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| 傳力杆 |
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傳力杆指的是沿水泥混凝土路面板橫縫，每隔一定距離在板厚中央布置的圓鋼筋。其一端固定在一側板內，另一端可以在鄰側板內滑動，其作用是在兩塊路面板之間傳遞行車荷載和防止錯台，增加相鄰混凝土塊之間的應力傳遞以防止混凝土路面局部受力較大造成混凝土路面不均勻沉降，傳遞應力使相鄰混凝土塊共同受力。
基本信息
中文名 傳力杆 [1]
外文名 dowel bar
簡介 隔一距離在板厚中央布置的圓鋼筋
作用 傳遞行車荷載和防止錯台
所屬類別 交通
原理 傳遞應力使相鄰混凝土塊共同受力
接觸應力
概述
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布規律和傳力杆周圍混凝土破碎和拉裂等問題 ;同時,也不能方便地分析溫度變化以及溫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 ,對軸載及溫度變化作用下傳力杆與混凝土界面處的應力分布及變化規律進行分析, 旨在為傳力杆裝置的改進提供依據。
1 設傳力杆路面的三維有限元模型
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,在交通荷載和溫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脫空接觸的滑動界面 , 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, 假設材料參數不隨溫度而變化。作用在混凝土板上的荷載分為交通荷載和溫度荷載。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 ,交通荷載模型如圖 2 所示 。按照沿混凝土板厚內溫度變化將溫度荷載分為 2 種情況:①溫度沿板厚均勻變化 ;②溫度沿板厚不均勻分布, 通常用溫度梯度 r ,即板頂溫度與板底溫度之差來表示。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 ,這時均勻溫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溫度情況,包括正溫度梯度、負溫度梯度和溫度均勻變化, 研究路面板溫度應力變化規律。
2 傳力杆與混凝土界面最大應力分布規律
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布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布規律進行研究 。圖 3 、4 分別為接縫面受荷板和未受荷板處傳力杆與混凝土界面的最大主應力、最大剪應力和最大垂直應力分布。圖 3(b) ~(d)中橫軸表示傳力杆與混凝土界面圓周的角度位置,0°(360°)表示傳力杆底部,180°表示傳力杆頂部,最大壓應力發生在傳力杆底部,最大剪應力發生在傳力杆底部兩側,最大主應力和最大拉應力均發生在傳力杆的兩側;對於受荷板 ,最大壓應力、最大剪應力、最大拉應力均發生在傳力杆頂部或底部, 最大主應力發生在底部。應力分布雲圖可以更直觀地了解應力沿圓周的分布規律。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 溫度的影響
溫度沿面板厚度的不均勻分布,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 時在溫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布規律。由圖5 可知,所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布規律無明顯影響,最大接觸應力值不因板長而變化。
2. 3 板長的影響
溫度梯度和均勻降溫(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、均勻降溫幅度的增大而降低。由於負溫度梯度作用使板翹曲,傳力杆也隨之發生彎曲,如果在溫度梯度和均勻降溫共同作用下,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溫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。在溫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。當考慮溫度均勻下降時,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。
3傳力杆與混凝土界面接觸應力
傳力杆直徑為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布規律見圖6 。圖6 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布規律為: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。混凝土板在溫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,在溫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。在傳力杆兩端產生的附加拉應力見圖 7 。由圖7 可見,同樣在傳力杆兩端產生較高的主應力和剪應力。綜上所述,在接縫處附近和傳力杆兩端,因應力集中可能形成裂紋或破壞, 致使傳力杆鬆動,傳遞荷載能力下降。4. 0 、6. 0 m 板長的接觸應力沿傳力杆長度的分布規律與5. 0 m 板長的完全相同。
4 結語
(1)在輪載以及輪載和溫度變化共同作用下,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,而考慮均勻降溫作用時, 高拉應力和主應力發生在杆兩端附近及接縫面附近。
(2)無論在正溫度梯度還是負溫度梯度作用下,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。
參考來源