传力杆松动对道面接缝传荷影响的试验研究

张润峰，崔晓云，杨简

（中国民航大学机场学院，天津300300）

传力杆松动对道面接缝传荷影响的试验研究

张润峰，崔晓云，杨简

（中国民航大学机场学院，天津300300）

按一定的缩放比例浇筑水泥混凝土道面板结构模型，接缝处设有传力杆且具有不同松动长度。通过不同加载等级进行相关数据测定，研究不同松动长度下道面板的位移传荷系数及传力杆和接缝界面混凝土的力学特征，得出荷载较小时，接缝传荷系数变化不明显，当达到1～3 kN时，传荷系数明显增大，超过5 kN后，传荷系数相对平稳；传力杆松动长度在0～10 cm时，接缝的传荷系数及杆与混凝土界面的混凝土应变随松动长度的增大逐渐减小，传力杆上的剪切应变先增大后减小，当松动长度超过10 cm后，各指标变化不再明显。

接缝；传力杆松动；传荷系数；加载等级

接缝的存在破坏了道面结构的整体性，为保证接缝的传荷能力，通常在横缝处设置传力杆。而传力杆的损伤会导致道面在使用过程中发生唧泥、错台、角隅断裂、接缝破碎等一系列破坏。目前国内外大多数学者对道面板的研究主要是针对设有传力杆和未设传力杆的道面接缝的力学性能、经济性能对比、新材料道面的研究、道面板的耐久性等方面[1-3]。数值模拟方向Wang S D和Huang Y H等[4-6]先后提出了研究接缝传荷的模拟及计算方法，周正峰等[7-9]综合考虑了不同地基强度、基层接触情况以及不同级别荷载起落架构型的影响因素，建立了三维有限元模型等。而试验同时受人力、物力、财力、时间等多方面的制约，并且缺少传力杆损伤对道面板传荷性能的具体研究。因此本文主要探讨传力杆松动对水泥混凝土道面接缝传荷性能影响的试验分析。

本文通过缩尺实验得出传力杆松动对传荷系数及界面应变的影响关系，以及加载等级对传荷系数的影响关系，为传力杆的设计提供试验参考。

1 实验简介

取机场道面板普遍采用的尺寸5 m×5 m×0.35 m，基于相似理论，松动模型的相似比例定为1∶2，考虑相邻传力杆的协作取3根传力杆的情况，由于沿传力杆长度方向的应力集中区域为3倍半径同心圆内的混凝土区域，为提高试验精度将切割边界适当放大，拟定松动子结构试验模型尺寸为0.465 m×0.25 m×0.175 m，钢筋直径为18 mm，长度为30 cm，如图1所示。本试验的控制变量是传力杆的松动长度，采用传力杆上缠胶带的方法模拟，由于胶带质软且很好地隔离了传力杆和混凝土，因此可模拟传力杆的松动，用缠2圈来模拟固定的松动高度，模型图如图2所示。

图1 松动模型尺寸Fig.1 Loose model size

图2 松动模型图Fig.2 Loose model diagram

由于试验所用传力杆长度为30 cm，传力杆与单块试验板的咬合长度为15 cm，对传力杆的松动设定了4种松动长度，忽略松动高度，情况如表1所示。由于在现行机场道面板中，传力杆是一端固定、另一端可在水平方向松动且可以自由移动，为了真实地模拟传力杆的工作情况，在传力杆的固定端裹上胶带，并在外表面涂上一层沥青表示固定端的松动。同时，在安装时传力杆的固定端和滑动端交错分布排列。

表1 松动工况表Tab.1 Loose condition

为了得到传力杆内力、道面板板底弯拉应力和道面板接触处附近表面区域内的应力变化，分别在传力杆（如图3所示）和道面板上用AB胶粘贴应变片（如图4、图5所示），等AB胶凝结后，还需在AB胶外面涂抹一层环氧树脂胶进行二次保护，确保应变片在后期试验中不被损坏，且环氧树脂是不导电材料，不会对实验结果造成干扰，如图6所示。

图3 传力杆上应变片粘贴图Fig.3 Strain gauge stick on dowel bar

图4 应变片保护图Fig.4 Strain gauge protection figure

图5道面板应变片粘贴图

Fig.5Strain gauge stick on pavement

图6 应变片保护图Fig.6 Strain gauge protection figure

2 实验加载及数据采集

试验加载面积（上文已经提及）为10 cm×10 cm。试验加载过程采用液压机多级加载的方式，如图7所示，从0 kN开始加载，每级加载增量控制在1～4 kN范围内，每加载一级，等其稳定后，便利用静态应变仪采集一次数据，同时读取一次位移表数值，并将其记录下来，位移表布置如图8所示。

图7 实验加载图Fig.7 Experimental load

图8 位移表布置图Fig.8 Displacement table layout

记录每个位移表的数据，将位移表采集到的位移数据整理如表2～表5所示。

表2 松动试块1位移数据Tab.2 Displacement data of Test Block 1（mm）

表3 松动试块2位移数据Tab.3 Displacement data of Test Block 2（mm）

试验所测得的位移数据为原始数据，需利用这些数据求出传荷系数，传荷系数的计算主要有以下2种方法：

1）挠度法即以接缝两侧相邻板边缘的挠度值比值来表征传荷系数

表4 松动试块3位移数据Tab.4 Displacement data of Test Block 3（mm）

表5 松动试块4位移数据Tab.5 Displacement data of Test Block 4（mm）

其中：w1为受荷板板边的挠度；w2为未受荷板板边的挠度。

2）应变法即以接缝两侧相邻边缘的应变值比值表征传荷系数

其中：ζ1为受荷板边缘的应变；ζ2为未受荷板边缘的应变。

考虑所测数据为位移数据，所以在求传荷系数时采用挠度法进行计算。各组试验传荷系数整理后的结果分别如表6～表9所示。

表6 松动试块1传荷系数Tab.6 Load transfer coefficient of Test Block 1

表7 松动试块2传荷系数Tab.7 Load transfer coefficient of Test Block 2

表8 松动试块3传荷系数Tab.8 Load transfer coefficient of Test Block 3

表9 松动试块4传荷系数Tab.9 Load transfer coefficient of Test Block 4

为了减小误差，使试验结果更加准确，取各组平均值作传荷系数与松动长度的关系曲线，如图9所示。

图9 传荷系数与荷载及松动长度之间的关系图Fig.9 Relationship between load transfer coefficient，load and loose length

由图9可知，从松动0 cm到松动15 cm的过程中，随着传力杆松动长度的增大，接缝的传荷系数逐渐减小，且当松动长度达到10 cm左右后，接缝传荷系数有较大变化，说明此时传力杆已失去部分传荷功能。同时得到如下规律：随着外加荷载从0 kN逐渐增大的过程，接缝传荷系数从0开始增大，这之间存在一个临界传荷荷载，即当外加荷载达到一定值后，受荷板上的荷载才开始通过传力杆传递给未受荷板；当外加荷载继续增大到5 kN左右时，道面板传荷系数在一定范围内发生微小的波动；再继续增大荷载值，当其增大到一个极限值时，道面板传荷系数会随之减小，说明当外加荷载超过此极限值后传力杆与道面板间的原有粘结将随之发生破坏，传力杆的作用有所损失。

当外加荷载值相同时，不同松动尺寸下各应变片的数据如表10所示。

表10 应变值与松动尺寸关系表Tab.1 0Relationship between strain values and loose size

可以看出，随着松动尺寸的增大，松动杆界面应变值在逐渐减小，而未松动杆界面应变在随之增大；受荷板板底弯拉应变值随着松动尺寸的增大有一个先增大后减小的过程，未受荷板与受荷板的变化趋势大体相同；对于杆上的剪切应变而言，松动杆上的应变值是随着松动尺寸的增大而逐渐减小，未松动杆上的剪切应变值是随之变大的。综上所述可得出如下结论，随着松动尺寸的增大，受荷板通过传力杆传给未受荷板的荷载是在逐渐减小的，当松动尺寸增大到一定尺寸后，外界的荷载主要是由受荷板来承担，传力杆传荷逐渐失效。

3 结语

1）随着松动尺寸的不断增大，传力杆与混凝土粘结界面的应变在松动为0～10 cm段先迅速下降，后下降逐渐趋于平缓，随着传力杆松动长度的增大，松动杆的剪切应变先增大后迅速减小，试验中道面板的传荷系数随着松动长度的变大而逐渐变小。松动量在0～10 cm段，传荷系数减小的幅度较大，当松动长度超过10 cm后，传荷系数减小的幅度趋于平缓，说明此时的传力杆可能已经失效。

2）通过试验发现在荷载作用下，外加荷载较小时，传力杆的传荷系数较小。只有当外加荷载达到1～3 kN后传荷系数逐渐增大，说明道面板可能存在一个临界传荷荷载，当外加荷载超过临界传荷荷载后并继续增大时，道面板间的传荷系数也在随着增大。但当荷载超过一定限值后传荷系数不再增大而是趋于稳定状态，针对本试验所采用的试验模型，此限值为5～7 kN。外加荷载继续增大，当增大到极限荷载值时，传荷系数不再处于稳定，而是开始出现下滑趋势。本试验中此极限值大概为20 kN。

[1]蒋应军,张伟宏.传力杆对接缝传荷能力及临界荷位处应力的影响[J].工程力学,2009,26(3):21-25.

[2]陈飞,张宁,林亚萍,等.刚性路面传力杆接缝传荷能力评价新方法[J].交通运输工程学报,2006,6(4):47-51.

[3]张军,李剑波,边惠英.刚性路面缩缝传力杆的受力分析与设计[J].中南公路工程,2001,26(4):7-8.

[4]HUANG Y H,WANG S T.Finite Element Analysis of Rigid Pavements with Partial Subgrade Contact[R].Highway Research Record 485, Highway Research Board,1974:39-54.

[5]HUANG Y H.Finite element analysis of slabs on elastic solids[J].Transportation Engineering Journal,ASCE,1974,100(2):403-416.

[6]HUANG Y H,WANG S T.Finite Element Analysis of Concrete Slabs and its Implication for Rigid Pavement Design[R].Highway Research Record 466,Highway Research Board,1973:55-69.

[7]周正峰,凌建明.基于ABAQUS的机场刚性道面结构有限元模型[J].交通运输工程学报,2009,9(3):39-44.

[8]周德云,姚祖康.水泥混凝土路面接缝传荷能力的分析[J].同济大学学报（自然科学版）,1993,21(1):57-65.

[9]黄晓明.层状地基接缝混凝土路面分析方法[J].中国公路学报,1994, 7(1):46-50.

（责任编辑：杨媛媛）

Experimental study on affection of loose dowel to load transfer of pavement joints

ZHANG Runfeng,CUI Xiaoyun,YANG Jian
（College of Airport Engineering,CAUC,Tianjin 300300,China）

The cement concrete pavement slab structure model is poured by a certain scale,and the joint is provided with dowels and have different loosening lengths.Using different loading levels to determinate relevant data,load transfer coefficient and mechanical characteristics between dowel and pavement concrete under different loose lengths are studied.Results show that when load is small,the joint load transfer coefficient does not change significantly;When it reaches 1～3 kN,load transfer coefficient increases significantly;When it is bigger than 5 kN, load transfer coefficient is relatively stable.When dowel loose gap length reachs 0～10 cm,concrete strain joints, load transfer coefficient rod and concrete interface gradually decrease as the loose length increases,shear strain of dowelincreasesfirstlyandthendecreases.Sincetheloosegapiswiderthan10cm,anyindexhasnoobviouschange. Key words：joints;loose dowel;load transfer coefficient;load rating

V351.11；U416

A

1674－5590（2017）01－0042－05

2016-04-20；

2016-06-20基金项目：中央高校基本科研业务费专项（3122015D014）；中国民航机场工程研究基地开放基金（KFJJ2014JCG09）；中国民航大学研究生科技创新基金项目（10120131202）

张润峰（1979—），男，河北宁晋人，讲师，硕士，研究方向为机场道面结构分析与维护管理.