温度-荷载作用下装配式混凝土路面接缝力学性能研究

温度-荷载作用下装配式混凝土路面接缝力学性能研究

方兵1、周兴雨2、范汉秀1、王子健2、刘俊3、孙蕾1、黄胡芯彤2

（1.中铁十一局集团第五工程有限公司，重庆，400037；2.重庆科技大学，重庆，401331；3.中国建筑第二工程局有限公司，北京，101101）

摘要：随着工业化进程的加速，装配式混凝土路面因其施工速度快、维护成本低及环境影响小等优势，逐渐成为道路建设与修复的新趋势。然而，装配式路面接缝处的应力集中问题，尤其是在温度变化和交通荷载的长期作用下，易引发裂缝、断裂等损坏，严重影响路面使用寿命和行车舒适性。本文通过ABAQUS有限元软件模拟方法，研究了温度和荷载共同作用下路面接缝的力学行为。结果表明，企口接缝在相同荷载和冻融循环条件下表现出比搭接接缝更好的性能。此外建立了装配式C30混凝土路面板在不同接缝下的最大位移与冻融次数的变化关系公式，为优化接缝设计和延长使用寿命提供了理论依据与指导。

关键词：装配式混凝土路面；接缝力学性能；温度-荷载作用

0引言：

在现代交通工程领域，路面结构的耐久性与稳定性是确保交通安全与效率的关键因素。随着工业化进程的加速，装配式混凝土路面因其施工速度快、维护成本低以及环境影响小等优势，逐渐成为道路建设与修复的新趋势。因其可拆卸、可重复使用的特性，装配式水泥混凝土路面作为一种快速路面，建设和维修养护技术被广泛应用于临时道路建设、旧路面快速抢修[1]。然而，由于装配式路面的接缝较多，这些接缝处往往成为路面破坏的高发区域，尤其是在温度变化和交通荷载的长期作用下，接缝处的应力集中，进而引发裂缝、断裂和其他形式的损坏，严重影响了路面的使用寿命和行车舒适性。

在过去的几年中，许多研究者对水泥混凝土接缝开展了大量研究工作。目前的接缝形式主要有集料嵌锁[2]、企口缝[3-5]以及传力杆[6]三种形式。王轩[7]提出了嵌入式企口和端部附加卡扣结构相互嵌锁嵌缝连接和两种新型接缝形式，并且利用有限元分析软件对不同企口厚度、企口深度、企口坡度条件下两种新型接缝形式的力学响应分析，得到各因素对新型装配式水泥混凝土路面板传荷能力和板底最大拉应力的变化规律。刘泽鑫[8]采用有限元方法对传力杆和圆形企口两种接缝形式进行影响分析，并运用TOPSIS模型进行综合分析得到各局部尺寸的最优值，最终确定装配式水泥路面板块的全部结构形式。戚春香[9]等采用数值模拟手段探讨分析温度和荷载作用下地基反应模量、面板尺寸及弹性模量等因素对道面板内应力的影响。赵鸿铎等[10]利用该系统长期实测的温度、应变和弯沉数据，认为板间横缝、纵缝、板边中部及板角的温度翘曲变形具有同步周期性变化特点,刘海伦[11]等现场测试认为板中处的弯沉几平不受路表温度变化影响，板边弯沉、板角弯沉、脱空判定值受路表温度变化影响显著，另外假缝类道面接缝传荷能力受温度影响显著。邓有生[12]等研究了新旧混凝土道面接缝处温度-荷载对机场道面板间力学性能的影响，采用有限元方法建立了道面结构温度场计算模型，新旧道面间接缝的传荷系数与温度呈较好的二次曲线关系。

综上，有关路面接缝受力和温度场作用的研究较多，这些研究为装配式水泥混凝土路面的研究提供了一定理论基础。但在温度-荷载作用下路面相关的力学特性研究相对较少,因此本文通过数值模拟方法，研究温度和荷载共同作用下路面接缝的力学行为，对于优化接缝设计、延长使用寿命具有重要的理论意义和工程应用价值进一步为类似地区的实际工程的有关研究提供借鉴以及相关理论。

1.计算参数

本文采用ABAQUS有限元软件进行建模，装配式面板尺寸为2m×2m×0.2m（长×宽×厚）C30混凝土，基层尺寸为4m×4m×0.6m，其余相关物理参数见表1所示。对于接缝形式本文考虑矩形企口接缝和搭接型企口接缝，矩形企口接缝的尺寸构造如图1所示。

表1. 材料相关物理参数

2. 模型建立

2.1.模型基本假定

由于混凝土路面结构主要是由路基、基层、面层组成且属性不同。由于基层以下的温度变化很小,忽略其对所研究问题的影响[13],只建立基层、面层模型，力学模型如图2所示。

现对模型进行如下假设：①各结构层次均拥有其独特的弹性模量及泊松比特性，并且展示出均匀一致、各向同性的连续弹性介质属性；

②考虑到路面板的挠曲变形，其幅度明显小于板体的实际厚度；③结构层间保持了理想的接触连续性。④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[14]。

2.2温度场

ABAOUS中温度场热传导的分析原理为热传导理论。在经历冻融循环的工作环境下，结构及其部件会受到温度场的影响，产生包括稳定和瞬态变化的温度应力。这些应力对结构的长期耐久性具有显著影响。为此本文采用顺序耦合进行建模，环境温度设定为20℃，薄膜系数0.1,温度加载曲线选用-20℃~20℃的周期循环加载曲线来模拟现实200次试验中的冻融循环状态,如图3所示。

图3. 温度加载曲线图

2.3荷载施加以及边界条件

本文采用通用静力分析方法，来描述路面所受的行车荷载作用。根据我国现行《公路水泥混凝土路面设计规范》[15]（JTG D40-2018）中规定单轴双轮标准轴载为100 kN（BZZ-100），轮胎接触压力p=0.7 MPa，为了便于有限元的施加荷载，本文根据文献将车轮轴载接触面积等效为图4所示。

同时接缝处是装配式水泥混凝土路面最脆弱的位置,因此将车辆荷载在接缝处进行加载。荷载作用位置如图5所示。根据假定，基层底部是完全固定的，因此在基层底面施加全约束；结构层之间只传递竖向位移，在模型的侧面施加法向约束[16]。

3.模拟结果及分析

3.1不同接缝位移模拟结果对比

通过有限元软件分析，在经过冻融循环后不同的接缝下最大位移计算结果对比如图6所示。提取有限元分析结果在不同冻融循环后的最大位移绘制点线图以及拟合曲线，如图7所示：

由上图7可知，20cm厚的装配式C30混凝土路面板搭接接缝下最大位移随冻融循环的增加呈增长的趋势，冻融循环从50次增加到200次，搭接接缝下最大位移从0.18mm增加到0.54mm，相对于50次循环的最大位移增加2.98倍；企口接缝下最大位移随冻融循环的增加也呈现递增的趋势，冻融循环从50次增加到200次，企口接缝下最大位移从0.136mm增加到0.145mm，企口接缝下的最大位移量涨幅较小。

通过20cm厚的对装配式C30混凝土路面板不同接缝下最大位移与冻融次数进行关系拟合，得到公式（3.1）和（3.2），通过该公式可以用来大致估算20cm厚装配式C30混凝土路面板在200次冻融内搭接接缝板下和企口接缝板下的最大位移值。

(3.1)

(3.2)

3.2不同接缝最大应力模拟结果对比

通过有限元软件分析，在经过200次冻融循环后不同的接缝下最大应力计算结果对比如图8所示。提取有限元分析结果在不同冻融循环后的最大板应力绘制点线图，如图9所示：

上图7可知，20cm厚的装配式C30混凝土路面板搭接接缝下最大应力随冻融循环的增加呈递减的趋势，冻融循环从50次增加到200次，搭接接缝下最大位移从3.099Mpa减少到2.305Mpa，其中50次冻融循环到100次冻融循环下降幅15%；企口接缝下最大应力随冻融循环的增加呈也呈现递减的趋势，冻融循环从50次增加到200次，企口接缝下最大位移从2.448Mpa减少到1.636Mpa，其中50次冻融循环到100次冻融循环下降幅仅7.8%。相同情况下，搭接接缝下最大应力比企口接缝下最大应力降幅将近2倍。

4.结论

1.不同冻融循环后，相同荷载施加状况下20cm厚的装配式C30混凝土路面板搭接接缝最大位移大于企口接缝最大位移，表明相同状况下企口接缝优于搭接接缝；

2. 在20cm厚的装配式C30混凝土路面板不同接缝下最大位移与冻融次数拟合得到的搭接接缝和企口接缝的对应关系公式；

3.相同情况下，搭接接缝下最大应力比企口接缝下最大应力降幅将近2倍。

4. 本文考虑的荷载是静荷载，且未考虑其他材料形式的混凝土和移动荷载下，不同材料下装配式混凝土路面板接缝的冻融研究。

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基金项目：2023年重庆市建设科技计划项目（城科字2023第3-5号）；2023年重庆市教委科学技术研究项目（项目编号：KJQN202304008，KJQN202304004）。

作者简介：方兵（1986—），男，汉，四川简阳人，本科学历，高级工程师。