装配式预制道路板性能的影响因素分析

装配式预制道路板性能的影响因素分析王向英;陈鹏飞;杨超;张纪刚【摘要】在大力推行绿色施工的背景下，传统的现浇混凝土路面与绿色施工的理念是不相符的，不仅对资源造成浪费严重，而且降低工程项目的经济效益，正是在这一背景下，装配式预制道路板开始应用到实际工程项目上.本文通过ABAQUS有限元软件建立预制钢筋混凝土路面的三维结构模型，研究施工现场装配式预制道路在车辆静载作用下确定最不利荷载位置以及影响承载性能的因素，对此提出装配式预制道路板的优化方案以及施工工艺流程.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷)，期】2019(041)005【总页数】6页(P41-46)【关键词】预制装配式;绿色建筑;预制道路板;有限元【作者】王向英;陈鹏飞;杨超;张纪刚【作者单位】青岛理工大学土木工程学院,山东青岛266033;青岛理工大学土木工程学院,山东青岛266033;中建科技集团有限公司，北京100195;青岛理工大学土木工程学院仙东青岛266033【正文语种】中文【中图分类】TU310引言近年来，随着居民生活水平的提高，建筑业快速发展，建筑业耗能量也随之增加［1］，这造成了日益严重的环境污染问题。绿色施工是对传统施工方式的拓展和完善，并不是全新的施工方式［2］。绿色施工提倡绿色节能的发展思路，努力在施工过程中实现可持续发展目标［3］。绿色施工应当遵循以下原则：尽量保持施工现场周围植被和地貌，减少对周围环境的破坏；提高材料的使用效率，减少对资源的浪费［4,5］。在大力推行绿色施工的背景下，传统的现浇混凝土路面的施工方式与绿色施工的理念是不相符的，装配式预制道路板开始应用到实际的工程项目上［6］。现阶段装配式临时道路在应用过程中出现由于道路板构件的破损，导致道路板的循环周转次数大大降低的问题，严重影响了建设项目的经济效益［7］，对此通过有限元分析，得出影响预制道路板承载能力的因素，找出最不利荷载位置，提出了装配式道路板的优化方案，以实现装配式道路板的多次周转使用，提高经济效率。1试验概况1.1试件设计1.1.1模型尺寸为了研究预制装配式混凝土道路板在受到车辆荷载的作用下最不利荷载位置，以及影响预制装配式道路性能的因素，依托青岛地区实际工程保障房项目制定ABAQUS计算模型，尺寸参数如表1所示，路面结构三维模型如图1所示。图1预制装配式混凝土路面板有限元计算模型表1模型尺寸结构层长度（纵向）/m宽度（横向）/m钢筋混凝土面层4.02.5砂石垫层4.02.5土基层4.0模型基本假定与材料参数在装配式预制道路板的有限元计算中，对模型做出如下基本假定：①预制钢筋混凝土路面各个结构层均为均匀、连续、各向同性的弹性体，参照实际工程项目的要求，确定预制混凝土道路模型中各个结构层材料参数，取值如表2所示；②垫层与路基层与层之间完全连续不考虑板底脱空情况的发生；③没有特殊要求的情况下，不考虑路面结构自重影响，缝间无填充材料，板与板之间不设传力杆，接缝处不传递荷载。表2装配式钢筋混凝土路面结构与材料参数结构层模量/MPa密度/（kg-m-3）泊松比混凝土面层3250024000.2钢筋20000078000.3砂石垫层50023000.25土基层501800模型网络（1）单元类型。预制混凝土道路板三维模型混凝土面层、砂石垫层以及路基层均采用八节点线性正六面体空间单元（C38DR单元）进行模拟，然而混凝土面层内嵌的钢筋网片而是采用线性杆（T3D2单元）进行模拟，为保证模拟的准确性，将各个层面精细划分。（2）边界约束。为了简化模型，忽略路面板受到两侧路肩传力杆和拉杆的约束，在有限元模拟中确定的边界约束条件有：①不考虑横向和纵向接缝传递荷载且地基底面完全约束；②在X、Y轴方向的侧面同时施加法向位移约束。1.2车辆荷载1.2.1轴载的参数通过对施工现场各类出入车辆车型的统计，大致可以归纳出四种类型的车型，如图2所示。车轮中心间距为1.8m，双轴、三轴的轴间距取1.3m，双轮中心轮间距取0.3mo图2轴型图（单位：mm）1.2.2轮胎接地压强参数由于轮胎横向刚度较大，轮胎接地宽度值保持恒定，不受充气压力以及荷载的影响。随着车辆轴载的不断增加，轮胎将会逐渐变长，接触面由椭圆面变形接近矩形。为了有限元计算的方便，荷载接触面取为正方形，接触面积取200x200mm2，荷载使用标准轴载BZZ-100，轮胎压力取为0.7MPa，轴型接地压强如表3所示。1.2.3荷载加载位置为了研究预制混凝土道路板在各类车辆作用下，预制道路最不利荷载出现位置有无较大差异。依次使用单轴轴重为100kN进行静力加载，作用位置依次取为板角边缘、板中布置、横缝中部以及纵缝中部。下面以双轴双轮为例给出车辆荷载在预制道路板上的示意图，如图3所示。图3荷载布置区位图1.3最不利荷载位置选取预制道路面层最不利荷载位置，取决于在预制板底产生最大拉应力ocmax出现的位置［8］。其中图4至图7为双轴双轮在不同位置作用的云图。图4双轴双轮板中布置图5双轴双轮纵缝中部布置图6双轴双轮板角布置图7双轴双轮横缝中部布置汇总统计各个轴型作用在四种荷载作用位置，预制道路板在板底出现最大拉应力ocmax数据见表4。表4板底最大拉应力汇总表轴型荷载位置最大拉应力ocmax板角位置横缝中部板中位置纵缝中部单轴单轮0.62450.68910.64110.48380.6891单轴双轮0.83081.12911.02910.61841.1291双轴双轮0.87821.06721.00230.76421.0672三轴双轮0.82540.94230.87370.71140.9423图8车辆荷载作用位置由图8可以看出，单轴、三轴的最不利荷载出现在横缝的中部，其中板角和板中的应力值与横缝中部的应力值较为接近。双轴的最不利荷载位置也出现在横缝的中部位置，较板角的应力值相差35.9%。因此装配式临时道路在设计时应当考虑对预制道路板的边角处进行加固处理。1.4承载性能影响因素影响预制装配式路面板荷载应力的主要因素有，面层的尺寸、各个结构层的弹性模量以及钢筋的布置［9］。混凝土面层尺寸因素包括，面层的长度、宽度以及厚度。弹性模量的因素包括，面层的弹性模量、地基的弹性模量，钢筋配置因素主要是钢筋的配筋率。1.4.1尺寸因素板宽。为了研究预制道路板板宽对底板产生应力的影响，分别取面板的宽度为2.5、3.0、3.5、4.0、5.0m进行计算。在软件分析中，在出现最不利荷载处的横向中部施加荷载，钢筋间距取140mm，高度取200mm。软件分析数据见表5以及图9和图10所示，当预制板板宽逐渐增加时，预制板底部应力和钢筋拉应力均呈现上升趋势。表5板底拉应力随板宽变化汇总板宽/mm混凝土板内钢筋应力os/MPa底板混凝土应力oc/MPa250056.401.1291300063.631.2207350071.091.3143400078.911.4006500091.271.5121图9板底混凝土应力随板宽的变化图10板底钢筋应力随板宽的变化板长。为了研究预制道路板板长对底板产生应力的影响，分别取面板的长度为4.0、5.0、5.5、6.0、7.0m进行计算。计算在软件分析中，在出现最不利荷载处的横向中部施加荷载，钢筋间距取140mm，高度取200mm。表6板底拉应力随板长变化汇总表板长/mm混凝土板内钢筋应力os/MPa混凝土底板应力os/MPa40001.129156.4050001.137157.4355001.141158.1160001.146158.8270001.154160.12图11板底混凝土应力随板长的变化图12板底钢筋应力随板长的变化软件分析数据见表6以及图11、图12所示，当预制板板长逐渐增加时，预制板底部应力和钢筋拉应力均呈现上升趋势。板厚。为了研究预制道路板板厚对底板产生应力的影响，分别取面板的厚度为180、200、220、240、260、280、300mm进行计算。在软件分析中，在出现最不利荷载处的横向中部施加荷载，钢筋间距取140mm，高度取200mm。软件分析数据见表7以及图13所示，当预制板板厚逐渐增加时，预制板底部应力呈现递减趋势。表7板底拉应力随板厚变化汇总表板厚/mm混凝土板底拉应力oc/MPa1801.19922001.12912201.06112400.99712600.93412800.87613000.8201图13板底混凝土应力随板厚的变化1.4.2弹性模量(1)面层弹性模量。为研究预制混凝土路板面层模量对底板产生应力的影响，分别取面层弹性模量为26000、28000、30000、32000、34000、36000MPa进行计算。在软件分析中，在出现最不利荷载处的横向中部施加荷载，钢筋间距取140mm，高度取200mm。不同面层弹性模量对应力的影响见图14,软件分析数据见表8所示，当预制板面层弹性模量逐渐增加时，预制板底部应力呈现递增趋势。表8板底拉应力随面层弹模变化汇总表面层弹性模量/MPa混凝土板底拉应力oc/MPa260001.1992280001.1291300001.0611320000.9971340000.9341360000.8761表9板底拉应力随地基弹性模量变化汇总表地基弹性模量/MPa混凝土板底拉应力oc/MPa501.13251000.98231500.81262000.69142500.5534图14板底混凝土应力随面层弹性模量的变化图15板底混凝土应力随地基弹性模量的变化(2)地基弹性模量。为了研究预制道路板地基弹性模量对底板产生应力的影响，分别取地基弹性模量为50、100、150、200、250MPa进行计算。在软件分析中，在出现最不利荷载处的横向中部施加荷载，钢筋间距取140mm，高度取200mm。软件分析数据见表9以及图15所示，当预制板地基模量逐渐增加时，预制板底部应力呈现递减趋势。钢筋配筋率的影响。为了研究预制道路钢筋配筋率对底板产生应力的影响，分别取钢筋的直径为8、10、12、14、16mm，钢筋间距取140mm，高度取200mm，对应的配筋率为0.224%、0.351%、0.505%、0.687%、0.897%，进行计算。在软件分析中，在出现最不利荷载处的横向中部施加荷载。软件分析数据见表10以及图16所示，当预制板地基模量逐渐增加时，预制板底部应力呈现递减趋势。表10板底拉应力随配筋率变化汇总表配筋率/%混凝土板底拉应力oc/MPa0.2241.12910.3511.12530.5051.12080.6871.16010.8971.1109图16板底混凝土应力随地配筋率的变化2预制道路板的优化针对装配式临时道路在施工、运输以及使用过程中容易造成边角的破坏［10］,提出了一种适用于内嵌式拼装、拼装简便、防滑性能好、成本节约、重复使用率高的内嵌式护边角装配式混凝土道路板，如图17所示。图17预制混凝土板钢框架结构示意图内嵌式护边角装配式预制道路板，主要构件包括：槽钢、花纹钢板、钢筋拉钩以及焊接垫板形成整体式的钢框架［11］。其中钢框架内为配置有上下两层横向和纵向受力钢筋的混凝土板，在上述混凝土板上表面留设有装配起吊用的螺栓吊环。槽钢与花纹钢板是通过焊条焊接，槽钢与钢筋拉钩是通过焊接垫板焊接。上述的焊接垫板上由有贯通穿孔的正方形钢板制成。在拼装时将设有凸起的一号板与设有凹槽的二号板相互配合组装如图18所示。图18预制混凝土道路板拼接示意图表3轴型接地压强轴型轴载/kN接地压强/MPa轴型轴载/kN接地压强/MPaM<1800.4560<M<900.7180<M<2700.790<M<1200.8270<M<3600.8M>1201.0M>3601.0M<600.45单轴单轮双轴双轮M<1800.45100<M<1500.7180<M<2700.7150<M<2000.8270<M<3600.8M>2001.0M>3601.0M<1000.45单轴双轮三轴双轮3结语文中通过ABAQUS有限元软件建立预制钢筋混凝土路面的三维结构模型，模拟施工现场装配式预制道路在车辆静荷载作用下确定最不利荷载位置以及相关的影响因素。通过对预制道路板的结构进行分析，提出了预制道路板标准化设计并总结了预制混凝土临时道路在实际工程中的施工工艺，结论如下：(1)单轴、三轴的最不利荷载为横缝的中部，其中板角和板中的应力值与横缝中部的应力值较为接近，双轴的最不利荷载位置也出现在横缝的中部位置，较板角的应力值相差35.9%。因此在装配式临时道路在设计时应当考虑对板体的边角进行加固处理。(2)对于装配式临时道路在施工过程中容易造成边角的破坏，严重影响装配式临时道路的周转使用，提出的内嵌式护边角装配式混凝土道路板具有拼装简便、防滑性能好、绿色可持续以及重复使用率高等优点。(3)通过对影响预制装配式钢筋混凝土路面荷载应力的因素分析(尺寸、弹性模量、配筋率)，提出影响装配式道路板的承载性能的关键因素为预制板地基模量和面层尺寸，为预制道路的设计提供依据。参考文献【相关文献】[1]FLYNN,EMILY.Comparisonandanalysisofinternationalconstructionwastemanag