刚柔复合式路面水泥混凝土板接缝传荷能力研究

罗亚朗

(广东省交通运输建设工程质量检测中心 广州 510420)

0 引 言

水泥混凝土板的接缝是刚柔复合式路面结构最薄弱位置之一，同时，水泥板接缝处会对沥青加铺层的受力产生重要影响[1-3]．因此，国内外许多学者对水泥板接缝处的传荷能力展开了研究[4-5]．Cheung等[6-7]将温克勒地基有限元法应用于分析水泥混凝土路面结构中，从而研究了混凝土接缝传荷能力的计算公式．Tabatabaie[8]以温克勒地基弹性薄板理论为基础，实现了梁单元模拟接缝传荷作用．Huang[9]据此开发了KENSLABS混凝土路面有限元程序．William等[10]采用实体单元构建混凝土路面有限元程序，Nishizawa等[11]基于该程序二次开发，实现了多自由度弹簧单元模拟混凝土板接缝传荷能力．Swati等[12]采用有限元法研究了荷载、路面性能与接缝传荷能力的关系．彭久东等[13]建立了双层混凝土板模型，得到了基层厚度、层间摩擦系数对弯沉传荷系数的影响．杨斌[14]自编了可计算考虑地基脱空因素下具备接缝传荷能力的水泥混凝土板应力场．蒋应军等[15]提出轴载和温度的变化会增大传力杆松动量，从而降低传荷效率．张淑泉[16]指出水泥板两侧弯沉差课表征接缝传荷能力，并给出了接缝刚度，水泥板厚度、模量等因素对弯沉响应与接缝传荷能力的影响．

以上研究在混凝土路面接缝传荷能力方面已取得一定成果，但针对刚柔复合式路面结构中水泥混凝土板接缝传荷机制、沥青层对水泥板接缝传荷能力的影响以及接缝刚度与路面弯沉的关系等方面的研究不多．基于此，文中建立了三维刚柔复合式路面结构模型，分析了路面结构参量对水泥板传荷能力的影响机理，展开弹簧刚度对水泥板接缝传荷能力的影响分析，以期完善现有刚柔复合式路面设计、施工及检测方法．

1 建立有限元模型

1.1 路面结构计算参数

建立有限元模型，并对各结构层做如下假设：①各结构层为弹性体，且层间竖直、水平位移保持完全连续；②不计结构自重．文中采用温克勒地基模型，将路面结构分为沥青层和水泥混凝土板层，水泥混凝土板下的路面结构，统一用地基反应模量表征．

采用剪切弹簧单元模拟接缝处的传荷作用，水泥混凝土板接缝宽度为10 mm，传力杆的直径为32 mm，间距为0.3 m，根据Friber理论方法确定板中弹簧刚度q为2.08×109 N/m．地基反应模量为50基准模型结构参数见表1．

表1 基准模型参数

1.2 FWD荷载场确定

落锤式弯沉仪(FWD)通常被用于道路结构弯沉无损检测中，在实际路面FWD加载过程中，仪器会在同一位置快速施加三次荷载，弯沉结果取平均值．因此，本次模型采用动力显式的方法，分析步时间长度设置为0.3 s，每0.1 s完成一次荷载加载共计重复3次，并最终取平均值，荷载最大值为0.66 MPa．荷载幅值曲线见图1，荷载作用位置见图2．

图1 FWD荷载幅值曲线

图2 荷载作用位置

1.3 接缝传荷能力计算

水泥混凝土板接缝处的传荷能力，用传荷系数表征，即

1) 弯沉传荷系数

LTEw=w1/w2×100

(1)

2) 应力传荷系数

LTEσ=σ1/σ2×100

(2)

式中：LTEw、LTEσ分别为弯沉传荷系数、应力传荷系数；w1、w2分别为受荷板弯沉、非受荷板弯沉；σ1、σ2分别为受荷板应力、非受荷板应力．

在基准模型的基础上，提取改变参数后各个模型受荷板、非受荷板处的弯沉、应力，计算相应的弯沉传荷系数、应力传荷系数并展开分析．

2 水泥板接缝传荷能力分析

2.1 不同沥青层模量对接缝传荷能力的影响

确定沥青面层模量为300，600，1 200，2 400，4 000和8 000 MPa，从而分析不同面层模量对水泥板层底拉应力，弯沉传荷系数的影响，计算结果见图3．

图3 水泥混凝土板不同系数随沥青层模量的变化

由图3可知:增加面层模量虽然能够减小水泥板所受的应力及弯沉，从而有利于路面结构受力，但水泥板的传荷能力却呈减小趋势．

2.2 不同沥青层厚度对接缝传荷能力的影响

确定沥青层面层厚度为0.04，0.08，0.12，0.16和0.2 m，从而分析不同面层厚度对水泥板层底拉应力、弯沉传荷系数的影响，计算结果见图4．

图4 水泥混凝土板不同系数随沥青层厚度的变化

由图4可知：增加面层厚度可以有效的降低水泥板所受的应力及弯沉，同时还可以提高水泥板的传荷能力，但弯沉传荷系数的增加幅度，随着面层厚度的增加而降低，因此考虑到工程实际造价，并不建议一直提高沥青面层厚度．

2.3 不同水泥板模量对接缝传荷能力的影响

确定水泥板层模量为20 000，24 000，28 000，32 000和36 000 MPa，从而分析不同水泥板层层模量对水泥板层底拉应力，弯沉传荷系数的影响，计算结果见图5．

图5 水泥混凝土板不同系数随水泥板模量的变化

由图5可知：增加水泥板模量与增加沥青层模量对路面应力响应及结构影响的作用相同，但考虑到研究对象为水泥板本身，因此相较于增加沥青层模量，增加水泥板自身模量所引起的应力、弯沉降低幅度更大．同时，谈至明教授也在研究中指出，混凝土模量越小，其板间填缝料越容易脱落，即受荷板、非受荷板的弯沉越大，相较于混凝土路面，本文的刚柔复合式路面中，这种现象会有所减缓．

2.4 不同水泥板厚度对接缝传荷能力的影响

确定水泥板厚度为0.18，0.22，0.26，0.30和0.34 m，分析水泥板层厚度对水泥板层底拉应力，弯沉传荷系数的影响，计算结果见图6．

图6 水泥混凝土板不同系数随水泥板厚度的变化

由图6可知：相较于应力，水泥板受荷板、非受荷板弯沉降低的幅度相近，因此弯沉传荷系数降低的幅度并不大，同时受荷板、非受荷板的弯沉降低显著，有助于延长路面使用寿命，增加结构耐久性．

2.5 不同地基反应模量对接缝传荷能力的影响

确定地基反应模量为50,100,150,200 MN/m3，分析不同地基反应模量对水泥板层底拉应力，弯沉传荷系数的影响，计算结果见图7．

图7 水泥混凝土板不同系数随地基反应模量的变化

由图7可知:相较于应力，随着地基反应模量的增加，水泥板的各项弯沉指数急剧减小，因此，增加地基反应模量虽然有利于降低路面弯沉，但同时也极大的降低了水泥板的传荷能力．

2.6 不同摩擦系数对接缝传荷能力的影响

确定层间摩擦系数为0、0.5、0.8、1，分析不同层间摩擦系数对水泥板层底拉应力，弯沉传荷系数的影响，计算结果见图8．

图8 水泥混凝土板弯沉、弯沉传荷系数随层间摩擦系数的变化

由图8可知，摩擦系数由0增加到1时，受荷板、非受荷板的应力弯沉各项参数变化不大，较为稳定．

2.7 基于灰色理论的传荷系数影响因素关联度分析

采用灰色关联度分析法，计算沥青层模量、沥青层厚度、水泥板模量、水泥板厚度、地基反应模量、摩擦系数6种因素对应力传荷系数，弯沉传荷系数的影响程度，结果见表2．

表2 关联度数值

由表2可知，对于应力传荷系数，各因素影响程度大小依次为：沥青层厚度>沥青层模量>水泥板模量>水泥板厚度>地基反应模量>层间摩擦系数；对于弯沉传荷系数，各因素影响程度大小依次为：地基反应模量>沥青层厚度>沥青层模量>水泥板模量>水泥板厚度>层间摩擦系数．

3 不同弹簧刚度对接缝传荷能力的影响

依次模拟弹簧刚度q的值从lgq=n，n=1,2,…，11时的路面结构，提取各个模型沥青面层受荷处与非受荷处的弯沉、水泥板处受荷板和非受荷板处的弯沉进行分析，结果见图9～10．

图9 水泥板接缝上部沥青层和接缝处受荷板弯沉、未受荷板弯沉

由图9～10可知:弹簧刚度增加对沥青层处弯沉的影响更明显，这是因为荷载直接作用于沥青层，因此沥青层处的弯沉波动更大．

沥青层、水泥板接缝处的弯沉差随弹簧刚度的变化呈S形曲线变化，拐点均出现在lgq=6和lgq=9的位置．当lgq>9时，沥青层和水泥板的弯沉差均较小，且十分接近，说明当刚柔复合式路面结构刚开始通车运行时，弹簧刚度较大，传荷性能较好，沥青层的存在对水泥板接缝传荷能力影响不大；随着运营时间的增加，路面结构间的抗剪性能逐渐降低，当6

4 基于刚柔复合式路面的接缝传荷处控制指标

美国沥青协会提出的水泥混凝土路面接缝传荷处控制指标为：弯沉差要小于0.05 mm，弯沉均值要小于0.36 mm．基于我国国情，学者将该标准换算弯沉差要小于0.06 mm，弯沉均值要小于0.45 mm．但上述指标均针对于水泥混凝土板的受荷板弯沉、非受荷板弯沉．但对于刚柔复合式路面，考虑到水泥板上覆沥青层，难以直接测量得到水泥板的各项弯沉指标，只能测量得到沥青层的弯沉指标．因此根据图10，文中提出刚柔复合式路面板的接缝传荷处控制指标为：弯沉差小于0.02 mm时，路面结构的接缝传荷能力存在轻微损伤，可不采取相关处治措施；弯沉差小于0.065 mm时，路面结构的接缝传荷能力严重降低，必须尽快处理，否则水泥板的传荷能力将急剧降低，严重时将出现脱空，极大的降低路面使用寿命．

图10 弯沉差随弹簧刚度的变化

5 结 论

1) 应力传荷系数随着沥青层模量、水泥板模量的增加而增加，随着沥青层厚度、水泥板厚度、地基反应模量的增加而降低；弯沉传荷系数随沥青层模量的增加而增加，随沥青层厚度、水泥板模量、水泥板厚度、地基反应模量的增加而降低．

2) 提出各参数对应力传荷系数的重要程度排序依次为：沥青层厚度>沥青层模量>水泥板模量>水泥板厚度>地基反应模量>层间摩擦系数；对弯沉传荷系数的重要程度排序依次为：地基反应模量>沥青层厚度>沥青层模量>水泥板模量>水泥板厚度>层间摩擦系数．

3) 采用弯沉差表征了不同弹簧刚度与水泥混凝土板接缝传荷能力的内在联系．提出刚柔复合式路面板的接缝传荷处控制指标为：弯沉差小于0.02 mm时，路面结构的接缝传荷能力存在轻微损伤，可不采取相关处治措施；弯沉差小于0.065 mm时，路面结构的接缝传荷能力严重降低，必须尽快处理．