高一杰，梁 超

（山西省交通科技研發(fā)有限公司山西省交通運輸安全應急保障技術中心（有限公司）交通安全與應急保障技術山西省重點實驗室，山西 太原 030032）

0 引言

越來越多的國道安裝了門架系統(tǒng)，為對過往車輛開展自動化檢測，須在門架正下方路面挖淺坑以安裝一組兩個反光鏡，再用蓋板覆蓋淺坑以保護反光鏡，蓋板在反光鏡對應位置鉆孔以使光線進出。鉆孔蓋板的承載能力能否滿足要求，能否保護反光鏡和保障國道行車安全，選用何種蓋板是一個值得研究的問題。本文對兩種蓋板方案做了數(shù)值模擬分析，得出的分析結果以供讀者參考。目前針對鉆孔蓋板承載力的研究較少，部分相關研究結論如下。

李春燕[1]對成都市三環(huán)路擴能提升工程非機動車道蓋板進行極限承載能力試驗。通過對蓋板的應力、應變及裂縫等測試結果的分析，研究了蓋板的受力特性、破壞機理及承載能力等情況。

王萌、柯小剛[2]對帶LYP160鋼連接組件的擴翼型蓋板連接節(jié)點抗震行為進行研究。結果表明：擴大梁端翼緣截面可增加蓋板連接組件耗能，減少主體結構進入塑性程度及耗能比例，有效轉移塑性鉸位置，提高節(jié)點“保險絲”作用效果及作用時間。

牟成銘[3]對多腔鋼管混凝土柱-鋼梁外貼蓋板節(jié)點拉彎性能進行研究。采用通用有限元軟件ABAQUS建立一字形多腔鋼管混凝土柱-鋼梁蓋板節(jié)點模型，并分析了鋼梁強度、邊腔厚度、蓋板外伸長度、蓋板伸出翼緣長度、蓋板厚度、蓋板強度等參數(shù)對節(jié)點拉彎性能的影響，以試驗及有限元分析為基礎，給出了蓋板節(jié)點在實際工程中的設計建議。

黃福云、陳漢倫[4]對超高性能混凝土（UHPC）板受彎承載能力及計算方法開展試驗研究。研究表明UHPC板彈性極限荷載是同等級鋼筋混凝土蓋板的220%，建議實際工程中UHPC板鋼纖維含量（質量分數(shù)）在1.5%～2.5%之間，厚度在30～50 mm之間，材料等級在U120～U160之間。

鐘維軍、張舜元[5]針對電纜蓋板的生產運行現(xiàn)狀，提出了不同包邊型式的預制混凝土蓋板，并通過承載能力試驗及有限元分析，對比了不同包邊型式預制混凝土蓋板的承載力，得到了合理的蓋板設計方法及使用條件。基于不同包邊對混凝土蓋板承載能力的影響，得到應用于不同環(huán)境中最優(yōu)型式的混凝土蓋板。

1 工程概況

蓋板荷載選用公路一級車輛荷載，車輛總重550 kN，前軸重30 kN，兩個中軸各重120 kN，兩個后軸各重140 kN。蓋板直徑為0.5 m，在數(shù)值模擬時考慮后軸一側車輪壓在井蓋正中的最不利情況。后軸一側車輪荷載為70 kN，作用面積為0.6×0.2 m2，壓強約為583 kPa，數(shù)值模擬中取車輪壓強為700 kPa，作用在井蓋正中0.2 m寬度范圍內。

在實際施工過程中，為了提高蓋板的承載力，對圓形淺坑中除了反光鏡安裝位置外的其他區(qū)域做了水泥密實填充。

國道門架系統(tǒng)配套反光鏡的保護蓋板有多種選擇，本文對EN124 D400加勁梁井蓋和29 mm厚Q235鋼板這兩種蓋板進行數(shù)值分析比較。

2 計算模型建立

采用FLAC3D有限差分軟件對鉆孔蓋板的受力情況進行模擬分析。

2.1 EN124 D400井蓋

在對EN124 D400井蓋進行數(shù)值模擬時，采用殼單元（shell）模擬井蓋板，梁單元（beam）模擬加勁梁。在反光鏡對應位置鉆孔后，加勁梁不變。

EN124 D400井蓋的材料為球墨鑄鐵，數(shù)值模擬中假設井蓋始終處于彈性狀態(tài)，彈性模量取155 GPa，泊松比取0.27。

圓形淺坑中除了反光鏡安裝位置外的其他區(qū)域做了水泥密實填充，故在數(shù)值模擬中固定了水泥填充區(qū)域井蓋節(jié)點的豎向位移。

2.2 29 mm厚Q235鋼板

采用29 mm厚Q235鋼板作為蓋板時，用shell單元模擬蓋板。數(shù)值模擬中假設Q235鋼板始終處于彈性狀態(tài)，彈性模量取200 GPa，泊松比取0.3。

圓形淺坑中除了反光鏡安裝位置外的其他區(qū)域做了水泥密實填充，故在數(shù)值模擬中固定了水泥填充區(qū)域井蓋節(jié)點的豎向位移。

3 計算結果分析

通過對數(shù)值計算結果中蓋板上下表面的主應力和井蓋加勁梁的彎矩應力進行分析，來判定蓋板承載力是否滿足要求。應力以壓為負，第一主應力p1、第二主應力p2和第三主應力p3滿足關系p1＜p2＜p3。

3.1 EN124 D400井蓋

在完整井蓋正中0.2 m寬度范圍內作用700 kPa車輪壓強時，蓋板整體承受荷載；井蓋鉆孔后，鉆孔區(qū)域蓋板原先承受的荷載轉移到兩鉆孔之間的加勁梁上。

數(shù)值模擬計算可知，鉆孔后，井蓋板上表面p1的最大值從-407 MPa減小至-361 MPa；上表面p3的最大值從245 MPa增大至287 MPa；下表面p1的最大值從-245 MPa增大至-287 MPa；下表面p3的最大值從407 MPa減小至361 MPa；加勁梁彎矩Ma的最大值從728 N·m增大至998 N·m。

根據(jù)彎矩計算最大應力的公式為：

加勁梁寬8 mm，高15～30 mm，經計算，加勁梁內最大應力由607 MPa增大至832 MPa。

球墨鑄鐵有多種牌號，不同牌號的屈服強度在240～400 MPa之間，抗拉強度在370～700 MPa之間。故在公路一級車輛荷載的最不利狀況下（55 t貨車后輪壓在井蓋正中），井蓋加勁梁會有一定量的屈服變形，井蓋板也可能屈服變形；鉆孔后，加勁梁的應力進一步增大，若井蓋質量較差，可能會被壓壞。

3.2 29 mm厚Q235鋼板

在完整Q235鋼蓋板正中0.2 m寬度范圍內作用700 kPa車輪壓強時，蓋板整體承受荷載；Q235鋼蓋板鉆孔后，鉆孔區(qū)域蓋板原先承受的荷載轉移到兩鉆孔中間區(qū)域。

數(shù)值模擬計算可知，鉆孔后，Q235鋼蓋板上表面p1的最大值從-27.7 MPa增大至-28.2 MPa；上表面p3的最大值從25.0 MPa增大至27.1 MPa；下表面p1的最大值從-25.0 MPa增大至-27.1 MPa；下表面p3的最大值從27.7 MPa增大至28.2 MPa。

Q235鋼板的屈服強度隨鋼板厚度的不同而變化，蓋板選用的Q235鋼板厚度為29 mm，介于16 mm和40 mm之間，取鋼板的屈服強度為225 MPa。

在公路一級車輛荷載的最不利狀況下（55 t貨車后輪壓在井蓋正中），計算的Q235鋼蓋板最大應力為28.2 MPa，安全系數(shù)高達8.0（安全系數(shù)通常取1.5），故使用29 mm厚鋼板鉆孔的方案是安全的。

4 結論

國道門架系統(tǒng)配套路面反光鏡的保護蓋板有兩種備選方案，分別為EN124 D400加勁梁井蓋和29 mm厚Q235鋼板。

若采用EN124 D400加勁梁井蓋，井蓋的最大應力接近屈服，井蓋可能會發(fā)生屈服變形；井蓋鉆孔后，原先鉆孔區(qū)域承受的荷載轉移至兩個鉆孔之間的加勁梁上，導致加勁梁的最大應力明顯增加，可能會破壞。

若采用29 mm厚Q235鋼板，則鋼板內最大應力明顯小于鋼板屈服應力；鉆孔時適當減小鉆孔直徑、適當增大兩鉆孔間距，則鉆孔后蓋板內最大應力增長并不明顯，仍明顯小于鋼板屈服應力，安全系數(shù)高達8.0。

故國道門架系統(tǒng)配套路面反光鏡的保護蓋板選用EN124 D400加勁梁井蓋不夠安全，建議選用29 mm厚Q235鋼板。

5 不足之處

本文通過建立數(shù)值模型對兩種類型的鉆孔蓋板內力進行分析，在建立數(shù)值模型時，為了提高工作效率，組成蓋板的殼單元數(shù)量較少，節(jié)點數(shù)量也較少。殼單元數(shù)量少導致蓋板不夠圓（真實蓋板為圓形），內力分布不夠順滑；節(jié)點數(shù)量少導致不能全面固定水泥密實填充區(qū)域蓋板的豎向變形（數(shù)值模擬中蓋板豎向變形的固定通過固定節(jié)點的豎向位移實現(xiàn)）。

但是，殼單元數(shù)量的多少對于蓋板內力計算的影響不是很大，水泥密實填充區(qū)域蓋板豎向位移固定的不充分也使得數(shù)值模擬計算結果偏安全，總的來說，本文中鉆孔蓋板的數(shù)值模擬結果還是可信的。

今后若有機會，可開展實車試驗驗證數(shù)值模擬得到的結論。