guī)律、傳力桿與混凝土界面的接觸應(yīng)力分布規(guī)律和傳力桿周圍混凝土破碎和拉裂等問題 ;同時,也不能方便地分析溫度變化以及溫度變化和車輛荷載同時作用對路面結(jié)構(gòu)內(nèi)有關(guān)應(yīng)力、應(yīng)變的影響規(guī)律 。為此 ,筆者采用通用有限元軟件 ANSYS , 利用實體單元模擬混凝土板和傳力桿 ,建立三維有限元分析模型 ,對軸載及溫度變化作用下傳力桿與混凝土界面處的應(yīng)力分布及變化規(guī)律進(jìn)行分析, 旨在為傳力桿裝置的改進(jìn)提供依據(jù)。

1 設(shè)傳力桿路面的三維有限元模型

為了簡化分析, 視地基為彈性半空間體, 在水平和垂直方向上是無限大的。在計算中假定其他參數(shù)不變 ,逐步擴(kuò)大地基的尺寸,板的應(yīng)力隨著地基尺寸的增大而逐步穩(wěn)定, 直至應(yīng)力收斂為止。通過大量試算 ,最后確定地基的計算尺寸為 5. 0 m ×7. 0 m ×7. 0 m 。板寬取 3. 75 m ;板長根據(jù)需要取值 ,一般取4. 0 、5. 0 、6. 0 m 。傳力桿長度為 450 m m ,沿混凝土板的接縫中心線設(shè)置 ,接縫寬度為 10 m m 。傳力桿與混凝土界面是計算分析時所關(guān)心的部,因此, 在傳力桿及其周圍混凝土和橫向接縫處采用非常細(xì)的網(wǎng)格 ,從接縫到遠(yuǎn)處邊界采用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格梯度。合理建立接觸模型對于正確分析路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為是十分關(guān)鍵的?；炷涟迮c地基的接觸面具有可滑動性,在交通荷載和溫度梯度的共同作用下 ,混凝土板必然會產(chǎn)生收縮或膨脹、翹曲或拱起變形。變形使得板在基層上產(chǎn)生部分滑移 ,滑移時板與地基處于部分接觸狀態(tài), 因此認(rèn)為板與地基之間具有摩擦或者脫空接觸的滑動界面 , 摩擦因數(shù)取為1. 5。傳力桿的基本功能是在相鄰板塊之間傳遞荷載 ,同時又不限制路面板在縱向自由移動, 因此通常在傳力桿表面涂以防黏劑, 如聚乙烯膜、瀝青或各種蠟, 盡量減少傳力桿和混凝土的黏結(jié)。為防止傳力桿銹蝕 ,通常在其表面涂敷瀝青膜或環(huán)氧樹脂防銹層 ,而防黏劑通常涂敷或套在防銹層外面以減少與混凝土之間的摩擦。本文中假設(shè)傳力桿與周圍混凝土有 0. 05 mm 的初始空隙, 以模擬防黏層或防銹層 。設(shè)置初始空隙有 2 方面作用 :一方面 ,在傳力桿不發(fā)生彎曲的情況下 , 初始空隙的存在允許板不受傳力桿的約束而自由滑動;另一方面 ,板的翹曲或拱起導(dǎo)致傳力桿彎曲, 初始空隙模擬傳力桿與混凝土能以任意角度發(fā)生不均勻或部分接觸。因此 ,假設(shè)傳力桿與混凝土界面為摩擦接觸的滑動界面。AASH O 路面設(shè)計指南建議混凝土與基層的摩擦因數(shù)為 0. 9 ～ 2. 2 ,而缺乏傳力桿與混凝土間摩擦因數(shù)的研究 ,本文中將其暫取為 0. 05 進(jìn)行分析 。

計算過程中采用彈性模型, 假設(shè)材料參數(shù)不隨溫度而變化。作用在混凝土板上的荷載分為交通荷載和溫度荷載。采用標(biāo)準(zhǔn)軸載 100 kN 作為交通荷載 ,并簡化成當(dāng)量圓形均布荷載進(jìn)行計算 。計算時假設(shè)交通荷載 p =0. 7 M Pa , 則當(dāng)量圓的直徑為0. 302 m 。按照沿混凝土板厚內(nèi)溫度變化將溫度荷載分為 2 種情況:①溫度沿板厚均勻變化 ;②溫度沿板厚不均勻分布, 通常用溫度梯度 r ,即板頂溫度與板底溫度之差來表示。對于設(shè)傳力桿混凝土路面, 接縫處的傳力桿在板翹曲或拱起變形作用下發(fā)生彎曲, 限制混凝土板的自由伸縮 ,這時均勻溫度變化對板應(yīng)力會有影響。因此,本文中將在路面板厚內(nèi)施加不同的溫度情況,包括正溫度梯度、負(fù)溫度梯度和溫度均勻變化, 研究路面板溫度應(yīng)力變化規(guī)律。

2 傳力桿與混凝土界面最大應(yīng)力分布規(guī)律

2. 1 交通荷載的影響

板長分別取 4. 0 、5. 0 、6. 0 m , 板厚 26 cm , 板模量 E c =30 GPa , 地基模量 Es =150 M Pa , 傳力桿模量 210 GPa ,直徑 32 mm ,計算傳力桿與混凝土界面接觸應(yīng)力。結(jié)果表明 , 板長對傳力桿與混凝土界面接觸應(yīng)力分布規(guī)律及最大接觸應(yīng)力值影響不大。因此,只對板長為 5. 0 m 情況時的傳力桿與混凝土界面應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究 。應(yīng)力分布云圖可以更直觀地了解應(yīng)力沿圓周的分布規(guī)律。由此可見,在接縫面處傳力桿周圍混凝土高剪應(yīng)力和高支承應(yīng)力,容易導(dǎo)致與傳力桿相接觸的混凝土的擠碎和拉裂等破壞,增加傳力桿松動量,降低傳遞荷載能力,甚至導(dǎo)致板邊整體碎裂破壞。

2. 2 溫度的影響

溫度沿面板厚度的不均勻分布,使面板產(chǎn)生翹曲變形,傳力桿也隨之發(fā)生彎曲變形,傳力桿的彎曲使傳力桿與混凝土接觸面出現(xiàn)應(yīng)力。隨著交通荷載作用,傳力桿彎曲變形增加,這將進(jìn)一步增大傳力桿與混凝土界面的接觸應(yīng)力。開裂是混凝土路面損壞的主要形式,包括板中橫向裂縫、板邊和板角斷裂。板長5. 0 m 時在溫度與交通荷載共同作用下的傳力桿與混凝土界面最大主應(yīng)力、最大剪應(yīng)力和垂直應(yīng)力分布規(guī)律。有情況下最大剪應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均出傳力桿與混凝土界面頂部,表明與傳力桿頂部相接觸的混凝土承受彎曲變形,主應(yīng)力值最大,而最大主應(yīng)力出底部附近。因此,與傳力桿頂部和底部相接觸的混凝土存在壓碎或者拉裂的可能。另外, 計算結(jié)果還表明, 板長對傳力桿與混凝土界面接觸應(yīng)力分布規(guī)律無明顯影響,最大接觸應(yīng)力值不因板長而變化。

2. 3 板長的影響

溫度梯度和均勻降溫(包括0. 7 MPa 輪載)共同作用下的最大接觸應(yīng)力值。最大主應(yīng)力值隨板長的增加、均勻降溫幅度的增大而降低。由于負(fù)溫度梯度作用使板翹曲,傳力桿也隨之發(fā)生彎曲,如果在溫度梯度和均勻降溫共同作用下,板發(fā)生收縮變形, 板的收縮企圖拉直彎曲的傳力桿,這在一定程度上降低了傳力桿頂部接觸應(yīng)力, 這可能就是最大主應(yīng)力隨均勻降溫幅度增大而下降的原因。這種情況在板長為5. 0 、6. 0 m 時比較明顯,這也表明了板的收縮和板長之間有內(nèi)在的關(guān)系, 即板的收縮變形受板長影響。在溫度梯度作用下最大主應(yīng)力值接近斷裂極限,界面處有可能形成裂縫。當(dāng)考慮溫度均勻下降時,只有4. 0 m板長最大主應(yīng)力值達(dá)到斷裂極限, 板長5. 0、6. 0 m的最大主應(yīng)力有下降趨勢,這有利于防止界面裂縫的產(chǎn)生。

3傳力桿與混凝土界面接觸應(yīng)力

傳力桿直徑為32 mm ,埋入混凝土的長度為22cm 。傳力桿與混凝土界面各種接觸應(yīng)力沿傳力桿長度方向的分布規(guī)律，中橫軸為離接縫縫隙中心(或傳力桿中點)的距離, 如“0”代表接縫位置,“ - 5”代表傳力桿在受荷板內(nèi)5 cm的位置處, “5”代表傳力桿在未受荷板內(nèi)5 cm的位置處。沿著傳力桿長度方向的應(yīng)力分布規(guī)律為:傳力桿與混凝土接觸應(yīng)力最大值的位置在接縫處,隨著離混凝土接縫處距離的增大,應(yīng)力值迅速下降,在傳力桿兩端接近為0,在離接縫處約8 cm范圍內(nèi), 各種接觸應(yīng)力值比較大?；炷涟逶跍囟忍荻茸饔孟碌穆N曲或拱起會導(dǎo)致傳力桿彎曲。除了翹曲或拱起引起板收縮外,在溫度均勻變化作用下板也將產(chǎn)生收縮變形。傳力桿的彎曲限制了板在水平方向的收縮,導(dǎo)致傳力桿與混凝土界面產(chǎn)生附加軸向拉力。

4 結(jié)語

(1)在輪載以及輪載和溫度變化共同作用下,傳力桿與混凝土界面存在明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。接觸應(yīng)力集中現(xiàn)象發(fā)生在離接縫面0 ～8 cm 范圍內(nèi),而考慮均勻降溫作用時, 高拉應(yīng)力和主應(yīng)力發(fā)生在桿兩端附近及接縫面附近。

(2)無論在正溫度梯度還是負(fù)溫度梯度作用下,最大主應(yīng)力均接近材料的破壞極限, 從而容易在界面處形成初始裂縫和擠碎, 使傳力桿松動量增大,降低傳遞荷載能力, 甚至出現(xiàn)傳力桿周圍混凝土的嚴(yán)重碎裂。

(3)為減小接觸應(yīng)力, 有必要改進(jìn)傳力桿裝置,以避免出現(xiàn)傳力桿與混凝土接觸應(yīng)力集中現(xiàn)象, 從而在路面使用壽命內(nèi)保持傳力桿的傳遞荷載效能,并避免接縫處混凝土板出現(xiàn)碎裂、斷板等破壞現(xiàn)象。

傳力桿1 概述

接縫傳荷能力對水泥混凝土路面使用性能有著重要影響，橫縫處設(shè)置傳力桿能夠明顯提高板間傳荷能力，降低板邊和板角處豎向變形，從而延緩錯臺發(fā)展速度，保證水泥路面的長期使用性能。國外一些現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果也表明，接縫設(shè)置傳力桿后，水泥路面錯臺和板角的開裂率都能夠明顯降低 。我國開始將傳力桿布設(shè)到重載交通水泥路面橫向縮縫位置，由于傳力桿自動植入設(shè)備 (Dowel Bar Inserter)能夠明顯提高施工效率，DBI方法2006 年在廣東省首先應(yīng)用，DBI 方法是我國水泥路面接縫傳力桿主要采用的施工工藝。然而，在施工過程中由于多種因素的影響，傳力桿并不能準(zhǔn)確達(dá)到理想的設(shè)計位置，導(dǎo)致傳力桿偏差的發(fā)生 。

因此，很多研究開始分析偏差的傳力桿對路面使用性能的影響。例如，Yu 等人在1998 年通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)傳力桿偏差發(fā)生后對路面使用性能有著較大Leong 等人在2006 年通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)傳力桿豎向和水平偏轉(zhuǎn)對接縫處的剝落病害有著重要影響 。隨著傳力桿在我國接縫水泥路面的廣泛應(yīng)用，我國研究者也開始關(guān)注傳力桿偏差問題，2009 年蔡海斌通過有限元模型分析了傳力桿偏差后對界面應(yīng)力和傳荷能力的影響;2011 年彭鵬，田波等人通過室內(nèi)拔出和重復(fù)彎曲試驗分析了不同偏轉(zhuǎn)程度的傳力桿工作性能狀況 。

上述分析表明，傳力桿偏差程度已經(jīng)成為影響水泥路面板間傳荷能力變化的關(guān)鍵因素。因此，為了降低傳力桿偏差的不利影響，研究人員開始針對傳力桿偏差的允許范圍進(jìn)行研究。例如，2001 年Lev Khazanovich 等人在美國明尼蘇達(dá)州交通部支持下通過有限元和現(xiàn)場調(diào)查分析了傳力桿偏差的可接傳力桿偏差的5 種類型分別是:( 1) 水平偏轉(zhuǎn); ( 2) 水平移動; ( 3) 豎向偏轉(zhuǎn); ( 4)豎向移動; ( 5) 縱向移動。

需要說明的是，傳力桿施工過程中發(fā)生的偏差是 5 種基本偏差類型的組合。多研究機(jī)構(gòu)開始頒布相應(yīng)的傳力桿偏差控制指南，例如 2007 年，F(xiàn)HWA 美國聯(lián)邦公路管理局在多個工程實踐的基礎(chǔ)上提出了傳力桿偏差控制標(biāo)準(zhǔn)2013 年，美國水泥路面協(xié)會 ACPA 針對 DBI 設(shè)備的廣泛應(yīng)用，提出了 DBI 植入傳力桿的偏差控制標(biāo)準(zhǔn) 。

雖然傳力桿植入工藝 DBI 已經(jīng)在我國開始廣泛應(yīng)用，然而，關(guān)于我國的傳力桿偏差狀況尚缺少實際數(shù)據(jù)分析。為此，本文采用德國生產(chǎn)的專門用于傳力桿三維定位檢測分析的 MITSCAN2 設(shè)備對北黑高速公路典型路段 ( 108 條接縫) 進(jìn)行現(xiàn)場檢測，基于美國 ACPA 的傳力桿偏差控制指南進(jìn)行評估分析，并與美國伊利諾伊州的兩條路段的實際檢測結(jié)果 ( 23 條接縫) 進(jìn)行了對比分析。

傳力桿2 對比分析

美國伊利諾伊州兩個水泥路面路段的23 條接縫也是采用該設(shè)備進(jìn)行的傳力桿檢測，這里采用本文的評估標(biāo)準(zhǔn)對北黑高速和美國伊利諾伊州的接縫傳力桿偏差進(jìn)行了匯總。由對比可以得到如下結(jié)論:

(1)與國外高質(zhì)量施工水平相比，DBI 施工工藝在我國尚處于起步階段，傳力桿偏差控制工藝需要提高。

(2)水平移動偏差導(dǎo)致傳力桿不可接受水平，在美國和北黑高速比例分別是0% 和1. 8% ，說明DBI 工藝能夠較好控制水平移動偏差。

(3) 縱向移動偏差導(dǎo)致傳力桿不可接受水平在美國和北黑高速分別是1. 1% 和5. 6% ，不可接受水平和可接受水平之間比例分別是12. 4% 和29. 3% ，傳力桿縱向移動和切縫位置密切相關(guān)，因此可以通過切縫位置控制降低這部分偏差。

(4) 豎向移動偏差方面美國和中國有著較大的差別，兩者不可接受水平分別為0. 8% 和2. 9% ，但兩者在不可接受和可接受水平之間比例分別為3. 8%和41. 3% ，在北黑高速豎向移動偏差為正值(25 ～66 mm) 比例達(dá)到了 39. 8%，由該設(shè)備測量原理可知，偏差為正值主要是由于實際板厚大于設(shè)計板厚導(dǎo)致，對于路面使用性能是有益的。

(5)水平偏轉(zhuǎn)偏差導(dǎo)致傳力桿不可接受水平在美國和北黑高速分別為2. 2% 和33. 8% ，兩者之間存在著較大差別，原因尚不明確。

(6)豎向偏轉(zhuǎn)偏差導(dǎo)致傳力桿不可接受水平在美國和北黑高速分別為8. 2% 和15. 8% ，不可接受和可接受水平之間的比例分別為17. 3% 和34. 3% ，說明無論在我國還是在美國，傳力桿的豎向偏差都是比較嚴(yán)重的，也是DBI 施工過程中難以控制的，應(yīng)該加強(qiáng)該方面的研究。

傳力桿3 結(jié)論

傳力桿偏差控制是接縫水泥路面施工過程的重要環(huán)節(jié)，隨著DBI 方法在我國開始應(yīng)用，傳力桿偏差狀況尚不清楚。因此，本文采用MITSCAN2 設(shè)備對黑龍江省北黑高速公路的典型路段傳力桿偏差狀況進(jìn)行了檢測分析，發(fā)我國傳力桿偏差問題較為嚴(yán)重，尤其是豎向移動和豎向偏轉(zhuǎn)兩種偏差類型。同時與美國伊利諾伊州兩條公路實際檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，結(jié)果顯示我國在水泥施工過程中的傳力桿偏差控制方面存在較大差距，除了水平移動偏差外，我國的其他類型偏差都較為嚴(yán)重。 2100433B