水泥混凝土路面拓宽段拉杆设置类型研究

发布时间：2022-10-05 10:06 热度：

　　摘要：针对水泥混凝土路面拓宽段拉杆受力特点，结合广东省某高速公路改扩建工程拟采用的两种类型的拉杆，借助有限元法对这两种拉杆在车辆荷载下及路基沉降条件下所产生的应力情况进行分析研究，合理评价这两种拉杆的使用特点，为后续水泥混凝土路面拓宽工程中所采用的拉杆类型提供思路及参考。

　　关键词：拉杆;拓宽;水泥混凝土路面;有限元

　　Abstract : the mechanical characteristics of cement concrete pavement widening segment rod , combined with the Guangdong Province Freeway expansion project to be used in two types of rod , with the rod of finite element method both in the vehicle load and subgrade settlement conditions the stress analysis and study, and reasonable evaluation of the use of the two rod characteristics , follow-up of cement concrete pavement to widen the type of rod used in the project to provide ideas and reference .

　　Keywords: rod ; broaden ; cement concrete pavement ; finite element

　　随着我国国民经济迅速发展，早期修建的四车道水泥混凝土公路越来越无法满足交通量增长的需要，为满足道路通行能力的需求，有必要对这些公路进行拓宽。而在水泥混凝土路面拓宽设计中，新旧路面如何进行合理搭接、拓宽部分路面如何布设等，尽管国内外都对此进行了大量探索性研究[1]-[3]，目前尚没有一套成熟适用的技术来指导设计和施工[4]。特别是对水泥混凝土路面拓宽后再进行沥青罩面的工程，由于罩面后路面为刚柔复合路面结构，拓宽部位车道无论采用刚性基层、半刚性基层还是组合式柔性基层，在车辆荷载的作用下，与旧水泥混凝土面板拼接部位的竖向变形很难达到协调，从而在拼接位置处产生较大的横向拉应力和纵向弯拉应力，长期作用下，拼接部位的路面将会产生裂缝。在实际施工中，为防止此部位裂缝的产生，可采取加强对路基稳定性处理和填筑压实质量等措施来降低因竖向变形而引起的应力外，目前最常用的且比较经济合理的方法是在旧板厚度中部设置水平向拉杆。

　　纵观国内众多工程实践及研究可知[5]-[7]，拉杆设置的主要作用是为了保持纵缝两侧路面板的整体性，防止在荷载作用下向两侧移动，并不要求拉杆具有传递车轮荷载的功能。因此，拉杆的设计主要考虑拉杆本身的抗拉强度及拉杆与水泥混凝土之间的粘结力是否超过容许应力的范围。目前，国内水泥混凝土路面的拉杆均按照现行规范中规定的要求进行设置，但这种拉杆设置类型是否适合水泥混凝路面拓宽工程，或者是否有更适合的设置类型，本文结合广东省某高速公路改扩建工程，对此类问题进行了相关的研究。该高速采用旧混凝土路面两侧加宽，由双向四车道拓宽为八车道，新旧路面拼接位置处设置拉杆，拟采用两种拉杆设置类型，一种为直杆，一种为杆端弯曲。本文借助有限元法对这两种类型的拉杆在车辆荷载下及路基沉降条件下所产生的应力情况进行分析研究，合理评价这两种拉杆的使用特点，为后续水泥混凝土路面拓宽工程中所采用的拉杆类型提供思路及参考。

　　1 建立有限元模型

　　采用ANSYS大型有限元通用软件，建立了该路面结构的空间实体有限元模型，其中路面结构采用solid65单元进行离散分析，拉杆采用beam189单元进行离散分析，模型共建立28776个节点，87692单元，路面结构建立有限元模型

　　汽车轮载采用单轴双轮，为便于有限元分析，汽车轮载采用18.9cm×18.9cm 的正方形垂直均布荷载模拟，双轮间距32cm，两侧轮隙间距为182cm，接触压应力为0.7MPa，荷载位置取在混凝土路面板拼接位置的加宽路面板边缘，纵向为板中位置，加宽的新混凝土板与旧混凝土板的纵向接缝处设置拉杆，拉杆设置参考《公路水泥混凝土设计规范》(JTG D40-2002)，拉杆的直径为16mm，间距60cm。直杆长为80cm;另一种进行杆端弯曲设置，其中弯曲的长度为0.2m，弯曲角度为90°。

　　2 车辆荷载作用下的应力分析

　　将BZZ-100标准车辆荷载作用于道路拓宽处的路面板顶时，分析新、旧沥青混凝土路面各结构层的应力分布和拉杆的受力情况。

　　2.1车辆荷载作用于混凝土面板中部

　　在车辆荷载作用下，两种拉杆设置类型中

　　当拉杆为直杆时，在临近汽车荷载作用位置的拉杆最大拉力为0.36MPa;当拉杆为弯拉杆时，在临近汽车荷载作用位置的拉杆最大拉力为0.4MPa;其余拉杆受力随其距汽车荷载作用位置的增加而减小。

　　从以上分析可以看出，当车辆荷载作用于车道板中央时，新旧混凝土之间的拉杆弯曲对于沥青混凝土面板层底的横向拉应力和接缝处的剪应力都有一定的影响，但影响不大;对于混凝土板顶的应力也影响不大;但对碾压混凝土竖向拉应力影响较大，明显低于直杆时所受应力;同时在采用弯曲拉杆时，拉杆可承受的应力明显比直杆要大。

　　2.2车辆荷载作用于混凝土面板接缝处

　当拉杆为直杆时，在临近汽车荷载作用位置的拉杆最大拉力为0.35MPa;当拉杆为弯拉杆时，在临近汽车荷载作用位置的拉杆最大拉力为0.38MPa;其余拉杆受力随其距汽车荷载作用位置的增加而减小。

　　从以上分析可以看出，当车辆荷载作用于混凝土接缝时，拉杆类型对沥青面层底部、混凝土面板板顶及拉杆受力规律与车辆荷载作用于车道板中央时相一致，即新旧混凝土之间的拉杆弯曲对于沥青混凝土面板层底的横向拉应力和接缝处的剪应力都有一定的影响，但影响不大;对于混凝土板顶的应力也影响不大;但对碾压混凝土竖向拉应力影响较大，明显低于直杆时所受应力;同时在采用弯曲拉杆时，拉杆可承受的应力明显比直杆要大。

　　3 基于拓宽路面土基下沉时拉杆的应力分析

　　前述可知，拉杆的作用主要是保持纵缝两侧水泥混凝土面板的整体稳定性，而在水泥混凝土路面加宽工程中，由于拓宽段的土基受力与旧土基的受力情况相差太大，在行车荷载的作用下，拓宽段的土基很容易出现不均匀沉降。在这种情况下，设置拉杆可在一定程度上保持新旧路面的整体稳定，延缓或抵抗拓宽段路面的沉降。因此，本文通过研究土基下沉10mm、20mm、30mm和40mm时，作用在这两种类型的拉杆上的受力情况，以分析这两种类型的拉杆抵抗路面沉降的优劣。

　　根据前述有限元模型计算可得拓宽路面土基不同下沉深度时，这两种类型的拉杆的受力大小，见表5所列。

　　表5不同类型拉杆承受拉力大小(MPa)

　　土基下沉深度

　　拉杆类型10mm20mm30mm40mm

　　直杆3.07.011.015.0

　　弯拉杆2.56.09.513.0

　　从表5可知，在相同的土基下沉深度，作用在直杆上的拉力要比作用在弯拉杆上的拉力要大，且随着土基下沉深度的不断增加，作用在直杆上拉力的增长速度要远远大于弯拉杆，表明端头弯曲的拉杆在一定程度上分散了由于土基下沉而引起的应力，其保持路面板整体稳定性能要远远优于直杆。

　　4 总结

　　通过对公路拓宽路面板在车辆荷载和土基下沉作用下的应力分布情况，可以得到以下结论：

　　(1)无论拉杆类型为直杆还是弯拉杆，其加铺沥青面层的底部最大应力均小于沥青混凝土的抗拉和抗剪强度，满足沥青混凝土路面的使用要求;

　　(2)无论拉杆类型为直杆还是弯拉杆，其新、旧混凝土板板顶最大应力均小于混凝土的最大抗拉强度，能够满足水泥混凝土的使用要求;

　　(3)从拉杆为直杆和杆端弯曲两种形式的力学性能分析可知，拉杆设置为杆端弯曲的形式有利于混凝土板之间力的传递和提供更大的拉应力;

　　(4)从对拓宽段土基下沉时拉杆的应力分析可知，拉杆设置为杆端弯曲的形式有利于分散由于土基下沉而引起的应力，能较好的确保新旧路面板整体的稳定性。

　　参考文献

　　[1]王秉纲，郑木莲，水泥混凝土路面设计与施工[M]，人民交通出版社，2004;

　　[2]余正武，路基路面拓宽移动载荷影响分析[J]，公路,，2007.01;

　　[3] 陈鹏飞，陈铭，水泥混凝土路面纵缝拉杆作用分析[J]，城市道桥与防洪，2001.12;

　　[4]余国红，袁万杰，水泥混凝土路面拓宽结构设计的力学分析[J]，中外公路，2010.04;