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水泥路面施工作用于盖板的分析

2012-02-01 10:26:40中国交通招标网

  冲击压实载荷下,涵洞附近的土压力分布规律计算是问题研究的前提。本文首先基于拟静力原理模拟冲击压路机的动力作用,采用有限元方法对冲击压路机冲击荷载作用下土基中的应力进行分析。

  冲击压路机冲击轮目前常见有三楞、四楞、五楞3种。实际上,四楞冲击压路机的稳定性和灵活性均优于冲击轮置于拖架两侧的三楞或五楞冲击压路机,其冲击荷载大,在旧水泥混凝土路面改建工程中得到广泛应用。

  采用三维有限元方法,对四楞冲击压路机冲击荷载作用下土基的应力分布进行计算,再根据有限元计算结果就冲击压实载荷对涵洞的影响进行分析。在试验路段施工时,采用美国要技术指标如下:高度为1. 956 m,宽度为2. 565 m,长度为5. 842 m,机重为12. 7 t,冲击轮重为8. 6 t;最高冲压频率为2遍/ s;正常工作速度为11~13 km/ h;压实功率为30 kJ.在实际工程应用中,为加强破碎效果,冲击轮上局部焊有钢趾,单位: mm有限元分析时假设:水泥混凝土路面各结构层为均质、连续、各向同性的线弹性材料;结构层之间完全连续接触;不计接缝的传荷能力,仅按单块路面板作受力分析。计算模型的有限元网格划分及坐标依据有效影响范围,结合现场实测与有限元试算,确定模型尺寸和边界条件等。

  ( 1)路面板尺寸:长(路线方向)×宽×厚= 5 m×4 m×0. 25 m.

  ( 2)基层及土基范围:长×宽×深= 35 m×28 m×( 0. 2+ 40) m,其中基层厚度为0. 2 m,长、宽简化为与土基等同。该选取范围之长、宽分别为单块路面板尺寸的7倍,路面板置于其顶部中央位置。试算表明,满足距离荷载作用位置较远处位移很小的要求。

  约束条件:不考虑接缝的传荷作用,路面板四周为自由边界;基层及土基四周水平方向约束,土基底部竖直方向约束。

  冲击压路机工作时的冲击载荷计算,可通过冲量定理法、依据实测值反算法或转动惯量法等3种方法确定根据Impcator2000四楞冲击压路机自身参数与现场动土压力测试实验,测得冲击作用时间,钢轮与路面的接触面积取为2A = 2×(长×宽) = 2×( 133. 3 cm×31. 2 cm)。按均布荷载考虑,则均布载荷集度p= 1. 6 MPa.为考虑冲击压实载荷对挡土墙的最不利影响,假设水泥混凝土路面板被充分破碎,依据冲击压路机沿面板纵向中线及板边两种行驶路线,拟定4种典型的轮压位置,以模拟冲压过程中不同工况时的结构受力,探讨轮压位置不同时土基中附加应力分布各种工况冲击附加应力在土基中沿深度的分布规律基本一致;各工况冲击附加应力在土基中呈指数形式衰减,在3 m(工况1)~4 m(工况4)以浅,土基中冲击附加应力随深度衰减较快,而在4 m以深,土基中冲击附加应力随深度衰减较慢。以正常交通荷载面板底最大应力( 0. 05 MPa)为标准,来比较各种工况中冲击附加应力的分布,可知各种工况不尽相同,当冲击轮载作用于板中央(工况1)时,深度大约为2. 0 m,当冲击轮载作用于板角(工况4)时,深度大约为4. 0 m.

  冲击载荷引起的附加应力在土基表面的分布,近似以冲击载荷作用点为圆心向四周递减;在土基表面的部分地方(板边角、板边缘下方) ,由于尺寸效应,土基表面的部分地方应力分布不均。面板在工况4作用时,在过冲击荷载作用点的竖直剖面内,综合以上计算与分析,在冲击载荷作用于路面板不同位置的各种工况中,作用在板角时,土基中的集中应力最大值最大,且相对于其他工况,此种工况影响深度最深。故以该种工况时冲击附加应力在土基中的分布为准,进行钢筋混凝土正交盖板涵的安全验算。

  设计规范中对常规钢筋混凝土盖板涵洞进行的结构验算,包括钢筋混凝土盖板的验算、涵台的验算以及其他附属结构的验算。这里仅对冲击载荷作用( 1)盖板的两端简支在台身上端,台身下端与基础固结,盖板的内力计算不考虑涵台传来的水平力。

  ( 2)板的长度与宽度的比值等于或大于2时,可按简支单向板计算。

  ( 3)同一深度冲击附加应力均匀分布,按最不利情况取该深度处最大计算应力。

  ( 4)当水泥混凝土路面板被充分破碎后,此时冲击作用影响最深。考虑最不利情况,本文采用路面板被充分破坏后的冲击附加应力,来计算对盖板涵的影响。

  有限元计算结果表明,随着土基深度增加,由冲击载荷引起的附加应力逐渐衰减,冲击压实对路基存在一定的影响深度。公路桥涵设计手册中规定,当路堤填土高度在0. 5 m以上时,填土减弱了车辆荷载对涵洞的动力影响,故不计冲击力。设板涵上覆土本文定义,当冲击载荷作用下盖板配筋面积大于设计规范中盖板配筋面积时,即配筋面积比n> 1时,涵洞盖板在冲击载荷作用下不安全。

  设盖板上部填土容重为17. 5 kN/ m 3;水泥混凝土路面板板厚为25 cm,水泥混凝土容重为25 kN / m 3;基层厚为20 cm,基层容重为23 kN / m 3。涵洞盖板截面面积一定,按照简支板等代梁法编制通用计算程序,以工况4为最不利情况,分别计算不同深度处盖板的配筋面积,然后分别与规范推荐的配筋面积进行对比计算,得到配筋面积比而正常设计的盖板涵会因冲击载荷的影响而不安全。实际上,这反映了附加应力的量级足够大,超过了涵洞的设计标准。

  基于路基有效工作区的竖直和水平安全距离实际施工中,对于竖直安全距离不满足要求的涵洞,施工人员往往还关心冲击荷载作用位置水平距涵洞多远时,冲击载荷不会对涵洞造成影响。以下结合有限元计算结果,采用路基工作区的概念对此问题进行探讨。

  B的比值( 1/ m)很小时( 1/ m= 1/ 10~1/ 5) , !

  z的影响可以忽略,此时这一深度即为路基的工作区深度。轴载不同,路基的工作区也不相同。

  根据有限元计算结果,在冲击压实荷载作用下,土基表面的冲击附加应力垂直分量分布;在过冲击荷载作用点的竖直剖面内,冲击附加应力垂直参考公路路基的工作区定义,这里定义冲击压实荷载作用下的影响区,即在土基的某一深度,沿土基的水平方向的某一点,曲线存在一个拐点,在拐点之前,应力比随着土基深度的增加减小迅速,在拐点之后,应力比随着土基深度的增加减小缓慢。当土基深度为6. 7 m时,应力比为0. 2.如果以应力比0. 2为路基工作区安全标准,涵洞的竖直安全深度为6. 7 m.考虑1. 2的设计安全系数,安全深度在5. 6 m左右。与配筋率计算结果略有不同,安全深度更大一些。

  将不同深度的应力比沿水平方向的变化绘于图10.为了更好地观察应力比的变化,将深度在板下0. 75~2. 45 m(土基表面下0. 3~2. 0 m)的应力比变化绘于0( 1) ,将深度在板下2. 95~4. 95 m(土基表面下2. 5~4. 5 m)路面板下某一深度,冲击荷载引起的附加应力与自重应力的比值,随着距板边缘(冲击荷载作用位置)水平距离的增加近似呈线性递减。而且,随着深度的增加,应力比的分布也趋于平缓,最后都趋于0,这说明随着距离荷载作用点距离的增加,冲击荷载的影响也逐渐减小。

  ( 2)可以看出:随着土基深度的增加,达到某一标准应力比值的水平距离将减小;在各种深度情况下,水平距离在2. 2~2. 6 m时,应力比值在0. 1~0. 2之间;随着深度减小,同一应力比值对应的水平距离将有所增大,但幅度不大。

  综合以上结果可以得出,对于上覆填土高度大于3. 0 m的涵洞,冲击荷载作用在距涵洞水平距离2. 5 m以外时,涵洞是安全的。对于上覆填土高度小于3. 0 m的涵洞,应酌情增加水平距离,但在3. 5 m以外时,涵洞不会受到影响。

  ( 1)采用拟静力法,运用有限元模拟分析了冲击压实动力作用下,旧水泥混凝土路面土基中附加应力的分布性状。并依据有限元计算结果,分析计算了冲击压实荷载作用下不同埋深盖板涵顶面的受力情况。进一步通过构造配筋比和冲击压实工作区两个概念,探讨了冲击压实施工时不同埋深盖板涵的竖直和水平安全控制距离,得出了一些有益的结论。研究结论可为冲击压实安全施工控制提供参考。

  ( 2)将冲击压实施工分为4种工况,分析发现同一土基深度时,工况1(板中)附加应力最小,工况4(板角)时集中应力最大值达0. 341 M Pa,是4种工况中最大的情况。各种工况冲击附加应力在土基中沿深度的分布基本一致;各工况冲击附加应力在土基中呈指数形式衰减,在3 m(工况1)~4 m(工况4)以浅,土基中冲击附加应力随深度衰减较快;而在4 m以深,土基中冲击附加应力随深度衰减较慢。以正常交通荷载面板底最大应力( 0. 05 MPa)为标准来比较各种工况中冲击附加应力的分布,当冲击轮载作用于板中央(工况1)时,深度大约为2. 0 m,当冲击轮载作用于板角(工况4)时,深度大约为4. 0 m.

  分析发现:冲击载荷引起的附加应力在土基表面的分布,近似以冲击载荷作用点为圆心向四周递减;在土基表面的部分地方(板边角、板边缘下方) ,由于尺寸效应,土基表面的部分地方应力分布不均。

  在冲击载荷作用于路面板不同位置的各种工况中,作用在板角时,土基中的集中应力最大值最大。

  ( 3)分析表明,在路面板下某一深度,冲击荷载引起的附加应力与自重应力的比值,随着冲击荷载作用位置距板边缘水平距离的增加近似呈线性递减。而且,随着深度的增加,应力比的分布也趋于平缓,最后都趋于0.这说明随着距离荷载作用点距离的增加,冲击荷载的影响也逐渐减小。

  ( 4)根据有限元计算结果,依据配筋面积比指标判断,在冲击载荷作用下,对于跨径为2. 0 m的钢筋混凝土盖板涵,当上覆填土厚度小于4. 8 m(包含路面结构厚度)时,正常设计的盖板涵会因冲击载荷的影响而不安全。依据路基工作区的概念,在冲击载荷作用下,对于钢筋混凝土正交盖板涵,当上覆填土高度大于5. 6 m时,可以直接在上面进行冲击压实施工;对于上覆填土高度大于3. 0 m而小于5. 6 m的情况,冲击压实施工时要对涵洞留有至少2. 5 m的安全距离;当上覆填土高度小于3. 0 m时,对涵洞的安全距离取为3. 0~3. 5 m(上覆填土高度大时取小值,反之取大值)。

  ( 5)笔者在本地区冲击压实施工中对涵洞进行了观测,发现深度大于3 m的无病害盖板涵洞未发现垮塌现象,但这并不能排除施工造成涵洞隐蔽损伤情况的发生。因此,结合以上计算分析,本文推荐在涵洞上覆填土厚度大于4. 8 m的情况下,可以正常施工。由于本文针对的是特定冲击压路机型,因此对于其他机型和其他形式的涵洞,可根据实际土质情况适当调整冲击压实施工作业时的安全距离。也可根据涵洞具体情况和当地工程经验,对涵洞进行现场观测,视情况适当调整安全距离。

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