施工场地装配式预制板受力影响因素研究

刘大鹏，杨雅茗，朱传祥，郭一兵

（江苏建筑职业技术学院 江苏徐州221116）

施工场地装配式硬化面是采用工厂预制的预制板，在施工现场拼装而成。装配式硬化面一般采用4层结构，从上至下依次为预制板面层、细沙垫层、级配碎石基层（水泥稳定碎石基层）和压实土基。国内外学者对装配式硬化路面开展了相应的研究，且取得了较多的成果，为装配式硬化面的应用提供了理论基础。李宇峙等人［1］认为嵌挤块面层是一个由近于刚性单元所组成的柔性层次，根据嵌挤块路面面层表现出来的力学特征，提出了混凝土嵌挤块路面结构的“剪切层弹簧夹层模型理论”。王火明等人［2］、莫品疆等人［3］在分析预制块铺面结构承载力机理时，认为预制块铺面在荷载作用下存在“拱效应”，从而使得块体成为一个整体承受荷载的作用。王火明等人［4］通过室内承载板试验和环道试验结果，提出了以车辙深度作为预制块路面结构的设计指标，建立了轴载换算的方法，并总结出了预制块路面结构的设计流程。宋娃丽等人［5］及文献［3］研究了预制块路面在农村公路的应用，提出了典型的预制块路面结构。张敏等人［6］研究了混凝土预制板的调平和板底脱空问题。陈智杰［7］研究了预制装配式水泥混凝土路面平整度的控制措施以及减轻预制装配混凝土板自重的方法。曹承等人［8］研究了装配式水泥混凝土路面板施工工艺。Murugan 等人［9］针对可持续预制混凝土砌块路面的材料进行了研究。刘卫东等人［10］研究了混凝土预制块路面快速修复关键技术。上述研究主要针对永久性的预制块路面结构。

目前针对可循环利用的预制板硬化面研究较少，可循环利用的预制板硬化面施工速度快，投入使用时间短，工程结束后预制板可循环利用，能够减少建筑垃圾的产生，具有广阔的应用前景。但在车轮荷载的长期作用下会导致预制板底脱空，从而引起预制板的破坏。因此为保障预制板长期循环使用，需要明确各因素对预制板受力的影响规律。

1 模型建立

采用有限元软件建立预制板受力模型，考虑预制板底面完全脱空的最不利状态，板四周边缘底边被完全约束，采用八节点六面体等参单元进行网络划分，预制板长度和宽度方向划分为40份，厚度方向划分为5 份。荷载大小采用标准轴载BZZ-100 一侧轮载，即50 kN，车轮荷载作用在预制板表面，作用面积为0.24 m×0.30 m，考虑2种工况：①车轮荷载作用在预制板中央；②车轮荷载作用在预制板边缘中间位置。如图1所示。

引起预制板破坏的原因为：①预制板底面完全脱空，荷载引起的最大沉降过大，在车轮荷载的反复作用下而引起预制板的破坏；②车轮荷载作用下在预制板中产生的最大拉应力或最大压应力，超过了预制板的允许最大拉应力或最大压应力而使预制板发生破坏。因此在进行分析时主要选择预制板的最大沉降、最大拉应力和最大压应力3个指标。

图1 车轮荷载作用下预制板受力计算模型Fig.1 Calculation Model of Precast Slab under Vehicle Load

2 影响因素分析

2.1 预制板厚度

预制板尺寸为2.4 m×2.4 m，采用C30 混凝土，厚度分别为0.12 m、0.16 m 和0.20 m 共3 种预制板厚度，车轮荷载作用在板中间和板边缘中部时，预制板的最大沉降、最大拉应力和最大压应力对比如图2 所示。从图2可以发现，当车轮荷载作用在板中间时，随着预制板厚度的增加，预制板的最大沉降、最大拉应力和最大压应力均减小，当预制板厚度从0.12 m增至0.20 m，预制板的最大沉降从7.51×10-4m减小到了1.84×10-4m，减小了76%，最大拉应力从0.76 MPa减小到了0.72 MPa，减小了约5%，而最大压应力从2.71 MPa减小到了1.39 MPa，减小了近50%。

当车轮荷载作用在板边缘中部时，从图2 可知，预制板的最大沉降、最大拉应力和最大压应力均随着预制板厚度的增加而减小，厚度从0.12 m增加到0.20 m，预制板的最大沉降从1.25×10-4m 减小到了3.27×10-5m，减小了73.8%，最大拉应力从0.76 MPa 减小到了0.40 MPa，减小了26%，而最大压应力则从3.91 MPa 减小到了2.87 MPa，减小了47%。

当车轮荷载作用在板中间和板边缘中部时，路面板最大沉降、最大拉应力和最大压应力的对比如图2所示。当预制板厚度一定，车轮荷载作用在预制板中间时，预制板的最大沉降和最大拉应力均大于荷载作用在预制板边缘中部的最大沉降和最大拉应力，而最大压应力小于荷载作用在预制板边缘中部的最大压应力，由于预制板抗拉强度小于抗压强度，因此，当预制板底完全脱空，荷载作用在预制板中间时，预制板更容易发生破坏。

2.2 预制板材料

预制板考虑采用C30、C40和C50共3种强度的混凝土，对应的弹性模量分别为30.0 GPa、32.5 GPa 和34.5 GPa，预制板尺寸为2.4 m×2.4 m，厚度为0.2 m，当车轮荷载作用在板中间和板边缘中部，3 种弹性模量时预制板的最大沉降、最大拉应力和最大压应力如图3所示。

图2 预制板的最大沉降、最大拉应力和最大压应力随预制板厚度的变化曲线Fig.2 Curve of Maximum Settlement，Maximum Tensile Stress and Maximum Compressive Stress with the Thickness of Precast

图3 预制板的最大沉降、最大拉应力和最大压应力随预制板强度的变化曲线Fig.3 Curve of Maximum Settlement，Maximum Tensile Stress and Maximum Compressive Stress with Precast Slab Strength

从图3 可知，车轮荷载作用在预制板中间和预制板边缘中部时，预制板最大沉降、最大拉应力和最大压应力随预制板强度的变化曲线近似平行，预制板的最大沉降均随着预制板弹性模量的增加而减小，弹性模量从30.0 GPa 增加到34.5 GPa，预制板的最大沉降均减小了13%。而2种工况时的最大拉应力和最大压应力均不随着预制板弹性模量的变化而变化。预制板的弹性模量一定，车轮荷载作用在预制板中间的最大沉降、最大拉应力均大于车轮荷载作用在预制板边缘中部的最大沉降和最大拉应力，车轮荷载作用在预制板中间的最大沉降、最大拉应力分别为车轮荷载作用在预制板边缘中部的最大沉降和最大拉应力的5.6倍和3.5 倍。而车轮荷载作用在预制板中间的最大压应力小于车轮荷载作用在预制板边缘中部的最大压应力，前者约为后者的25%。

2.3 超载率

当超载率为0%、50%和100%时，对应的标准轴载一侧车轮荷载分别为50 kN、75 kN和100 kN，3种车轮荷载作用在预制板中间和预制板边缘中部，预制板尺寸为2.4 m×2.4 m，厚度为0.2 m，弹性模量为30 GPa时，预制板的最大沉降、最大拉应力和最大压应力如图4 所示。从图4 可知，车轮荷载作用在预制板中间和预制板边缘中部时预制板的最大沉降、最大拉应力和最大压应力均随着超载率的增加线性增大，当一侧车轮荷载为75 kN 和100 kN 时预制板的最大沉降、最大拉应力和最大压应力分别为一侧车轮荷载为50 kN相应值的1.5倍和2倍，因此为延长预制板的使用寿命和周转次数，应限制超载率。

2.4 预制板尺寸

预制板厚度为20 cm，弹性模量为30 GPa，考虑3 种预制板尺寸，分别为2.4 m×1.8 m、2.4 m×2.4 m 和2.4 m×3.0 m，车轮荷载作用在预制板中间和预制板边缘中部时最大沉降、最大拉应力和最大压应力如表1所示。

表1 荷载作用在板中间和板边缘时不同预制板尺寸的最大沉降和最大拉（压）应力Tab.1 Maximum Settlement and Maximum Tensile（Compressive）Stress of Different Precast Slab Sizes under Load in the Middle and the edge of Slab

图4 预制板的最大沉降、最大拉应力和最大压应力随超载率的变化曲线Fig.4 Curve of Maximum Settlement，Maximum Tensile Stress and Maximum Compressive Stress with Overload Rate

荷载作用在预制板中间时，预制板的最大沉降和最大拉应力随着预制板尺寸的增加而增大，当预制板尺寸为2.4 m×1.8 m时最大沉降和最大拉应力均最小，其值分别为1.30×10-4m 和1.3 MPa，而当预制板尺寸为2.4 m×3.0 m时最大沉降和最大拉应力均最大，其值分别为2.65×10-4m和1.48 MPa，当预制板尺寸为2.4 m×2.4 m 时最大沉降和最大拉应力则位于两者之间。预制板尺寸为2.4 m×2.4 m 时最大压应力小于预制板尺寸为2.4 m×1.8 m 和2.4 m×3.0 m 时的最大压应力，说明当预制板为方形时其在车轮荷载作用下的压应力最小。

荷载作用在预制板边缘中部时，当预制板尺寸为2.4 m×2.4 m 的最大沉降和最大拉应力分别为0.33×10-4m 和0.40 MPa，其值均小于预制板尺寸为2.4 m×1.8 m 和2.4 m×3.0 m 的最大沉降和最大拉应力，当预制板尺寸为2.4 m×2.4 m 的最大压应力最大，其值为2.87 MPa，但其最大压应力值仅比2.4 m×1.8 m和2.4 m×3.0 m 的预制板的最大压应力大3%左右，考虑预制板拆装和循环利用方便，可以忽略最大压应力的影响，应优先选用方形预制板。

3 结论

⑴预制板的最大沉降、最大拉应力和最大压应力均随着预制板厚度的增加而减小；

⑵随着预制板弹性模量的增加预制板的最大沉降减小，而最大拉应力和最大压应力保持不变；

⑶随着超载率的增加，预制板的最大沉降、最大拉应力和最大压应力近似线性增大；

⑷预制板形状为方形时，其受力较为有利，且使用时方便，因此施工场地装配式硬化面应优先选用方形预制板；

⑸车轮荷载作用在预制板中间时其最大沉降和最大拉应力较大，车轮荷载作用在预制板边缘中部时其最大压应力较大。