[科普中国]-传力杆

传力杆与混凝土界面的接触应力概述

设传力杆的水泥混凝土路面接缝通常因传力杆松动量增加而丧失传递荷载的能力,甚至出现混凝土的挤碎破坏。在已有的力学分析模型中,有的采用弹性悬臂梁连接板或者利用代表传力杆传递荷载能力的梁单元和代表混凝土对传力杆支承传递荷载作用的弹簧单元建立有限元模型, 也有的建立了二维有限元模型, 但是这些模型都难以有效模拟传力杆混凝土界面、混凝土与地基接触状况,因而无法精确地分析路面结构内的各种应力变化规律、传力杆与混凝土界面的接触应力分布规律和传力杆周围混凝土破碎和拉裂等问题 ;同时,也不能方便地分析温度变化以及温度变化和车辆荷载同时作用对路面结构内有关应力、应变的影响规律 。为此 ,笔者采用通用有限元软件 ANSYS , 利用实体单元模拟混凝土板和传力杆 ,建立三维有限元分析模型 ,对轴载及温度变化作用下传力杆与混凝土界面处的应力分布及变化规律进行分析, 旨在为传力杆装置的改进提供依据。

1 设传力杆路面的三维有限元模型为了简化分析, 视地基为弹性半空间体, 在水平和垂直方向上是无限大的。在计算中假定其他参数不变 ,逐步扩大地基的尺寸,板的应力随着地基尺寸的增大而逐步稳定, 直至应力收敛为止。通过大量试算 ,最后确定地基的计算尺寸为 5. 0 m ×7. 0 m ×7. 0 m 。板宽取 3. 75 m ;板长根据需要取值 ,一般取4. 0 、5. 0 、6. 0 m 。传力杆长度为 450 m m ,沿混凝土板的接缝中心线设置 ,接缝宽度为 10 m m 。传力杆与混凝土界面是计算分析时所关心的部,因此, 在传力杆及其周围混凝土和横向接缝处采用非常细的网格 ,从接缝到远处边界采用适当的网格梯度。合理建立接触模型对于正确分析路面结构的力学行为是十分关键的。混凝土板与地基的接触面具有可滑动性,在交通荷载和温度梯度的共同作用下 ,混凝土板必然会产生收缩或膨胀、翘曲或拱起变形。变形使得板在基层上产生部分滑移 ,滑移时板与地基处于部分接触状态, 因此认为板与地基之间具有摩擦或者脱空接触的滑动界面 , 摩擦因数取为1. 5。传力杆的基本功能是在相邻板块之间传递荷载 ,同时又不限制路面板在纵向自由移动, 因此通常在传力杆表面涂以防黏剂, 如聚乙烯膜、沥青或各种蜡, 尽量减少传力杆和混凝土的黏结。为防止传力杆锈蚀 ,通常在其表面涂敷沥青膜或环氧树脂防锈层 ,而防黏剂通常涂敷或套在防锈层外面以减少与混凝土之间的摩擦。本文中假设传力杆与周围混凝土有 0. 05 mm 的初始空隙, 以模拟防黏层或防锈层 。设置初始空隙有 2 方面作用 :一方面 ,在传力杆不发生弯曲的情况下 , 初始空隙的存在允许板不受传力杆的约束而自由滑动;另一方面 ,板的翘曲或拱起导致传力杆弯曲, 初始空隙模拟传力杆与混凝土能以任意角度发生不均匀或部分接触。因此 ,假设传力杆与混凝土界面为摩擦接触的滑动界面。AASH O 路面设计指南建议混凝土与基层的摩擦因数为 0. 9 ～ 2. 2 ,而缺乏传力杆与混凝土间摩擦因数的研究 ,本文中将其暂取为 0. 05 进行分析 。

计算过程中采用弹性模型, 假设材料参数不随温度而变化。作用在混凝土板上的荷载分为交通荷载和温度荷载。采用标准轴载 100 kN 作为交通荷载 ,并简化成当量圆形均布荷载进行计算 。计算时假设交通荷载 p =0. 7 M Pa , 则当量圆的直径为0. 302 m ,交通荷载模型如图 2 所示 。按照沿混凝土板厚内温度变化将温度荷载分为 2 种情况:①温度沿板厚均匀变化 ;②温度沿板厚不均匀分布, 通常用温度梯度 r ,即板顶温度与板底温度之差来表示。对于设传力杆混凝土路面, 接缝处的传力杆在板翘曲或拱起变形作用下发生弯曲, 限制混凝土板的自由伸缩 ,这时均匀温度变化对板应力会有影响。因此,本文中将在路面板厚内施加不同的温度情况,包括正温度梯度、负温度梯度和温度均匀变化, 研究路面板温度应力变化规律。

2 传力杆与混凝土界面最大应力分布规律2. 1 交通荷载的影响

板长分别取 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 , 传力杆模量 210 GPa ,直径 32 mm ,计算传力杆与混凝土界面接触应力。结果表明 , 板长对传力杆与混凝土界面接触应力分布规律及最大接触应力值影响不大。因此,只对板长为 5. 0 m 情况时的传力杆与混凝土界面应力分布规律进行研究 。图 3 、4 分别为接缝面受荷板和未受荷板处传力杆与混凝土界面的最大主应力、最大剪应力和最大垂直应力分布。图 3(b) ～(d)中横轴表示传力杆与混凝土界面圆周的角度位置,0°(360°)表示传力杆底部,180°表示传力杆顶部,最大压应力发生在传力杆底部,最大剪应力发生在传力杆底部两侧,最大主应力和最大拉应力均发生在传力杆的两侧;对于受荷板 ,最大压应力、最大剪应力、最大拉应力均发生在传力杆顶部或底部, 最大主应力发生在底部。应力分布云图可以更直观地了解应力沿圆周的分布规律。由此可见,在接缝面处传力杆周围混凝土高剪应力和高支承应力,容易导致与传力杆相接触的混凝土的挤碎和拉裂等破坏,增加传力杆松动量,降低传递荷载能力,甚至导致板边整体碎裂破坏。

2. 2 温度的影响

温度沿面板厚度的不均匀分布,使面板产生翘曲变形,传力杆也随之发生弯曲变形,传力杆的弯曲使传力杆与混凝土接触面出现应力。随着交通荷载作用,传力杆弯曲变形增加,这将进一步增大传力杆与混凝土界面的接触应力。开裂是混凝土路面损坏的主要形式,包括板中横向裂缝、板边和板角断裂。板长5. 0 m 时在温度与交通荷载共同作用下的传力杆与混凝土界面最大主应力、最大剪应力和垂直应力分布规律。由图5 可知,所有情况下最大剪应力和最大压应力均出传力杆与混凝土界面顶部,表明与传力杆顶部相接触的混凝土承受弯曲变形,主应力值最大,而最大主应力出底部附近。因此,与传力杆顶部和底部相接触的混凝土存在压碎或者拉裂的可能。另外, 计算结果还表明, 板长对传力杆与混凝土界面接触应力分布规律无明显影响,最大接触应力值不因板长而变化。

2. 3 板长的影响

温度梯度和均匀降温(包括0. 7 MPa 轮载)共同作用下的最大接触应力值。最大主应力值随板长的增加、均匀降温幅度的增大而降低。由于负温度梯度作用使板翘曲,传力杆也随之发生弯曲,如果在温度梯度和均匀降温共同作用下,板发生收缩变形, 板的收缩企图拉直弯曲的传力杆,这在一定程度上降低了传力杆顶部接触应力, 这可能就是最大主应力随均匀降温幅度增大而下降的原因。这种情况在板长为5. 0 、6. 0 m 时比较明显,这也表明了板的收缩和板长之间有内在的关系, 即板的收缩变形受板长影响。在温度梯度作用下最大主应力值接近断裂极限,界面处有可能形成裂缝。当考虑温度均匀下降时,只有4. 0 m板长最大主应力值达到断裂极限, 板长5. 0、6. 0 m的最大主应力有下降趋势,这有利于防止界面裂缝的产生。

3传力杆与混凝土界面接触应力传力杆直径为32 mm ,埋入混凝土的长度为22cm 。传力杆与混凝土界面各种接触应力沿传力杆长度方向的分布规律见图6 。图6 中横轴为离接缝缝隙中心(或传力杆中点)的距离, 如“0”代表接缝位置,“ - 5”代表传力杆在受荷板内5 cm的位置处, “5”代表传力杆在未受荷板内5 cm的位置处。沿着传力杆长度方向的应力分布规律为:传力杆与混凝土接触应力最大值的位置在接缝处,随着离混凝土接缝处距离的增大,应力值迅速下降,在传力杆两端接近为0,在离接缝处约8 cm范围内, 各种接触应力值比较大。混凝土板在温度梯度作用下的翘曲或拱起会导致传力杆弯曲。除了翘曲或拱起引起板收缩外,在温度均匀变化作用下板也将产生收缩变形。传力杆的弯曲限制了板在水平方向的收缩,导致传力杆与混凝土界面产生附加轴向拉力。在传力杆两端产生的附加拉应力见图 7 。由图7 可见,同样在传力杆两端产生较高的主应力和剪应力。综上所述,在接缝处附近和传力杆两端,因应力集中可能形成裂纹或破坏, 致使传力杆松动,传递荷载能力下降。4. 0 、6. 0 m 板长的接触应力沿传力杆长度的分布规律与5. 0 m 板长的完全相同。

4 结语(1)在轮载以及轮载和温度变化共同作用下,传力杆与混凝土界面存在明显应力集中现象。接触应力集中现象发生在离接缝面0 ～8 cm 范围内,而考虑均匀降温作用时, 高拉应力和主应力发生在杆两端附近及接缝面附近。

(2)无论在正温度梯度还是负温度梯度作用下,最大主应力均接近材料的破坏极限, 从而容易在界面处形成初始裂缝和挤碎, 使传力杆松动量增大,降低传递荷载能力, 甚至出现传力杆周围混凝土的严重碎裂。

(3)为减小接触应力, 有必要改进传力杆装置,以避免出现传力杆与混凝土接触应力集中现象, 从而在路面使用寿命内保持传力杆的传递荷载效能,并避免接缝处混凝土板出现碎裂、断板等破坏现象。1

传力杆偏差检测1 概述接缝传荷能力对水泥混凝土路面使用性能有着重要影响，横缝处设置传力杆能够明显提高板间传荷能力，降低板边和板角处竖向变形，从而延缓错台发展速度，保证水泥路面的长期使用性能。国外一些现场调查结果也表明，接缝设置传力杆后，水泥路面错台和板角的开裂率都能够明显降低 。我国开始将传力杆布设到重载交通水泥路面横向缩缝位置，由于传力杆自动植入设备 (Dowel Bar Inserter)能够明显提高施工效率，DBI方法2006 年在广东省首先应用，DBI 方法是我国水泥路面接缝传力杆主要采用的施工工艺。然而，在施工过程中由于多种因素的影响，传力杆并不能准确达到理想的设计位置，导致传力杆偏差的发生 。

因此，很多研究开始分析偏差的传力杆对路面使用性能的影响。例如，Yu 等人在1998 年通过调查发现传力杆偏差发生后对路面使用性能有着较大Leong 等人在2006 年通过现场调查发现传力杆竖向和水平偏转对接缝处的剥落病害有着重要影响 。随着传力杆在我国接缝水泥路面的广泛应用，我国研究者也开始关注传力杆偏差问题，2009 年蔡海斌通过有限元模型分析了传力杆偏差后对界面应力和传荷能力的影响;2011 年彭鹏，田波等人通过室内拔出和重复弯曲试验分析了不同偏转程度的传力杆工作性能状况 。

上述分析表明，传力杆偏差程度已经成为影响水泥路面板间传荷能力变化的关键因素。因此，为了降低传力杆偏差的不利影响，研究人员开始针对传力杆偏差的允许范围进行研究。例如，2001 年Lev Khazanovich 等人在美国明尼苏达州交通部支持下通过有限元和现场调查分析了传力杆偏差的可接传力杆偏差的5 种类型分别是:( 1) 水平偏转; ( 2) 水平移动; ( 3) 竖向偏转; ( 4)竖向移动; ( 5) 纵向移动。

需要说明的是，传力杆施工过程中发生的偏差是 5 种基本偏差类型的组合。多研究机构开始颁布相应的传力杆偏差控制指南，例如 2007 年，FHWA 美国联邦公路管理局在多个工程实践的基础上提出了传力杆偏差控制标准2013 年，美国水泥路面协会 ACPA 针对 DBI 设备的广泛应用，提出了 DBI 植入传力杆的偏差控制标准 。

虽然传力杆植入工艺 DBI 已经在我国开始广泛应用，然而，关于我国的传力杆偏差状况尚缺少实际数据分析。为此，本文采用德国生产的专门用于传力杆三维定位检测分析的 MITSCAN2 设备对北黑高速公路典型路段 ( 108 条接缝) 进行现场检测，基于美国 ACPA 的传力杆偏差控制指南进行评估分析，并与美国伊利诺伊州的两条路段的实际检测结果 ( 23 条接缝) 进行了对比分析。

2 对比分析美国伊利诺伊州两个水泥路面路段的23 条接缝也是采用该设备进行的传力杆检测，这里采用本文的评估标准对北黑高速和美国伊利诺伊州的接缝传力杆偏差进行了汇总。由对比可以得到如下结论:

(1)与国外高质量施工水平相比，DBI 施工工艺在我国尚处于起步阶段，传力杆偏差控制工艺需要提高。

(2)水平移动偏差导致传力杆不可接受水平，在美国和北黑高速比例分别是0% 和1. 8% ，说明DBI 工艺能够较好控制水平移动偏差。

(3) 纵向移动偏差导致传力杆不可接受水平在美国和北黑高速分别是1. 1% 和5. 6% ，不可接受水平和可接受水平之间比例分别是12. 4% 和29. 3% ，传力杆纵向移动和切缝位置密切相关，因此可以通过切缝位置控制降低这部分偏差。

(4) 竖向移动偏差方面美国和中国有着较大的差别，两者不可接受水平分别为0. 8% 和2. 9% ，但两者在不可接受和可接受水平之间比例分别为3. 8%和41. 3% ，在北黑高速竖向移动偏差为正值(25 ～66 mm) 比例达到了 39. 8%，由该设备测量原理可知，偏差为正值主要是由于实际板厚大于设计板厚导致，对于路面使用性能是有益的。

(5)水平偏转偏差导致传力杆不可接受水平在美国和北黑高速分别为2. 2% 和33. 8% ，两者之间存在着较大差别，原因尚不明确。

(6)竖向偏转偏差导致传力杆不可接受水平在美国和北黑高速分别为8. 2% 和15. 8% ，不可接受和可接受水平之间的比例分别为17. 3% 和34. 3% ，说明无论在我国还是在美国，传力杆的竖向偏差都是比较严重的，也是DBI 施工过程中难以控制的，应该加强该方面的研究。

3 结论传力杆偏差控制是接缝水泥路面施工过程的重要环节，随着DBI 方法在我国开始应用，传力杆偏差状况尚不清楚。因此，本文采用MITSCAN2 设备对黑龙江省北黑高速公路的典型路段传力杆偏差状况进行了检测分析，发我国传力杆偏差问题较为严重，尤其是竖向移动和竖向偏转两种偏差类型。同时与美国伊利诺伊州两条公路实际检测数据进行了对比，结果显示我国在水泥施工过程中的传力杆偏差控制方面存在较大差距，除了水平移动偏差外，我国的其他类型偏差都较为严重。2