水泥混凝土路面传力杆设置间距分析.pdf

公路 2010 年 4 月 第 4 期HIGHWAY Apr 1 2010 No 1 4 文章编号:0451-0712(2010)04-0035-03 中图分类号:U416.216 文献标识码:B水泥混凝土路面传力杆设置间距分析高 伟(东北林业大学 哈尔滨市 150040)摘 要:综合考虑横向接缝传荷、传力杆剪切、传力杆弯曲、水泥混凝土承受的传力杆压力,以及对路面板底拉应力的影响,采用布拉德伯利(R.D.Bradbury)传力杆实用设计验算公式和水泥混凝土路面三维有限元分析程序EverFE,对传力杆设置间距进行探讨。结合试验观测,认为当路面板厚度大于 24 cm 时,传力杆间距可以适当增大。这对节省传力杆钢筋用量、合理控制公路建设成本具有现实意义。关键词:水泥混凝土路面;横向缩缝;传力杆;间距;设计 传统的水泥混凝土路面/横向预切缩缝0,主要依靠水泥混凝土板缩缝侧面骨料的嵌挤、摩擦及基层的刚度来传递荷载。由于水的浸透(冲刷)、温度循环、轮载等反复作用,这种传荷方式存在一定问题,容易造成板边、板角挠度增加,以及唧泥、错台和板底脱空等,解决这些问题的主要有效方法就是在缩缝处增设传力杆。国内外有关研究与实践表明,对于水泥混凝土路面而言,接缝传力杆的作用极其关键:(1)接缝是水泥混凝土路面最薄弱的地方,接缝处板边弯沉和温度应力翘曲变形大,是路面易于产生断裂的重要因素;(2)在黑龙江省这样的高寒地区,年最大温差可达 77 16 e 8410e,路面胀缩严重,仅靠/横向预切缩缝0侧面的集料嵌锁力和摩擦力无法保持长期稳定的接缝传荷效果,传荷能力下降,会导致板边、板角挠度的增加,荷载应力随之增大;(3)板边、板角挠度增大,使接缝渗入的自由水产生强烈的泵吸现象并冲刷半刚性基层的表面,加速了板底脱空的形成;(4)接缝因泵吸现象产生错台,尽管初期错台十分微小,却大大降低了水泥混凝土路面的行驶舒适性;(5)设置接缝传力杆是消除现有普通水泥混凝土路面上接缝的/咯噔0现象,并长期保持路面平整度的重要措施。设置接缝传力杆时,其布设间距是一项重要指标。水泥混凝土路面传力杆的长度一般为 4070 cm,设置间距为 20 50 cm(我国采用的长度为40 50 cm,最大间距为 30 cm)。传力杆间距的确定需要考虑接缝传荷的需要,以及对路面板应力的影响。1 基于板块间荷载传递的传力杆间距选择传力杆的受力状态比较复杂,包括荷载引起的剪切、弯曲和水泥混凝土的支承压力等,许多国家根据路面板的厚度来确定传力杆的尺寸及布置间距。本文采用解析方法,即布拉德伯利(R1D1 Bradbury)提出的传力杆实用设计验算公式进行有关的验算和分析。分析中涉及 2 个系数,即/需要有效系数0和/实际有效系数0。需要有效系数是指实际要求传递的荷载分配到传力杆体系中,所需要的总的有效系数,为实际要求传递的荷载与单个传力杆的最大承载能力之比;实际有效系数是指传力杆体系布置完成后,对传力杆所承受的实际车轮荷载按有效系数进行分配,各传力杆分配到的有效系数之和。当/实际有效系数0/需要有效系数0,则传力杆布置方案满足要求。弗雷勃 格(Friberg,B 1F)根 据威 斯特 卡德(H1 M1 Westergaard)提出的理论分析,提出传力杆体系的受力有效范围为 1 18 倍的路面相对刚度半径。因此,传力杆间距大,则在这一范围内可布置的传力杆数量减少,可分配到的有效系数的和(即实际有效系数)就变小;反之则增大。我们应用 VB6 10软件编制了辅助分析程序,其中传力杆的长度和直径按现行规定,得出传力杆间距与有效系数的关系如图 1 所示。收稿日期:2010-02-02图 1 传力杆间距与有效系数的关系由图 1 可知,实际有效系数随传力杆间距的增大而迅速减小。当路面板厚度在 24 cm 以下时,传力杆间距取30 cm 能够较好地满足有效系数验算条件。但当路面板厚度 24 cm 时,实际有效系数比需要有效系数高出很多,图 1 中前者比后者高出24 15%151%,而且面层板越厚,超出越大。因此,当面层板厚度大于 24 cm 时,应适当增大传力杆的间距。根据验算结果并参考国外有关经验,建议传力杆最大间距取 40 cm,此时实际有效系数与需要有效系数的配合较为合理,由此可以减少传力杆钢筋用量约 27%。以上验算考虑了传力杆钢筋的剪切、弯曲和水泥混凝土的局部受压作用。另外,传力杆间距的改变将对水泥混凝土路面板的应力产生一定影响,下面作进一步分析。2 传力杆间距增加对路面板板底弯拉应力的影响作为水泥混凝土路面板块之间传递荷载的结构组成部分,传力杆间距的改变将对水泥混凝土路面的荷载应力产生一定的影响。在此采用美国华盛顿大学与缅因州大学联合开发的水泥混凝土路面三维有限元分析程序 EverFE(Software for the 3D F-inite Element Analysis of Jointed Plain ConcretePavements),对两种间距情况下的路面板底弯拉应力进行计算分析。主要计算参数如表 1 所示。表 1 水泥混凝土路面计算参数水泥混凝土材料参数面层板尺寸/cm基 层弯拉模量MPa泊松比横向宽度纵向长度厚度厚度cm泊松比回弹模量M Pa地基反应模量MPa/mm缩缝宽度mm传力杆直径mm长度cm间距cm温度梯度e/m31 0000 1 1545050026200 1 251 3000 1 032 1 0325030/4085对双车道无硬路肩的情况,单轴双轮组轴载(100 kN)作用在路面横缝边缘中部和纵缝边缘中部位置时,对应横断面的板底弯拉应力分别如图 2、图 3 所示。)36)公 路 2010 年 第 4 期 图 2 横缝边缘横断面的板底弯拉应力(车轮作用在横缝边缘中部)对双车道有水泥混凝土硬路肩(路肩宽度为1 15 m,厚 26 cm)的情况,单轴双轮组轴载(100 kN)图 3 纵缝边缘中部横断面的板底弯拉应力(右轮作用在外侧纵缝边缘中部)作用在纵缝边缘中部位置时,对应横断面的板底弯拉应力列于表 2。表 2 与传力杆间距对应的板底拉应力(有水泥混凝土硬路肩)MPa位置/cm0 1 550100150200250275300350375400425450传力杆间距 30 cm1 1 9231 1 9532 1 0202 11852 1 5562 1 9402 1 9032 1 7322 1 768218993 1 2233 1 4513 1 584传力杆间距 40 cm1 1 9061 1 9352 1 0002 11642 1 5342 1 9192 1 8822 1 7132 1 751218833 1 2093 1 4383 1 573由图 2 可知,当轴载作用在横缝边缘中部时,其他条件不变,传力杆间距取 30 cm 和 40 cm,该横断面处水泥混凝土板底的弯拉应力分布曲线非常接近,其中峰值应力相差约 015%。从表 2、图 3 可知,轴载作用在纵缝边缘中部(右侧车轮位于车道外侧纵缝边缘中部)时,若其他条件不变,传力杆间距取 30 cm 和 40 cm,该横断面的水泥混凝土板底弯拉应力数值十分接近。总体上看,40 cm 间距时的应力变小,相差 0 1 3%1 10%,并且越靠近车道外侧纵缝边缘中部,相差越小,即不利荷载位置处的板底弯拉应力差别微小。3 传力杆间距增加对传荷系数的影响以上验算实际上已经考虑了接缝传荷、传力杆剪切、传力杆弯曲、水泥混凝土承受的传力杆压力,以及对路面板底拉应力的影响。在有关路段施工期间,为验证传力杆间距增加对接缝传荷系数的影响,在修建 30 cm 传力杆间距的横向预切缩缝时,增设了 3 道 40 cm 传力杆间距的横向预切缩缝。经过 4 年多的跟踪调查,前者的接缝传荷系数在 0185 1100 之间变化,后者在 0187 0198之间变化,两者基本一致。所产生的差别在于30 cm 间距的传力杆横向预切缩缝数量较多(计有96 道),因此观测数据变化范围较大。而无传力杆缩缝的传荷系数有一部分已经降低到 017 以下,并出现了板底脱空迹象。4 结语水泥混凝土路面具有使用年限长、养护工作量小、能源消耗小、环保、对交通等级和环境适应性强等优点,在我国高等级公路建设中曾广泛采用。由于存在耐久性不足等问题,近年来出现了较多的结构性损坏,且平整度、舒适性下降严重,其应用受到很大影响。提高水泥混凝土路面的耐久性,需要兼顾水泥混凝土材料和路面结构两方面的耐久性。/全缩缝传力杆技术0是提高水泥混凝土路面结构耐久性的最直接,也是最简便有效的手段之一:世界道路会议常设委员会(PIARC)在广泛征集欧美各国使用经验的基础上,提出路面性能在满足一定标准时,无传力杆缩缝的适用范围,即对于冰冻潮湿地区,基层为水泥或沥青稳定粒料时,货车交通量(轴载 13 t)不得超过 150 辆/d(或 9 10 t 货车 300 辆/d);如果能保证基层顶面耐冲刷,该交通量阀值可提高1 2 倍;如果有内部排水系统,可再提高 1 2 倍。日本规定/普通水泥混凝土路面0原则上都要使用钢筋网(3 kg/m2)和边缘加强钢筋,在大型车交通量)37)2010 年 第 4 期 高 伟:水泥混凝土路面传力杆设置间距分析公路 2010 年 4 月 第 4 期HIGHWAY Apr 1 2010 No 1 4 文章编号:0451-0712(2010)04-0038-03 中图分类号:U412 124 文献标识码:B公路测量中 RT K-GPS 技术的应用武廷江(濮阳市公路管理局 濮阳市 457000)摘 要:对 RT K-GPS 测量技术工作原理进行了说明,并对 RTK-GPS 技术在公路测量中如何应用进行了详细的阐述。关键词:RTK-GPS 技术;导线测量;高程控制测量 在GPS 实时动态定位技术没有形成前,GPS 仅仅用来作控制测量,以代替经纬仪或全站仪。随着GPS 设备、技术、功能的不断进步与完善,特别是近几年来 RT K-GPS 技术的快速发展,它已能够实时提供在任意坐标系中的三维坐标数据,因而在公路勘察设计中的应用也更加广泛。如果 RT K-GPS 和一般的路线 CAD 程序共同应用,将真正实现内外业数据共享,从而使勘察设计工作更为快速、高效,并且使公路路线优化设计的方法大为简化。1 RTK-GPS技术的简介常规的 GPS 测量方法,如静态、快速静态测量都需要事后进行解算,才能获得厘米级的精度。而RT K-GPS 是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法。它采用了载波相位动态实时差分(real-time kinematic)方法,是 GPS 应用的重大里程碑。它的出现为工程放样、地形测图、各种控制测量带来了新曙光,极大地提高了外业作业效率。高精度的 GPS 测量必须采用载波相位观测值,RTK 定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术,它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果,并达到厘米级精度。在 RT K作业模式下,基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据,还要采集 GPS 观测数据,并在系统内组成差分观测值进行实时处理,同时给出厘米级定位结果。流动站可处于静止状态,也可处于运动状态;可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业,也可在动态条件下直接开机,并在动态环境下完成整周模糊度的搜索求解。在整周未知数解固定后,即可进行每个历元的实时处理,只要能保持 4 颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何收稿日期:2010-03-02T 24 cm 时推荐采用 40 cm。即路面板厚度较大时,传力杆间距可以相应增大。传力杆采用合理间距,选择适当的直径,对减少传力杆钢筋用量、节约公路建设成本具有积极意义。参考文献:1 邓学钧,陈荣生1 刚性路面设计:第二版 M1 北京:人民交通出版社,200512 姚祖康1 水泥混凝土路面设计理论和方法 M1 北京:人民交通出版社,200313 刘伯莹,姚祖康1 公路水泥混凝土路面设计规范修订综述 J1 公路,2002,(8)14 Bill Davids,EverFE Theory Manual,University of Ma-ine Dept1of Civil and Environmental EngineeringM.2003 15 日本道路協会.舗装設計施工指針(日)S16 日本土木学会.標準示方書(日)S1