傳力杆

設傳力杆的水泥混凝土路面接縫通常因傳力杆鬆動量增加而喪失傳遞荷載的能力,甚至出現混凝土的擠碎破壞。在已有的力學分析模型中,有的採用彈性懸臂樑連接板或者利用代表傳力杆傳遞荷載能力的梁單元和代表混凝土對傳力杆支承傳遞荷載作用的彈簧單元建立有限元模型, 也有的建立了二維有限元模型, 但是這些模型都難以有效模擬傳力杆混凝土界面、混凝土與地基接觸狀況,因而無法精確地分析路面結構內的各種應力變化規律、傳力杆與混凝土界面的接觸應力分佈規律和傳力杆周圍混凝土破碎和拉裂等問題 ;同時,也不能方便地分析温度變化以及温度變化和車輛荷載同時作用對路面結構內有關應力、應變的影響規律 。為此 ,筆者採用通用有限元軟件 ANSYS , 利用實體單元模擬混凝土板和傳力杆 ,建立三維有限元分析模型 ,對軸載及温度變化作用下傳力杆與混凝土界面處的應力分佈及變化規律進行分析, 旨在為傳力杆裝置的改進提供依據。

為了簡化分析, 視地基為彈性半空間體, 在水平和垂直方向上是無限大的。在計算中假定其他參數不變 ,逐步擴大地基的尺寸,板的應力隨着地基尺寸的增大而逐步穩定, 直至應力收斂為止。通過大量試算 ,最後確定地基的計算尺寸為 5. 0 m ×7. 0 m ×7. 0 m 。板寬取 3. 75 m ;板長根據需要取值 ,一般取4. 0 、5. 0 、6. 0 m 。傳力杆長度為 450 m m ,沿混凝土板的接縫中心線設置 ,接縫寬度為 10 m m 。傳力杆與混凝土界面是計算分析時所關心的部,因此, 在傳力杆及其周圍混凝土和橫向接縫處採用非常細的網格 ,從接縫到遠處邊界採用適當的網格梯度。合理建立接觸模型對於正確分析路面結構的力學行為是十分關鍵的。混凝土板與地基的接觸面具有可滑動性,在交通荷載和温度梯度的共同作用下 ,混凝土板必然會產生收縮或膨脹、翹曲或拱起變形。變形使得板在基層上產生部分滑移 ,滑移時板與地基處於部分接觸狀態, 因此認為板與地基之間具有摩擦或者脱空接觸的滑動界面 , 摩擦因數取為1. 5。傳力杆的基本功能是在相鄰板塊之間傳遞荷載 ,同時又不限制路面板在縱向自由移動, 因此通常在傳力杆表面塗以防黏劑, 如聚乙烯膜、瀝青或各種蠟, 儘量減少傳力杆和混凝土的黏結。為防止傳力杆鏽蝕 ,通常在其表面塗敷瀝青膜或環氧樹脂防鏽層 ,而防黏劑通常塗敷或套在防鏽層外面以減少與混凝土之間的摩擦。本文中假設傳力杆與周圍混凝土有 0. 05 mm 的初始空隙, 以模擬防黏層或防鏽層 。設置初始空隙有 2 方面作用 :一方面 ,在傳力杆不發生彎曲的情況下 , 初始空隙的存在允許板不受傳力杆的約束而自由滑動;另一方面 ,板的翹曲或拱起導致傳力杆彎曲, 初始空隙模擬傳力杆與混凝土能以任意角度發生不均勻或部分接觸。因此 ,假設傳力杆與混凝土界面為摩擦接觸的滑動界面。AASH O 路面設計指南建議混凝土與基層的摩擦因數為 0. 9 ～ 2. 2 ,而缺乏傳力杆與混凝土間摩擦因數的研究 ,本文中將其暫取為 0. 05 進行分析 。

計算過程中採用彈性模型, 假設材料參數不隨温度而變化。作用在混凝土板上的荷載分為交通荷載和温度荷載。採用標準軸載 100 kN 作為交通荷載 ,並簡化成當量圓形均布荷載進行計算 。計算時假設交通荷載 p =0. 7 M Pa , 則當量圓的直徑為0. 302 m 。按照沿混凝土板厚內温度變化將温度荷載分為 2 種情況:①温度沿板厚均勻變化 ;②温度沿板厚不均勻分佈, 通常用温度梯度 r ,即板頂温度與板底温度之差來表示。對於設傳力杆混凝土路面, 接縫處的傳力杆在板翹曲或拱起變形作用下發生彎曲, 限制混凝土板的自由伸縮 ,這時均勻温度變化對板應力會有影響。因此,本文中將在路面板厚內施加不同的温度情況,包括正温度梯度、負温度梯度和温度均勻變化, 研究路面板温度應力變化規律。

2. 1 交通荷載的影響

板長分別取 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 , 傳力杆模量 210 GPa ,直徑 32 mm ,計算傳力杆與混凝土界面接觸應力。結果表明 , 板長對傳力杆與混凝土界面接觸應力分佈規律及最大接觸應力值影響不大。因此,只對板長為 5. 0 m 情況時的傳力杆與混凝土界面應力分佈規律進行研究 。應力分佈雲圖可以更直觀地瞭解應力沿圓周的分佈規律。由此可見,在接縫面處傳力杆周圍混凝土高剪應力和高支承應力,容易導致與傳力杆相接觸的混凝土的擠碎和拉裂等破壞,增加傳力杆鬆動量,降低傳遞荷載能力,甚至導致板邊整體碎裂破壞。

2. 2 温度的影響

温度沿面板厚度的不均勻分佈,使面板產生翹曲變形,傳力杆也隨之發生彎曲變形,傳力杆的彎曲使傳力杆與混凝土接觸面出現應力。隨着交通荷載作用,傳力杆彎曲變形增加,這將進一步增大傳力杆與混凝土界面的接觸應力。開裂是混凝土路面損壞的主要形式,包括板中橫向裂縫、板邊和板角斷裂。板長5. 0 m 時在温度與交通荷載共同作用下的傳力杆與混凝土界面最大主應力、最大剪應力和垂直應力分佈規律。有情況下最大剪應力和最大壓應力均出傳力杆與混凝土界面頂部,表明與傳力杆頂部相接觸的混凝土承受彎曲變形,主應力值最大,而最大主應力出底部附近。因此,與傳力杆頂部和底部相接觸的混凝土存在壓碎或者拉裂的可能。另外, 計算結果還表明, 板長對傳力杆與混凝土界面接觸應力分佈規律無明顯影響,最大接觸應力值不因板長而變化。

2. 3 板長的影響

温度梯度和均勻降温(包括0. 7 MPa 輪載)共同作用下的最大接觸應力值。最大主應力值隨板長的增加、均勻降温幅度的增大而降低。由於負温度梯度作用使板翹曲,傳力杆也隨之發生彎曲,如果在温度梯度和均勻降温共同作用下,板發生收縮變形, 板的收縮企圖拉直彎曲的傳力杆,這在一定程度上降低了傳力杆頂部接觸應力, 這可能就是最大主應力隨均勻降温幅度增大而下降的原因。這種情況在板長為5. 0 、6. 0 m 時比較明顯,這也表明了板的收縮和板長之間有內在的關係, 即板的收縮變形受板長影響。在温度梯度作用下最大主應力值接近斷裂極限,界面處有可能形成裂縫。當考慮温度均勻下降時,只有4. 0 m板長最大主應力值達到斷裂極限, 板長5. 0、6. 0 m的最大主應力有下降趨勢,這有利於防止界面裂縫的產生。

傳力桿直徑為32 mm ,埋入混凝土的長度為22cm 。傳力杆與混凝土界面各種接觸應力沿傳力杆長度方向的分佈規律，中橫軸為離接縫縫隙中心(或傳力杆中點)的距離, 如“0”代表接縫位置,“ - 5”代表傳力杆在受荷板內5 cm的位置處, “5”代表傳力杆在未受荷板內5 cm的位置處。沿着傳力杆長度方向的應力分佈規律為:傳力杆與混凝土接觸應力最大值的位置在接縫處,隨着離混凝土接縫處距離的增大,應力值迅速下降,在傳力杆兩端接近為0,在離接縫處約8 cm範圍內, 各種接觸應力值比較大。混凝土板在温度梯度作用下的翹曲或拱起會導致傳力杆彎曲。除了翹曲或拱起引起板收縮外,在温度均勻變化作用下板也將產生收縮變形。傳力杆的彎曲限制了板在水平方向的收縮,導致傳力杆與混凝土界面產生附加軸向拉力。

(1)在輪載以及輪載和温度變化共同作用下,傳力杆與混凝土界面存在明顯應力集中現象。接觸應力集中現象發生在離接縫面0 ～8 cm 範圍內,而考慮均勻降温作用時, 高拉應力和主應力發生在杆兩端附近及接縫面附近。

(2)無論在正温度梯度還是負温度梯度作用下,最大主應力均接近材料的破壞極限, 從而容易在界面處形成初始裂縫和擠碎, 使傳力杆鬆動量增大,降低傳遞荷載能力, 甚至出現傳力杆周圍混凝土的嚴重碎裂。

(3)為減小接觸應力, 有必要改進傳力杆裝置,以避免出現傳力杆與混凝土接觸應力集中現象, 從而在路面使用壽命內保持傳力杆的傳遞荷載效能,並避免接縫處混凝土板出現碎裂、斷板等破壞現象。 ^[1] 

接縫傳荷能力對水泥混凝土路面使用性能有着重要影響，橫縫處設置傳力杆能夠明顯提高板間傳荷能力，降低板邊和板角處豎向變形，從而延緩錯台發展速度，保證水泥路面的長期使用性能。國外一些現場調查結果也表明，接縫設置傳力杆後，水泥路面錯台和板角的開裂率都能夠明顯降低 。我國開始將傳力杆佈設到重載交通水泥路面橫向縮縫位置，由於傳力杆自動植入設備 (Dowel Bar Inserter)能夠明顯提高施工效率，DBI方法2006 年在廣東省首先應用，DBI 方法是我國水泥路面接縫傳力杆主要採用的施工工藝。然而，在施工過程中由於多種因素的影響，傳力杆並不能準確達到理想的設計位置，導致傳力杆偏差的發生 。

因此，很多研究開始分析偏差的傳力杆對路面使用性能的影響。例如，Yu 等人在1998 年通過調查發現傳力杆偏差發生後對路面使用性能有着較大Leong 等人在2006 年通過現場調查發現傳力杆豎向和水平偏轉對接縫處的剝落病害有着重要影響 。隨着傳力杆在我國接縫水泥路面的廣泛應用，我國研究者也開始關注傳力杆偏差問題，2009 年蔡海斌通過有限元模型分析了傳力杆偏差後對界面應力和傳荷能力的影響;2011 年彭鵬，田波等人通過室內拔出和重複彎曲試驗分析了不同偏轉程度的傳力杆工作性能狀況 。

上述分析表明，傳力杆偏差程度已經成為影響水泥路面板間傳荷能力變化的關鍵因素。因此，為了降低傳力杆偏差的不利影響，研究人員開始針對傳力杆偏差的允許範圍進行研究。例如，2001 年Lev Khazanovich 等人在美國明尼蘇達州交通部支持下通過有限元和現場調查分析了傳力杆偏差的可接傳力杆偏差的5 種類型分別是:( 1) 水平偏轉; ( 2) 水平移動; ( 3) 豎向偏轉; ( 4)豎向移動; ( 5) 縱向移動。

需要説明的是，傳力杆施工過程中發生的偏差是 5 種基本偏差類型的組合。多研究機構開始頒佈相應的傳力杆偏差控制指南，例如 2007 年，FHWA 美國聯邦公路管理局在多個工程實踐的基礎上提出了傳力杆偏差控制標準2013 年，美國水泥路面協會 ACPA 針對 DBI 設備的廣泛應用，提出了 DBI 植入傳力杆的偏差控制標準 。

雖然傳力杆植入工藝 DBI 已經在我國開始廣泛應用，然而，關於我國的傳力杆偏差狀況尚缺少實際數據分析。為此，本文采用德國生產的專門用於傳力杆三維定位檢測分析的 MITSCAN2 設備對北黑高速公路典型路段 ( 108 條接縫) 進行現場檢測，基於美國 ACPA 的傳力杆偏差控制指南進行評估分析，並與美國伊利諾伊州的兩條路段的實際檢測結果 ( 23 條接縫) 進行了對比分析。

美國伊利諾伊州兩個水泥路面路段的23 條接縫也是採用該設備進行的傳力杆檢測，這裏採用本文的評估標準對北黑高速和美國伊利諾伊州的接縫傳力杆偏差進行了彙總。由對比可以得到如下結論:

(1)與國外高質量施工水平相比，DBI 施工工藝在我國尚處於起步階段，傳力杆偏差控制工藝需要提高。

(2)水平移動偏差導致傳力杆不可接受水平，在美國和北黑高速比例分別是0% 和1. 8% ，説明DBI 工藝能夠較好控制水平移動偏差。

(3) 縱向移動偏差導致傳力杆不可接受水平在美國和北黑高速分別是1. 1% 和5. 6% ，不可接受水平和可接受水平之間比例分別是12. 4% 和29. 3% ，傳力杆縱向移動和切縫位置密切相關，因此可以通過切縫位置控制降低這部分偏差。

(4) 豎向移動偏差方面美國和中國有着較大的差別，兩者不可接受水平分別為0. 8% 和2. 9% ，但兩者在不可接受和可接受水平之間比例分別為3. 8%和41. 3% ，在北黑高速豎向移動偏差為正值(25 ～66 mm) 比例達到了 39. 8%，由該設備測量原理可知，偏差為正值主要是由於實際板厚大於設計板厚導致，對於路面使用性能是有益的。

(5)水平偏轉偏差導致傳力杆不可接受水平在美國和北黑高速分別為2. 2% 和33. 8% ，兩者之間存在着較大差別，原因尚不明確。

(6)豎向偏轉偏差導致傳力杆不可接受水平在美國和北黑高速分別為8. 2% 和15. 8% ，不可接受和可接受水平之間的比例分別為17. 3% 和34. 3% ，説明無論在我國還是在美國，傳力杆的豎向偏差都是比較嚴重的，也是DBI 施工過程中難以控制的，應該加強該方面的研究。

傳力杆偏差控制是接縫水泥路面施工過程的重要環節，隨着DBI 方法在我國開始應用，傳力杆偏差狀況尚不清楚。因此，本文采用MITSCAN2 設備對黑龍江省北黑高速公路的典型路段傳力杆偏差狀況進行了檢測分析，發我國傳力杆偏差問題較為嚴重，尤其是豎向移動和豎向偏轉兩種偏差類型。同時與美國伊利諾伊州兩條公路實際檢測數據進行了對比，結果顯示我國在水泥施工過程中的傳力杆偏差控制方面存在較大差距，除了水平移動偏差外，我國的其他類型偏差都較為嚴重。 ^[2]