国道路面钻孔盖板的承载能力分析

高一杰，梁 超

（山西省交通科技研发有限公司山西省交通运输安全应急保障技术中心（有限公司）交通安全与应急保障技术山西省重点实验室，山西 太原 030032）

0 引言

越来越多的国道安装了门架系统，为对过往车辆开展自动化检测，须在门架正下方路面挖浅坑以安装一组两个反光镜，再用盖板覆盖浅坑以保护反光镜，盖板在反光镜对应位置钻孔以使光线进出。钻孔盖板的承载能力能否满足要求，能否保护反光镜和保障国道行车安全，选用何种盖板是一个值得研究的问题。本文对两种盖板方案做了数值模拟分析，得出的分析结果以供读者参考。目前针对钻孔盖板承载力的研究较少，部分相关研究结论如下。

李春燕[1]对成都市三环路扩能提升工程非机动车道盖板进行极限承载能力试验。通过对盖板的应力、应变及裂缝等测试结果的分析，研究了盖板的受力特性、破坏机理及承载能力等情况。

王萌、柯小刚[2]对带LYP160钢连接组件的扩翼型盖板连接节点抗震行为进行研究。结果表明：扩大梁端翼缘截面可增加盖板连接组件耗能，减少主体结构进入塑性程度及耗能比例，有效转移塑性铰位置，提高节点“保险丝”作用效果及作用时间。

牟成铭[3]对多腔钢管混凝土柱-钢梁外贴盖板节点拉弯性能进行研究。采用通用有限元软件ABAQUS建立一字形多腔钢管混凝土柱-钢梁盖板节点模型，并分析了钢梁强度、边腔厚度、盖板外伸长度、盖板伸出翼缘长度、盖板厚度、盖板强度等参数对节点拉弯性能的影响，以试验及有限元分析为基础，给出了盖板节点在实际工程中的设计建议。

黄福云、陈汉伦[4]对超高性能混凝土（UHPC）板受弯承载能力及计算方法开展试验研究。研究表明UHPC板弹性极限荷载是同等级钢筋混凝土盖板的220%，建议实际工程中UHPC板钢纤维含量（质量分数）在1.5%～2.5%之间，厚度在30～50 mm之间，材料等级在U120～U160之间。

钟维军、张舜元[5]针对电缆盖板的生产运行现状，提出了不同包边型式的预制混凝土盖板，并通过承载能力试验及有限元分析，对比了不同包边型式预制混凝土盖板的承载力，得到了合理的盖板设计方法及使用条件。基于不同包边对混凝土盖板承载能力的影响，得到应用于不同环境中最优型式的混凝土盖板。

1 工程概况

盖板荷载选用公路一级车辆荷载，车辆总重550 kN，前轴重30 kN，两个中轴各重120 kN，两个后轴各重140 kN。盖板直径为0.5 m，在数值模拟时考虑后轴一侧车轮压在井盖正中的最不利情况。后轴一侧车轮荷载为70 kN，作用面积为0.6×0.2 m2，压强约为583 kPa，数值模拟中取车轮压强为700 kPa，作用在井盖正中0.2 m宽度范围内。

在实际施工过程中，为了提高盖板的承载力，对圆形浅坑中除了反光镜安装位置外的其他区域做了水泥密实填充。

国道门架系统配套反光镜的保护盖板有多种选择，本文对EN124 D400加劲梁井盖和29 mm厚Q235钢板这两种盖板进行数值分析比较。

2 计算模型建立

采用FLAC3D有限差分软件对钻孔盖板的受力情况进行模拟分析。

2.1 EN124 D400井盖

在对EN124 D400井盖进行数值模拟时，采用壳单元（shell）模拟井盖板，梁单元（beam）模拟加劲梁。在反光镜对应位置钻孔后，加劲梁不变。

EN124 D400井盖的材料为球墨铸铁，数值模拟中假设井盖始终处于弹性状态，弹性模量取155 GPa，泊松比取0.27。

圆形浅坑中除了反光镜安装位置外的其他区域做了水泥密实填充，故在数值模拟中固定了水泥填充区域井盖节点的竖向位移。

2.2 29 mm厚Q235钢板

采用29 mm厚Q235钢板作为盖板时，用shell单元模拟盖板。数值模拟中假设Q235钢板始终处于弹性状态，弹性模量取200 GPa，泊松比取0.3。

圆形浅坑中除了反光镜安装位置外的其他区域做了水泥密实填充，故在数值模拟中固定了水泥填充区域井盖节点的竖向位移。

3 计算结果分析

通过对数值计算结果中盖板上下表面的主应力和井盖加劲梁的弯矩应力进行分析，来判定盖板承载力是否满足要求。应力以压为负，第一主应力p1、第二主应力p2和第三主应力p3满足关系p1＜p2＜p3。

3.1 EN124 D400井盖

在完整井盖正中0.2 m宽度范围内作用700 kPa车轮压强时，盖板整体承受荷载；井盖钻孔后，钻孔区域盖板原先承受的荷载转移到两钻孔之间的加劲梁上。

数值模拟计算可知，钻孔后，井盖板上表面p1的最大值从-407 MPa减小至-361 MPa；上表面p3的最大值从245 MPa增大至287 MPa；下表面p1的最大值从-245 MPa增大至-287 MPa；下表面p3的最大值从407 MPa减小至361 MPa；加劲梁弯矩Ma的最大值从728 N·m增大至998 N·m。

根据弯矩计算最大应力的公式为：

加劲梁宽8 mm，高15～30 mm，经计算，加劲梁内最大应力由607 MPa增大至832 MPa。

球墨铸铁有多种牌号，不同牌号的屈服强度在240～400 MPa之间，抗拉强度在370～700 MPa之间。故在公路一级车辆荷载的最不利状况下（55 t货车后轮压在井盖正中），井盖加劲梁会有一定量的屈服变形，井盖板也可能屈服变形；钻孔后，加劲梁的应力进一步增大，若井盖质量较差，可能会被压坏。

3.2 29 mm厚Q235钢板

在完整Q235钢盖板正中0.2 m宽度范围内作用700 kPa车轮压强时，盖板整体承受荷载；Q235钢盖板钻孔后，钻孔区域盖板原先承受的荷载转移到两钻孔中间区域。

数值模拟计算可知，钻孔后，Q235钢盖板上表面p1的最大值从-27.7 MPa增大至-28.2 MPa；上表面p3的最大值从25.0 MPa增大至27.1 MPa；下表面p1的最大值从-25.0 MPa增大至-27.1 MPa；下表面p3的最大值从27.7 MPa增大至28.2 MPa。

Q235钢板的屈服强度随钢板厚度的不同而变化，盖板选用的Q235钢板厚度为29 mm，介于16 mm和40 mm之间，取钢板的屈服强度为225 MPa。

在公路一级车辆荷载的最不利状况下（55 t货车后轮压在井盖正中），计算的Q235钢盖板最大应力为28.2 MPa，安全系数高达8.0（安全系数通常取1.5），故使用29 mm厚钢板钻孔的方案是安全的。

4 结论

国道门架系统配套路面反光镜的保护盖板有两种备选方案，分别为EN124 D400加劲梁井盖和29 mm厚Q235钢板。

若采用EN124 D400加劲梁井盖，井盖的最大应力接近屈服，井盖可能会发生屈服变形；井盖钻孔后，原先钻孔区域承受的荷载转移至两个钻孔之间的加劲梁上，导致加劲梁的最大应力明显增加，可能会破坏。

若采用29 mm厚Q235钢板，则钢板内最大应力明显小于钢板屈服应力；钻孔时适当减小钻孔直径、适当增大两钻孔间距，则钻孔后盖板内最大应力增长并不明显，仍明显小于钢板屈服应力，安全系数高达8.0。

故国道门架系统配套路面反光镜的保护盖板选用EN124 D400加劲梁井盖不够安全，建议选用29 mm厚Q235钢板。

5 不足之处

本文通过建立数值模型对两种类型的钻孔盖板内力进行分析，在建立数值模型时，为了提高工作效率，组成盖板的壳单元数量较少，节点数量也较少。壳单元数量少导致盖板不够圆（真实盖板为圆形），内力分布不够顺滑；节点数量少导致不能全面固定水泥密实填充区域盖板的竖向变形（数值模拟中盖板竖向变形的固定通过固定节点的竖向位移实现）。

但是，壳单元数量的多少对于盖板内力计算的影响不是很大，水泥密实填充区域盖板竖向位移固定的不充分也使得数值模拟计算结果偏安全，总的来说，本文中钻孔盖板的数值模拟结果还是可信的。

今后若有机会，可开展实车试验验证数值模拟得到的结论。