農(nóng)村公路是支撐農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，隨著我國(guó)新農(nóng)村建設(shè)的推進(jìn)，全國(guó)農(nóng)村基本上實(shí)現(xiàn)了村村通車。農(nóng)村公路主要采用水泥混凝土路面形式，隨著農(nóng)村公路大型貨運(yùn)車輛的出現(xiàn)，超載超限的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，加重了農(nóng)村公路出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)、翹曲等公路病害問(wèn)題的幾率，且農(nóng)村公路缺乏養(yǎng)護(hù)，一般通車后就疏于管理。

按照傳統(tǒng)農(nóng)村公路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，路面各混凝土板間相互獨(dú)立，若是只有小型車輛通行，一般不易引發(fā)嚴(yán)重的公路病害，其耐久性也有相應(yīng)保障，但目前農(nóng)村公路面臨地質(zhì)地形差異較大、施工大型機(jī)械無(wú)法進(jìn)場(chǎng)、質(zhì)量無(wú)法保證、公路橫斷面窄、超載超限現(xiàn)象加重等方面的問(wèn)題。為減少水泥混凝土路面在接縫處產(chǎn)生斷裂、錯(cuò)臺(tái)等現(xiàn)象，減少公路養(yǎng)護(hù)成本，建議農(nóng)村公路設(shè)置傳力桿[1]-[2]。

申俊敏通過(guò)建立Winkler 地基上的雙層結(jié)構(gòu)模型，分析了傳力桿的空間位置以及與混凝土的結(jié)合狀況對(duì)傳荷能力的影響[3]。羅勇通過(guò)對(duì)有限元軟件的應(yīng)用與探索，總結(jié)出模擬接縫傳荷行為彈簧單元法、虛擬材料層法以及實(shí)體建模法三種方法：分別分析了三種方法的優(yōu)劣勢(shì)[4]。鎖利軍通過(guò)建立有無(wú)傳力桿的三維有限元水泥混凝土路面模型，分析了接縫處水泥混凝土面層的荷載應(yīng)力、彎沉等的差異性[5]。高偉采用布拉德伯利(R.D.Bradbury)傳力桿實(shí)用設(shè)計(jì)驗(yàn)算公式和水泥混凝土路面三維有限元分析程序EverFE，對(duì)傳力桿設(shè)置間距進(jìn)行了探討[6]。王宇翔通過(guò)有限元軟件分析接縫傳荷行為與試驗(yàn)結(jié)果吻合，驗(yàn)證了有限元分析接縫傳荷的可行性[7]。

目前，針對(duì)傳力桿受荷行為的分析，主要以高速公路為原型尺寸，建立有限元模型，而以農(nóng)村公路尺寸為參照、以路面板邊受荷建立接縫傳荷有限元分析模型的研究成果不足。本文以成都地區(qū)某農(nóng)村公路為原型，建立板邊角受荷，分析傳力桿自身材料性質(zhì)對(duì)傳荷能力的影響。

1.建立水泥混凝土路面三維有限元模型

1.1 路面結(jié)構(gòu)尺寸

圖1 路面結(jié)構(gòu)模型

圖2 路面結(jié)構(gòu)有限元模型及其網(wǎng)格劃分

本研究結(jié)合成都地區(qū)某農(nóng)村公路實(shí)際路面結(jié)構(gòu)尺寸，建立路面結(jié)構(gòu)有限元模型，所建路面結(jié)構(gòu)模型單板長(zhǎng)5m，兩板總長(zhǎng)10m，面層厚0.24m、基層厚0.3m，總厚0.54m，道路割縫寬0.01m，橫斷面寬4m，傳力桿基準(zhǔn)長(zhǎng)度為0.41m、間距0.3m、直徑0.01m，總計(jì)13根，布設(shè)位置為面層板中部。本研究主要考慮混凝土路面板角受荷時(shí)路面的力學(xué)響應(yīng)狀況，故輪載作用區(qū)域?yàn)榘褰翘?，輪載作用在水泥混凝土路面板中部，作用區(qū)域大小為18.6cm×19.6cm，兩輪中心距12.8cm，采用BZZ-10，水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)及荷載作用位置見圖1。

1.2 有限元模型建立

在有限元模擬計(jì)算分析過(guò)程中，做以下假定：

一是地基采用彈性地基板；

二是水泥混凝土材料為各向同性、連續(xù)且均勻的材料；

三是水泥混凝土路面與地基之間的接觸為完全連續(xù)，無(wú)脫空。

在建立水泥混凝土路面模型時(shí)，傳力桿與水泥混凝土之間采用嵌入約束，約束路面結(jié)構(gòu)XY 方向的位移以及約束傳力桿沿X 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。傳力桿采用兩結(jié)點(diǎn)空間線性梁?jiǎn)卧?，水泥混凝土采用二十結(jié)點(diǎn)二次六面體單元。為保證計(jì)算精度與效率，僅對(duì)荷載作用區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行精細(xì)劃分，網(wǎng)格尺寸為3cm×3cm 路面結(jié)構(gòu)有限元模型及網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖3 傳力桿直徑對(duì)受荷板層底豎向位移的影響

圖4 傳力桿直徑對(duì)間接受荷板層底豎向位移的影響

圖5 傳力桿直徑對(duì)受荷板層底拉應(yīng)力的影響

圖6 傳力桿直徑對(duì)間接受荷板層底拉應(yīng)力的影響

圖7 傳荷系數(shù)隨傳力桿直徑的變化

1.3 接縫傳荷能力

水泥混凝土路面在傳力桿的作用下，可以實(shí)現(xiàn)板間荷載傳遞，直接受荷板傳遞給間接受荷板的能力即為接縫傳荷能力；接縫兩側(cè)所受荷載比即為傳荷系數(shù)。但是，荷載分配的實(shí)際情況難以分析，故提出反應(yīng)傳荷能力的間接方法以及指標(biāo)：撓度法與應(yīng)變法。本文采用撓度法及其指標(biāo)作為傳荷能力評(píng)價(jià)方法。

撓度法，即采用接縫相鄰板之間撓度的比值，表征傳荷能力即:

Ew=ω1/ω2

式中：Ew——接縫撓度傳荷系數(shù)

ω1——受荷板撓度值

ω2——間接受荷板撓度值

2.傳荷能力影響因素分析

影響接縫傳荷能力的因素眾多，本研究主要研究傳力自身材料參數(shù)對(duì)傳荷能力的影響，其因素主要包括三類：傳力桿直徑、傳力桿長(zhǎng)度、傳力桿彈性模量。

2.1 直徑的影響

設(shè)計(jì)傳力桿直徑為7mm、10mm、13mm、16mm 時(shí)，根據(jù)其受荷板與未受荷板層底在豎向位移以及應(yīng)力的變化狀況，從而研究直徑對(duì)傳力能力的影響。對(duì)豎向位移的影響結(jié)果，如圖3、圖4所示。

從圖3、圖4分析得出，隨著傳力桿直徑從7mm 增長(zhǎng)至16mm，直接受荷板側(cè)豎向位移逐漸增加，但增加的幅值很小，約為0.48mm；距離板邊沿1m 外，豎向位移無(wú)明顯差異。間接受荷板側(cè)隨傳力桿直徑的逐漸增加，板角邊沿豎向位移逐漸增加，在7mm-10mm 范圍內(nèi)，豎向位移增加明顯，其后增加幅值降低，距離板邊沿約2m 后豎向位移無(wú)明顯差異。對(duì)層底拉應(yīng)力的影響，分析結(jié)果如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6分析得出，隨著傳力桿直徑等差增長(zhǎng)，直接受荷板側(cè)層底拉應(yīng)力逐漸降低，在輪載作用區(qū)域，其拉應(yīng)力在輪載中心取得最大值0.102MPa，輪載的影響范圍約為2m；在未受荷板側(cè)層底拉應(yīng)力逐漸增加，影響范圍相似。根據(jù)接縫傳荷系數(shù)的公式，傳荷系數(shù)隨直徑的變化計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

從圖7分析得出，隨著傳力桿直徑的增加，接縫傳荷系數(shù)逐漸增加，增加的幅度隨直徑增加而逐漸降低。

2.2 傳力桿彈性模量的影響

本研究設(shè)計(jì)了傳力桿彈模為100GPa、150GPa、200GPa、250GPa 時(shí)，其受荷板與未受荷板層底在豎向位移以及應(yīng)力的變化狀況，從而研究傳力桿彈模對(duì)傳荷力能力的影響。對(duì)豎向位移的影響結(jié)果，如圖8、圖9所示。

圖8 傳力桿彈模對(duì)受荷板層底豎向位移的影響

圖9 傳力桿彈模對(duì)間接受荷板層底豎向位移的影響

圖10 傳力桿彈模對(duì)受荷板層底拉應(yīng)力的影響

圖11 傳力桿彈模對(duì)間接受荷板層底拉應(yīng)力的影響

圖12 傳荷系數(shù)隨傳力桿彈性模量的變化

圖13 傳力桿長(zhǎng)度對(duì)受荷板層底豎向位移的影響

從圖8、圖9分析得出，隨著傳力桿彈模從100GPa 增長(zhǎng)至200GPa，直接受荷板側(cè)豎向位移略微減小，但減小的幅值很小，約為0.48mm，豎向位移無(wú)明顯差異。間接受荷板側(cè)隨傳力桿彈性模量的逐漸增加，板角邊沿豎向位移逐漸增加，增加的幅值極小，皆約為0.41mm。對(duì)層底拉應(yīng)力的影響分析結(jié)果，如圖10、圖11所示。

從圖10、圖11分析得出，隨著傳力桿彈性模量等差增長(zhǎng)，直接受荷板側(cè)層底拉應(yīng)力逐漸降低，在輪載作用區(qū)域，其拉應(yīng)力在輪載中心取得最大值0.96MPa，輪載的影響范圍約為2m；在未受荷板側(cè)層底拉應(yīng)力逐漸增加，影響范圍相似，最大拉應(yīng)力為0.989MPa。根據(jù)接縫傳荷系數(shù)的公式，傳荷系數(shù)隨直徑的變化計(jì)算結(jié)果如圖12所示。

從圖12 分析得出，隨著傳力桿直徑的增加，接縫傳荷系數(shù)逐漸增加，增加的幅度隨直徑增加而逐漸降低，整體增長(zhǎng)幅值從0.82 至0.89，相較于直徑帶來(lái)的影響，彈性的影響更小。

2.3 傳力桿長(zhǎng)度

本研究設(shè)計(jì)了傳力桿長(zhǎng)度為0.41m、0.45m、0.49m、0.53m 時(shí)，其受荷板與未受荷板層底在豎向位移以及應(yīng)力的變化狀況，從而研究傳力桿長(zhǎng)度對(duì)傳荷力能力的影響。對(duì)豎向位移的影響結(jié)果，如圖13、圖14所示。

圖14 傳力桿長(zhǎng)度對(duì)間接受荷板層底豎向位移的影響

圖15 傳力桿長(zhǎng)度對(duì)間接受荷板層底拉應(yīng)力的影響

圖16 傳力桿長(zhǎng)度對(duì)間接受荷板層底拉應(yīng)力的影響

圖17 傳荷系數(shù)隨傳力桿長(zhǎng)度的變化

從圖13、圖14分析得出，隨著傳力桿長(zhǎng)度從0.41m 增長(zhǎng)至0.43m，直接受荷板側(cè)豎向位移逐漸降低，但增加的幅值很小，約0.48mm，豎向位移無(wú)明顯差異。間接受荷板側(cè)隨傳力桿長(zhǎng)度的增加，板角邊沿豎向位移逐漸降低，降低幅值極小，豎向位移無(wú)明顯差異。對(duì)層底拉應(yīng)力的影響分析結(jié)果，如圖15、圖16所示。

從圖15、圖16分析得出，隨著傳力桿長(zhǎng)度以0.03m 的等差增長(zhǎng)，直接受荷板側(cè)層底拉應(yīng)力逐漸增加，在輪載作用區(qū)域，其拉應(yīng)力在輪載中心取得最大值0.91MPa；在未受荷板側(cè)層底拉應(yīng)力逐漸減小，影響范圍相似，最大拉應(yīng)力為0.14MPa，根據(jù)接縫傳荷系數(shù)的公式，傳荷系數(shù)隨直徑的變化計(jì)算結(jié)果如圖17所示。

從圖17分析得出，隨著傳力桿長(zhǎng)度的增加，接縫傳荷系數(shù)逐漸降低，且呈線性降低，整體降低數(shù)值從0.88至0.83，相較于直徑、彈模，傳力桿長(zhǎng)度的影響更小。

3.結(jié)論

本文通過(guò)研究傳力桿自身材料特性，直徑、長(zhǎng)度、彈性模量對(duì)面層底豎向位移、拉應(yīng)力以及傳荷系數(shù)的影響，得出以下結(jié)論：

隨著傳力桿直徑增加，直接受荷板與間接受荷板豎向位移皆增加；受荷板層底拉應(yīng)力逐漸降低，間接受荷板層底豎向位移逐漸增加。

隨著傳力桿彈性模量增加，直接受荷板豎向位移略微減小，間接受荷板豎向位移增加；受荷板層底拉應(yīng)力逐漸降低，間接受荷板層底豎向位移逐漸增加。

隨著傳力長(zhǎng)度增加，直接受荷板豎向位移略微減小，間接受荷板豎向位移增加；受荷板層底拉應(yīng)力逐漸增加，間接受荷板層底豎向位移逐漸減小。

接縫傳荷系數(shù)隨傳力桿直徑的增加而增加，隨彈模增加而增加，隨長(zhǎng)度的增加而減小。