装配式临时组合钢路面设计方法及计算分析★

周 迪 陈效春 王 洁 赵英杰 张大长

(1.杭州市电力设计院有限公司，浙江 杭州 310009； 2.南京工业大学土木工程学院，江苏 南京 211816)

近年来随着我国建筑业的迅速发展，临时道路铺设成为机械化施工中一个重要环节，直接影响到物资材料运输、机械设备的进场需求，继而决定整个建设工期及工程造价。然而，临时道路建设面临着极大的挑战，道桥、输电线路等工程施工大多在野外进行，地形地质复杂，对临时施工道路建设要求较高，这严重影响了施工机械的进场；同时存在大片耕地农田，临时道路的铺设可能会导致耕地农田损坏严重，难以修复。目前，国内常见的临时道路主要有碎石、混凝土、钢板及复合材料式道路[1-3]，但都存在一定的问题，无法在安全可靠、组装便捷和绿色环保之间取得平衡，不能完全满足机械化施工的需求。

关于临时路面设计，程营[4]按照常规军用荷载的承载要求，设计出一种铝合金路面结构，并进行该临时路面在军用荷载作用下的结构响应分析，通过理论分析及实载试验对结构设计进行验证；陈浩[5]将聚氨酯材料应用于路面结构中，进行了组合式路面的结构设计并优化路面结构的连接方式，最终确定六角板路面结构形式及钩孔连接；方海等[6,7]详细介绍过一种轻质路面板的制备过程，同时开展单块面板及相邻到面板拼接节点展开疲劳试验和路面板野外现场车载试验，结合有限元及理论分析，提出该种道路面板在临时道路施工中的应用可行性。

本文提出一种新型组合式路面，该路面在横向节点处断开，纵、横向均采用半刚性节点连接，适应不同地基土的双向变形，能够在加工厂形成模块化路面，便于机械化施工，提高临时路面铺设及撤收效率。开展路面结构选型，设计能够适应场地变形的临时路面板；开展车辆荷载—路面结构—地基土的传力机理分析，探讨组合式路面承载能力，同时结合理论分析，提出组合式路面设计方法和设计建议。

1 临时组合路面的单元结构

1.1 单元设计荷载及结构形式

1.1.1 地基模型

地基作为路面结构的下部支撑物，在路面结构分析与计算中，地基土壤模型选取的适用性，直接关系到力学模型分析结果的准确性。目前，一般路面器材的计算普遍采用弹性地基梁理论，将地基简化为温克尔弹性地基，如图1所示。

该模型土体介质表面任意点的位移s(x,y)只与该点应力q(x,y)成正比，其特征函数为：

q(x,y)=k·s(x,y)

(1)

其中，k为基床系数或地基抗力系数，kN/m3。

在计算地基土的反力系数时，可按高尔布诺夫—伯沙道夫公式，取：

(2)

其中，E0为土壤变形模量;μ0为土壤泊松比;H为荷载的作用深度。

1.1.2 设计荷载

设计车辆荷载(轴荷)是组合路面设计的关键因素。在公路工程技术标准(JTG B01—2014)规范中，对于路面设计汽车及人群荷载有明确的规定，但未涉及组合路面设计荷载。综合调查分析道桥、输电线路等野外作业工程重型运输车辆的类型，本文参照31.0 t商品混凝土搅拌车的标准轴荷作为设计荷载，其参数如表1所示。

表1 重型运输车车辆参数

车辆荷载计算公式为：

(3)

其中，p为车辆荷载；W为轮胎承重；S为轮胎接地面积。

轮印面积计算公式为：

(4)

其中，A为轮印面积，m2；P为单个车轮荷载，kN；p为轮胎压力，根据De Beer测试，轮胎路面压应力分布复杂，满载时p取830 kPa。

在简化计算中，轮胎接触面积采用面积等效准则换算成圆形接触面，如图2所示。当量圆的半径R按下式确定：

(5)

其中，R为当量圆形的半径，m。

1.1.3 承载力要求

野外作业工程地质条件复杂，常见软土地基，路面板强度要比地基土强度大很多，即认为路面板相对于地基土是刚性体。一般路面结构自身不会出现强度破坏，但是设计时还需要考虑路面结构与路基土的相互作用，要求在一定沉陷范围内路基土提供的反力大于车辆满载时车轮荷载，保证重型车辆能够顺利通过。

如图3所示，地基由于沉陷提供的反力为：

F=kb2H

(6)

根据满载31.0 t商品混凝土搅拌车轴重的分配，由上可得最大车轮荷载为：

P=90 kN

(7)

即要求：

F≥P

(8)

其中，F为地基反力；k为基床系数；b为路面板宽度；H为路面板沉陷深度；P为车轮荷载。

1.1.4 路面板截面特性

从简化计算模型出发，将路面板结构进行简化，依据抗弯刚度相等的原理确定路面板的截面高度。等效方法是将单块路面板简化为一块相同材质、相同大小的矩形钢板，其截面惯性矩与实际断面相等，使其各处的弯矩大小与实际相同，按照两者刚度等效来确定路面结构截面高度。

临时路面板结构在单向、双向加劲角钢处的截面形式分为两种，如图4所示。

临时组合路面板的截面如图4a)所示，设组合截面的x轴在上板表面，则惯性矩计算公式如下：

(9)

单向加劲角钢组合截面绕x轴惯性矩为：

(10)

其中，Iyo为角钢构件绕yo—yo的截面惯性矩。

如图4b)所示，同理可得，双向加劲角钢组合截面绕x轴惯性矩为：

(11)

依据常用钢板组合路面的截面尺寸，可得一个设计限值IX，在保证Ix≥IX的原则上确定合适的截面高度h，其中IX=min{Ix单,Ix双}。

1.2 路面板的单元结构及拼装节点

1.2.1 单元结构

临时路面板由上花纹板，纵、横向加劲角钢，边部角钢及斜板搭接焊接而形成整体。花纹板是特定带纹理的薄钢板，作为路面板行车表面，可提高车轮与路面板的摩擦力；花纹板底部焊接双向锥形角钢肋条，由于纵横向角钢的存在，能够在降低路面板自重的前提下，提高其抗弯刚度，同时增大与地基土的接触面积，分散路面上部车轮集中荷载。

基于上述荷载及路面板形式，优选设计得到该路面单元板如图5所示，外形尺寸为750 mm×750 mm×51 mm，其中花纹板厚度为6 mm，其余构件厚度为5 mm。该单块板质量仅为53.3 kg，成年人就能搬动。

1.2.2 拼装节点

该路面板在边部角钢开孔，与连接键对孔使用螺栓相连，即可拼装成整个临时路面，3×3单元板路面拼装示意如图6所示。组合整体式路面节点属于半刚性，能够适应双向变形，路面通过压缩土体变形将车辆荷载传至路基，避免单块路面板发生较大的挠曲变形而损坏，整个路面属于半刚性路面。同时整个路面易于铺设、撤收以及运输，组装灵活，实现临时道路的快速铺设。该组合临时路面能满足机械化施工需求，可以提高施工效率及重复使用。

2 无边框组合路面的计算分析

2.1 简化模型及基本假定

取9块单元板的组合路面为典型计算模型，简化计算模型的基本假设为：

1)采用温克尔地基模型，不考虑受力时土体刚度的变化；

2)路面单元板为刚性板块，忽略其变形；

3)连接节点简化为弹簧模型，忽略其弯矩效应；

4)不考虑连接节点弹簧刚度的变化；

5)边框为刚性，忽略其与路基土间的传力作用。

组合路面的简化计算模型如图7所示，该模型由9质点、12根节点弹簧以及地基弹簧构成。同时，考虑路面受力的对称性，可按0°，90°划分，取其中1/4进行计算分析，如图7c)所示。

2.2 传力机理

根据1/4单元简化模型可知，当1号板在荷载作用下发生沉陷时，边部2号板会沿着弹簧12的方向收缩，角部3号板会沿着弹簧23的方向收缩，即沿斜向45°向1号板收缩。荷载传递方向如下：

1)车辆荷载作用于1号板中心时，部分直接传给路基土，另一部分由两根弹簧12传递至2号板；

2)当作用于2号板时，荷载传递分为两部分，一部分传递给下部路基土，另一部分由弹簧23传递至角部3号板；

3)当作用于3号板时，荷载传递至路基土。

2.3 等效刚度

结构刚度是指弹性体抵抗变形的能力，组合路面结构各部分刚度与荷载分配有关，在分析组合路面荷载传递比例时需要求解各部分的等效刚度。根据结构受力特性，结构等效刚度计算公式为：

(12)

其中，k为组合结构的等效刚度；δ为组合结构的响应；ki为第i号结构的刚度；δi为第i号结构的响应。

1)荷载作用于1号单元板。

单元板1的荷载—位移由单元板2的等效刚度、板下土刚度和弹簧12连接节点刚度共同决定。假定1号板竖直向内运动位移为δ，1/4路基土的响应为δ1，1/2弹簧12和2号板串联结构的响应为δ2，则：

(13)

由于1/2弹簧12和单元板2属于串联结构，依据单元板单元运动轨迹，设1号板竖直向内运动位移为δ，相继地1/2弹簧12的响应为切向δ1，2号板的响应为δ2，则：

(14)

2)荷载作用于2号单元板。

单元板2的荷载—位移由单元板3的等效刚度、板下土刚度和弹簧23连接节点刚度决定。假定2号板沿着弹簧12方向运动位移为δ，1/2路基土响应为δ1、弹簧23和3号板串联结构的响应为δ2，则：

(15)

由于弹簧23和单元板3属于串联结构，依据单元板单元运动轨迹，假定2号板向左运动位移为δ，弹簧23的响应为轴向δ1，3号板的响应为δ2，则：

(16)

3)荷载作用于3号单元板。

单元板3的荷载—位移由板下土的刚度决定，荷载作用下，假定3号板沿着45°方向运动位移为δ，路基土的响应为δ1，则:

(17)

4)无边框组合路面的等效刚度。

综上可得无边框组合路面单元板的等效刚度为：

k=4k1

(18)

代入上述计算式得：

(19)

3 组合钢路面实例的设计分析

组合路面板结构实物如图8所示，平面尺寸750 mm×750 mm×51 mm，花纹板(750 mm×750 mm×6 mm)下侧焊接2根通长角钢(L63×5)，6根短角钢(L63×5)，4根斜板及角钢(L45×5)形成路面板抗弯构造。

将上述路面板结构参数代入承载力及刚度计算公式，编写程序计算得到组合路面板单板沉陷为140 mm，且满足F≥P，确保重型车辆沉陷满足标准要求。按照《建筑结构静力计算实用手册》校核组合路面板刚度及强度，路面板整体刚度最小为207.3 MPa/mm，且无加劲板区域应力水平为194.5 MPa，均满足Q235钢材设计强度，故上述设计方法均满足组合路面刚度及强度要求。

4 结语

基于上述理论分析及设计实例，主要结论如下：

1)装配式临时组合钢路面由单元板拼装组合而成，可以适应地基土的双向变形，分散上部集中荷载；组合路面纵横向由半刚性节点连接，现场简单拼装组合路面，具有铺设及撤收效率高，满足机械化施工要求；

2)基于试验路基土特性，选型计算得到路面板尺寸为750 mm×750 mm×51 mm，花纹板厚为6 mm，其余构件厚度均为5 mm，单板质量仅为53.3 kg，且方便拼装；

3)提出了考虑了不同车轮作用点时新型组合路面纵、横向的受力特点、变形及刚度的设计方法；同时开展历史路面的选型计算及设计比较，表明该方法合理可行；

4)本文提出了新型钢/金属组合路面的设计方法及过程，可供道桥、输电线路等野外施工工程临时路面设计参考，为临时道路铺设提供支撑。