混凝土路面传力杆界面应力分析.pdf

第 3 8 卷第 4期 2 0 1 2年 8月 四川建 筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e l 8 9 混凝土路面传力杆界面应力分析 李 侠 ( 1 西安财经学院管理学院， 陕西 西安7 1 0 0 6 1 ； 2 长安大学环工学院， 陕西 西安7 1 0 0 5 4 ) 摘要： 为了研究混凝土路面传力杆处应力分布规律及接缝传荷能力， 建立水泥混凝土横向接缝三维有限元模型， 对不同面板厚度、 不同传力杆直径工况下的应力分布规律及传力杆松动对接缝传荷能力影响进行分析。研究结果 表明： 界面混凝土最大主拉应力随面板厚度的增加而降低， 最大剪应力随面板厚度增加呈现先增大后减小趋势 ， 界 面混凝土最大主拉应力和最大剪应力随传力杆直径的增加均呈现先增大后减小的趋势； 传力杆松动情形下， 最大 主拉应力和最大剪应力变化幅度较小 ， 但接缝传荷能力下降明显， 松动间隙由 2 a m增大到 6 c m时， 传荷系数由 9 3 2 降低到7 6 1 。 关键词： 传力杆接缝； 有限元分析； 松动间隙； 界面混凝土应力； 接缝传荷能力 中图分类号 ： T U 5 2 8 1 文献标识 码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 41 8 9 0 5 S t r e s s e s a t i n t e r f a c e s b e t we e n d o we l s a n d s u r r o u n d i n g c o nc r e t e U Xi a ( 1 S c h o o l o f Ma n a g e m e n t ， X i a n U n i v e r s i t y o f F i n anc e and E c o n o mi c s ， X i a l l 7 1 0 0 6 1 ， C h i n a ； 2 C o l l e g e o f E n v i r o n m e n t a n d E n g i n e e r i n g ， C h ang an U ni v e r s i t y ， X i an 7 1 0 0 5 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： A d e t a i l e d t h r ee d i me n s i o n a l f i n i t e e l e me n t mo d e l wa ft u s e d t o i n v e s t i g a t e t h e dis t r i b u tio n r u l e o f s t r e s s e s a t i n t e r f a c e s b e t w e e n d o we l s and s u r r o u n d i n g c o n c r e t e u n d e r d i ff e r e n t t h i c k n e s s o f c e me n t c o n c r e t e p a v e me n t a n d d i ff e ren t d o w e l S d i a me t e r and l o a d t r a n s f e r e ffic i e n c y u n d e r d iffe r e n t p an e l t h i c k n e s s ， d o we l S l oos e n e d q u ant i t y T h e res et s i n d i c a t e t h a t c o n c r e t e S ma x i mu m p rin c i p al t e n s i l e s t r e s s a t i n t e r f a c e s d e c r e a s e ， t h a t ma x i mu m s h e a ri n g s t r e s s i n c rea s e fi r s t a n d t h e n d e c rea s e wh e n p a n e l t h i c kn e s s i n c r e ase s ； c o n c ret e S ma x i mu m p r i n c i p al t e n s i l e s t r e s s a n d maxi mu m s h e a r i n g s t r e s s a t i n t e r f a c e s i n c r e ase fi rst an d t h e n d e c rea s e wh e n d o w e r s dia me t e r i n c rea s e s I n c a se of l oos e n e d q u a n t i ty， t h e maxi mu m p rin c i p al t e n s i l e s t r e s s a n d ma x i mu m s h e a r s t r e s s c h ang e d l i t t l e ， b u t l o a d t r a n s f e r e ffic i e n c y d e c r e ase d s i g n i f i e and y L o a d t r an s f e r e f fi c i e n c y d e c r e a s e s f r o m 9 3 2 d o wn t o 7 6 1 wh e n l o o s e n e d q u a n t i ty i n c rea s e s f r o m 2 c m t o 6 c m Ke y w o r d s ： d o w e l e d j o i n t ； fi n i t e e l e me n t a n al y s i s ； l oos e n e d qua n t i ty； c o n t a c t s t re s s ； l o a d t r ans f e r e ffic i e n c y 0 引 言 水泥混凝土路面传力杆主要作用是提高接缝传 荷能力 ， 减小受力板与从力板之间弯沉差 ， 使两者协 同变形 ， 共 同分担荷载及环境应力 。但是传力杆处 界面混凝土存在应力 集 中， 容 易出现剪切 、 拉伸破 坏 ， 也是接缝处破坏的主要形式。 针对水泥混凝土路面传力杆的应用及荷载作用 下路面内传力杆力学响应的研究， 国内外研究人员 已做了大量工作， 包括设置传力杆的施工技术及质 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 1 1 1 作者简介 ： 李侠( 1 9 7 1一) ， 女 ， 陕西三原人 ， 讲师 ， 长安大学在 读博 士 ， 主要从事地质工程及工程 管理方 面的教学与科研工作 。 基金项目： 高等学校博士点科研基金项 目( 2 0 0 9 0 2 0 5 1 2 0 0 0 8 ) E ma i l ： l i x i a l a o s h i 2 0 1 2 1 6 3 c o rn 量检测 、 传 力杆力学理论分 析 和数值模 拟 引、 接缝处荷载传递 叫等方 面的研究 。但是 ， 对不 同 面板厚度、 传力杆直径工况下传力杆界面处混凝土 应力分布规律及传力杆松动对界面混凝土应力分布 及接缝传荷能力影响规律 ， 既有文献缺乏系统分析 。 本文通过有限元建立多种工况路面结构模型， 分 析 不同面板厚度、 不同传力杆直径因素对界面混凝土 应力分布影响规律， 得到接缝传荷能力随传力杆松 动的变化规律 ， 从而为避免路面不利应力状态 、 增加 路面使用寿命提供依据。 1 参数及荷载选择 1 1 有限元模型 本文基于线弹性理论 ， 建立了三维有限元模型， 对不 同组合工况下路面板 内第一主应力 、 剪应力及 l 9 O 四川建筑科学研究 第 3 8卷 竖向位移进行分析 。对材料性质及各层边界条件假 设如下 ： 1 ) 各层都是均匀 、 连续 、 各向同性的线弹性体 。 2 ) 各层层 间竖 向位移 连续。地基底 面各 向位 移为 0 ， 地基及基层侧面水平方向位移为 0 ， 水泥面 板四边 自由。 3 ) 接缝宽度 1 c m， 且只有设传力杆时接缝才有 传荷能力 。 4 ) 板与地基之间具有摩擦滑动界 面， 本 文考虑 摩擦因数取为 1 0 。将不同尺寸的模型进行试算， 依据计算结果得误差分析， 最终确定采用表 1 所列 模型尺寸。 表 1 三维模型尺寸 Ta bl e l The s i z e of 3D m o de l 传力杆与混凝土界面是关键部位， 对传力杆及 其周围混凝土 、 横向接缝处网格进行细化， 对路基单 元采用适当的网格梯度进行划分 ， 如图 1 ， 2所示。 图 1 网格剖分整体 示意 Fi g 1 Ov e r a l l m e s h di s s e c t i o n 图 2 剖分后 的传 力杆 与混 凝土板 结合处 Fi g - 2 Co n t a c t o f d o we l s a n d c o nc r e t e p l a t e 1 2 计算基本参数 车轮荷载作用在接缝一侧 的偏荷载对面层最为 不利 ， 因此行车荷载采用单侧双轮轴载 5 0 k N， 轮胎 压力为 0 7 M P a ， 将车轮荷载等效为矩形 1 8 8 c m l 8 8 c m， 双轮间距 2 8 2 c m。荷载作用在横缝 中心 位置。路面结构主要计算参数见表 2 。 表2 主要计算参数 Ta bl e 2 M a i n pa r a me t e r s of c al c ul a t i o n 文献 1 1 推荐传力杆最大间距： 在路面板厚 h 2 4 c m时采用 4 0 c m。综合考虑我国 J rI G D 4 O 2 0 1 1 公路水泥混 凝土路面设计规范 对传力杆间距的要求， 本文传 力杆等间距设置 ， 间距为 3 0 c m。 且本文以传力杆与周围混凝土间隙表示松动程 度， 计算了面板厚 2 6 c m、 传力杆直径 3 0一 、 间隙 为 2 c m， 4 c m， 6 c m面板内应力分布及接缝传荷能 力。取值路径如图 3所示。H一 1 ， H - 2为传力杆顶部 和底部沿传力杆从受力板到从力板方 向混凝土中应 力取值路径， H - 3为与传力杆对应长度面板表面竖 向位移取值线。 图3 计算取值路径 Fi g 3 Value p at h o f c a l c ul a t i o n 2 接 缝处 传 力杆 界 面 混 凝 土应 力及 接缝传荷能力计算分析 受荷板最大剪应力发生在传力杆顶部或底部， 最大主应力发生在底部 ； 未受荷板最大剪应力发生 在传力杆底部两侧， 最大主应力均发生在传力杆的 两侧 。因此应力取值路径见图 3中 H 一 1 ， H- 2 ， 竖 向位移取值路径见图 3中 H一 3 。 2 1 不同面层厚度 传力杆直径 2 8 m m， 长度 4 5 c m， 面层厚度依次 取 2 4 c m， 2 6 c m， 2 8 c m， 3 0 c m， 3 2 c m进行计算 。沿 H一 1 路径受力板与从力板主应 力 、 剪应力随面板厚 度变化见图 4 7 ， 最大主拉应力及最大剪应力 随面 板厚度变化见图 8 ， 9 。 由各工况应力随厚度变化结果可知， 传力杆顶 2 0 l 2 N O 4 李侠 ： 混凝土路面传力杆界面应力分析 02 0 1 0 0 窆 妄 1 翅 刊 0 2 0 3 -0 4 ! 撵 蚪 蹿 簿 -i t - 2 4 c m I 一 一+一2 6 c m l ： 一十 3 2 c m f 辜 0 0 0 0 04 0 08 0 1 2 0 1 6 0 2 0 0 2 4 传力杆位置e ra 图 4 受 力板主应 力随厚 度变 化曲线 Fi g 4 Pr i n c i pa l s t r e s s e s o f a c t i ve pl a t e O 3 0 2 至o _l 、 o o + H -0 1 0 2 至 、 I R 越 H辑 氏 -2 4 c m _ + _ 2 6 c m 。 一! J 28cm 一 30cm -qu一32cm 0 2 4 0 2 8 0 32 0 3 6 0 40 0 4 4 0 48 传力杆位置 c m 图 5 从力板主 应力随厚 度变化曲线 Fi g 5 Pr i nc i pal s t r e s s e s o f pa s s i v e pl a t e 0 00 0 0 4 0 08 0 1 2 0 1 6 0 2 O 0 2 4 传力杆位置 e ra 图 6受力板 剪应力随厚 度变化 曲线 Fi g 6 She a r s t r e s s e s o f ac t i v e pl a t e 0 0 0 2 州 善 6 -0 8 -1 O 传力杆位置 e ra 0 2 4 0 28 0 3 2 0 3 6 0 4 0 0 44 图 7 从力板剪应 力随厚 度变化 曲线 F i g 7 S h e a r s t r e s s e s o f p a s s i v e p l a t e l _ 3 1 皇1 3 0 -R 1 2 9 墨1 2 8 1 2 7 珥 蹲 1 2 6 = 、 趟 嘣 2 4 2 6 2 8 3 0 3 2 路面板厚度 e ra 24 2 6 28 3 0 3 2 路面板厚度 c m 图8 受力板传力杆顶部界面混凝土应力 随面板厚度变化 曲线 Fi g 8 Co nt a c t s t r e s s e s of t h e t o p o f a c t i v e p l a t e 2 4 2 6 2 8 30 32 路面板 厚度 ， c m 0 2 5 皇0 2 4 餐 0 2 2 21 0 2 0 2 4 26 28 3 0 3 2 路面 板厚 度 c m 图 9 从力板传 力杆顶 界面 混凝 土应 力随 面板厚度变化 曲线 F i g 9 Co n t a c t s t r e s s e s o f t h e t o p o f p a s s i v e p l a t e 端界面混凝土剪应力和主应力 的变化规律相近 ， 最 大主拉应力 和最大剪应力均 出现在靠 近接缝端 面 处。界面混凝土最大主拉应力 随面厚增加而减小 ， 面厚由 2 4 c m到 3 2 c m， 受力板减小 3 5 4 ， 从力板 减小 1 6 5 ； 最大剪应 力随厚度增 加先增 大后减 小， 受力板总体减小 3 5 ， 从力板总体减小 5 1 。 即在面厚超过 2 6 c m时 ， 直径为 2 8 mm传力杆从剪 应力角度考虑依然适用 ， 这与规范 中依面板厚度所 对应的传力杆直径不尽相同- 1 川。 2 2不同传力杆直径 由上述计算结果可知 ， 在面厚为 2 6 c m时， 界面 混凝土主应力及剪应力均达最大值， 工况最不利。 因此计算时取面板厚 2 6 c m， 传力杆直径依次为2 4 m m， 2 6 m m， 2 8 mm， 3 0 n l i n ， 3 2 I n lT l 。沿 H一1路径受 力板与从力板主应力、 剪应力随传力杆直径变化见 图 1 O1 3 ， 最大主拉应力及最大剪应力随传力杆直 径变化见图 l 4， 1 5 。 O2 O 1 0 0 _ 0 1 -0 2 - 0- 3 - 0 4 一 _ F 一 一 ! _2 4 mm 一 2 6 mm ； ：； ( 。 一 一 3 2 ra m ， # O o 0 O 0 4 O 0 8 0 1 2 0l 6 0 2 0 0 2 4 传力杆位置 c a 图 1 0 受 力板主应 力随传 力杆直径变化 F i g 1 0 Pr i n c i p a l s t r e s s e s o f a c t i v e p l a t e R毯 州 嚼 避 州 l 9 2 四川建筑科学研究 第 3 8卷 llil ：-# - 2 6 m m 一 。 ， ： 0 2 O 0 2 4 0 2 8 0 3 2 0 3 6 0 4o 0 4 4 传力杆位置 c m 图 1 1 从力板主应力随传力杆直径变化 Fi g 1 1 P r i n c i p a l s t r e s s e s o f p a s s i v e p l a t e 图 1 2 受力板剪应力随传力杆直径变化 Fi g 1 2 S h e a r s t r e s s e s o f a c t i v e p l a t e 传力杆位置c m 0 2 O 0 2 4 0 28 0 3 2 0 3 6 0 40 0 44 0 4 8 0 0 o 2 = 0 4 器 o 8 1 0 图 l 3 从力板剪应力随传力杆直径变化 F i g 1 3 S h e a r s t r e s s e s o fp a s s i v e p l a t e 、 斗 H + 嚼 l 8 0 l 75 1 7 0 l 65 1 60 1 55 l 5 O 图 1 4 受力板传力杆顶界面混凝土应力 随传力杆直径变化曲线 F i g 1 4 Co n t a c t s t r e s s e s o f t h e t o p o f a c t i v e p l a t e 由各工况应力随传力杆直径变化结果可知， 传 力杆顶端界面混凝土剪应力和主应力的变化规律相 同 ， 最大主拉应力和最大剪应力均出现在靠近接缝 端面处。受力板和从力板界面混凝土最大主拉应力 图 1 5 从力板传 力杆顶界面混凝土应力 随传力杆直径变化曲线 Fi g 1 5 Co n tac t s t r e s s e s o f t h e t o p o f p a s s i v e p l a t e 和最大剪应力随传力杆直径增加先增大后减小。在 传力杆直径由2 4 m m增大到 3 2 m m时， 受力板最大 剪应 力 总 体 减 小 2 3 5 ， 最 大 主 拉 应 力 减 小 1 6 2 ； 从力板最大剪应力、 最大主拉应力总体呈增 加趋势 ， 最大剪应力增加 2 1 ， 最大主拉应力增加 1 4 。可得， 随传力杆直径的增大， 总体上受力板 和从力板之间应力差距逐渐减小 ， 两者共 同发挥作 用抵抗荷载的能力增大。另外 ， 在传力杆直径为 3 0 mm时 ， 主拉应力与剪应力达最大值 ， 因此从界面混 凝土应力分析 ， 面板厚为 2 6 c m时， 应避免设置传力 杆直径 3 0 m m。 2 3 不同程度传力杆松动 接缝端面传力杆处混凝土在较小的范围内存在 较大的应力集中 13 -1 4 ， 界面混凝土容易破坏， 致使 传力杆与混凝土出现松动。综合考虑最不利工况组 合 ， 取面板厚 2 6 c m， 传力杆直径 3 0 m m， 对传 力杆 松动间隙2 c m， 4 c m， 6 c m进行计算分析， 如图 1 6 一 l 9所示 。 1 2 o 8 日 0 4 o o -o 4 o o o o 0 8 o 1 6 o 2 4 传力杆位置 c m 图1 6 受力板剪应力随传力杆松动变化 Fi g 1 6 S h e a r s t r e s s e s o f a c t i v e p l a t e 传力杆位置 0 2 O 0 2 4 0 2 8 0 32 O 3 6 O 4 O 0 4 4 图 1 7 从力板剪应力随传另秆松动变化 F i g 1 7 S h e a r s t r e s s es o fp a s s i v e p l a t e 们 日 鲁 翅州 加 m 李侠： 混凝土路面传力杆界面应力分析 1 9 3 0 00 0 0 4 0 0 8 0 1 2 0 1 6 0 2 0 0 2 4 传力杆位置 c m 图 1 8 受力板主应力随传力杆松动变化 Fi g 1 8 Pr i nc i pa l s t r e s s e s o f ac t i v e pl a t e 0 2 0 0 2 4 0 2 8 0 - 3 2 0 3 6 0 40 0 4 4 0 48 传力杆位置， c m 图 1 9 从力板主应力随传力杆松动变化 F i g 1 9 P r i n c i p a l s t r e s s e s o f p a s s i v e p l a t e 由计算知， 随间隙增大， 最大剪应力和最大主拉 应力均逐渐减小。从力板减小幅度较大 ， 间隙由 2 m i n增大到 4 mm时 ， 最大剪应力减小了 1 2 6 ， 最 大主拉应力减小 了 4 0 8 ； 间隙由 4 m m增 大到 6 m n l 时 ， 最大剪应力减小了 2 1 2 ， 最大主拉应力减 小了7 1 。传力杆松动接缝传荷系数结果见表 3 。 表 3 传力杆松动程度对接缝传荷系数影响 Ta b l e 3 Effe c t o f l o a d t r a n s f e r e ffi c i e n c y wi t h d o we l l o s s e n 由表 3 可知， 随着传力杆松动程度的增大， 接缝 传荷系数逐渐减小， 当传力杆松动间隙增大到6 m m 时， 接缝传荷能力为7 6 1 ， 依规范评判其接缝传 荷能力为中 。因此， 传力杆松动主要影响接缝传 荷能力， 使传荷系数大幅降低。 3 结语 通过对不同路面板厚度、 不同传力杆直径各种 工况下传力杆界面混凝土应力及接缝传荷能力进行 计算分析 ， 得到以下结论 。 1 ) 传力杆 界面处混凝土最大主拉应力随 面板 厚度增加而降低 ， 最 大剪应力随面板厚度增加呈现 先增大后减小趋势。面板厚度 的变化对受力板影响 较大 ， 面厚由 2 4 c m到 3 2 c m时， 受力板最大主拉应 力 减小 3 5 4 。 2 ) 传力杆界面处混凝土最大主拉应力和最大 剪应力随传力杆直径的增加均呈现先增大后减小的 趋势。传力杆直径的变化对受力板影响较大， 传力 杆直径由 2 4 m m到 3 2 m m时， 受力板最大剪应力减 小2 3 5 ， 最大主拉应力减小 1 6 2 。 3 ) 随松动程度的增加 ， 受力板最大主拉应力和 最大剪应力较从力板变化 幅度小， 接缝传荷能力下 降明显， 松动间隙为 2 c m， 4 c m， 6 c m时， 传荷系数 分别为9 3 2 ， 8 4 7 ， 7 6 1 。因此， 传力杆松动 致使从力板承担的车轮荷载降低幅度较大， 两个板 不能协同抵抗荷载 ， 对板的损坏增大 ， 寿命降低。 参 考 文 献 ： 1 胡新 民， 陈 浩 水 泥混凝 土路 面缩 缝增 设传 力杆施 工技 术 J 筑路机械与施工机械化， 2 0 0 8 ( 2 ) 2 黄品良 水泥混凝土路面胀缝传力杆安装定位方法的探讨 J 建设机械技术与管理， 2 0 0 2 ( 2 ) 3 胡健， 王立新， 轩俊杰 地质雷达在公路隧道路面横缝传力 杆和纵缝拉杆质量检测中的应用 J 公路隧道， 2 0 0 9 ( 2 ) 4 彭鹏， 田波， 牛开民 水平安装误差时传力杆工作性能研 究 j 公路交通科技， 2 0 1 1 ， 2 8 ( 6 ) 5 张军。 李剑波， 边惠英 刚性路面缩缝传力杆的受力分析与 设计 J 中南公路工程 ， 2 0 01 ， 2 6 ( 4 ) 6 张望喜， 易伟建 刚性路面接缝传力杆挠度解析计算 J 湖南 大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 7， 3 4 ( 1 1 ) 7 F r i b e r g B F D e s i g n o f d o w e l s i n t r a n s v e r s e j o i n t s o f c o n c r e t e p a v e in e n ts J T r a n s a c t i o n o f A S C E ， 1 9 4 0 ， 1 7 ( 7 ) ： 1 4 3 1 7 1 8 胡伟 有限元法在分析混凝土路面传力杆传荷能力中的应 用 J 西部探矿工程， 2 0 0 5 ( 5 ) 9 李光元， 胡霞光 传力杆连接道面板间荷载传递的数值模拟 J 中外公路， 2 0 0 1 ， 2 1 ( 5 ) 1 0 蒋应军， 张伟宏 传力杆对接缝传荷能力及临界荷位处应力的 影响 J 工程力学 ， 2 0 0 9， 2 6 ( 3 ) 1 1 高伟 水泥混凝土路面传力杆设霞间距分析 J 公路， 2 0 1 0 ( 4 ) 1 2 Y r G D 4 O 2 0 1 l 公路水泥混凝土路面设计规范 S 【 1 3 陈旭华 基于 A N S Y S的传力杆与混凝土界面接触应力分析 J 湖南交 通科技 ， 2 0 1 0 ( 2 ) 1 4 蒋应军， 戴经梁 传力杆与混凝土界面的接触应力 J 中国 公路学报 。 2 0 0 7， 2 0 ( 2 ) 啪咖咖咖 咖0咖 0 O O O 0 O 0 O 他 挖9 6 3 0 _ d ， R 坩