裝配式水泥路面夾環連接式傳力桿接縫設計及驗證

趙鴻鐸， 涂巧毓， 馬魯寬， 趙舉飛， 鐘 盛

（1. 同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；2. 湖州吳興國有資本投資發展有限公司，浙江 湖州 313000；3. 上海同陸云交通科技有限公司， 上海 201804）

裝配式水泥混凝土路面具有施工速度快、可重復利用和易于拆換維修等優點，被廣泛用于道路修復和建設中[1］。與普通水泥混凝土路面相同，接縫是裝配式水泥混凝土路面的關鍵部位，其傳荷能力直接關系著路面的抗破壞性和耐久性。目前，裝配式水泥混凝土路面的接縫構造常采用普通傳力桿結構，即在預制板中預留傳力桿位置，在面板安裝過程中，將傳力桿置入預留的位置中，再使用修補材料填封空隙。但當裝配式路面板損壞維修時，需要對路面進行過切，即將周圍路面板含傳力桿的部分切除，再通過鉆孔或開槽，移植新的傳力桿[2］。上述過程費時費力，破壞接縫構造，而且還會引起周圍板塊的局部損壞；同時，板塊切割及傳力桿移植對放樣精度及施工誤差控制有較高的要求，否則極易對裝配式路面的施工質量產生影響。

為了避免因接縫帶來的裝配式路面結構的施工和維護問題，同時便于部分結構構件回收利用，可拆卸的接縫構造應運而生[3］。目前，日本使用的可拆裝式接縫主要包括壓縮型接縫[4］和Cotter 連接構件連接的接縫[5］。壓縮型接縫是Fumishige 等在喇叭型接縫的基礎上改進形成的，其通過跨接縫設置的緊固件向接縫部分施加壓縮力來結合裝配式水泥路面板；Cotter 連接構件是將H 型五金（楔形）壓入C型五金內，用螺栓固定H型與C型五金，在螺栓上施加預緊力的結構[5］，只要保證螺栓預緊力，則可保證使用過程中傳遞彎矩和剪力，需要拆除時將螺栓松開即可[6］。此外，美國Fort Miller公司提出了一種可拆裝式傳力桿Super Dowel[7］，與普通傳力桿相比，其為空心傳力桿且直徑更大，端部有螺紋，在使用時通過舍棄表面光滑的空心傳力桿，便可獲得路面板的可拆除性。2016 年，韓國現代工程建設研究開發部先進材料研究組提出了一種新的接縫構造[8］，將傳力桿及周圍混凝土作為整體，通過螺栓實現整體的可拆裝。與上述采用傳力構件進行傳荷的方法不同，荷蘭提出了一種面向未來的鋪面結構ModieSlab[9-10］，其路面板直接放置在4個樁基上，板間不設置傳力桿；與此類似，Guo提出了梁基礎路面結構的概念及其模型結構[11］，其中的梁基礎是由在基層四周設置的梁和中間填充的柔性基層組成，在不設置傳力桿的情況下，冬夏季節接縫傳荷能力非常相近。ModieSlab和梁基礎路面都不需設置傳力構件，因此便于拆裝與快速更換，屬于可拆式的范疇，但其面向修復時施工工藝相對復雜，尚待進一步優化。

基于以上研究，本文提出一種新的可拆裝式接縫—夾環連接式傳力桿接縫[12-13］，在詳細闡述其特征及參數的基礎上，通過有限元方法分析參數對接縫傳荷性能的影響，并探究夾環連接式傳力桿接縫的構件及界面應力變化規律，以明確構造參數取值；同時，通過室內足尺試驗，分析和驗證夾環連接式傳力桿接縫在應用于裝配式水泥混凝土路面時的傳荷性能。研究成果可為夾環連接式傳力桿接縫在裝配式水泥混凝土路面中的應用提供技術支撐，具有一定的工程價值。

1 夾環連接式傳力桿接縫特征與參數

1.1 接縫特征

夾環連接式傳力桿接縫主要包括夾環連接式傳力桿、下開口槽和接縫處開口，分別位于接縫兩側的路面板中，如圖1 所示，其中，夾環連接式傳力桿由一個緊固螺栓、螺母、上下夾環以及兩段桿件組成。

圖1 夾環連接式傳力桿接縫示意圖Fig.1 Schematic diagrams of the joint with clamping ring connected dowel bar

設置夾環連接式傳力桿接縫的方法如下：

（1）板塊裝配前，夾環連接式傳力桿置于預制混凝土板內，且預制混凝土板在接縫處預留開口槽；

（2）裝配時，將兩預制混凝土板的傳力桿對準，扣上夾環，擰緊緊固螺栓，完成傳力桿的連接；

（3）在槽內注漿，之后對板表面的開口進行封蓋及防水處理；

（4）拆卸時，直接通過接縫處開口將緊固螺栓拆卸，夾環將脫落，接縫間的連接解除。

因此，與傳統傳力桿接縫構造相比，夾環連接式傳力桿接縫構造實現了可拆卸功能，并且與Cotter傳力構件接縫構造相比，其結構形式簡單；同時，相比于傳統傳力桿接縫，夾環連接式傳力桿接縫經濟性欠佳，但其具有可重復利用的特點，在一定程度上彌補了其經濟性不足的問題。

1.2 接縫基本參數

根據圖1，夾環連接式傳力桿接縫的基本參數如表1所示。

表1 夾環連接式傳力桿接縫基本參數Tab.1 Basic parameters for the joint with clamping ring connected dowel bar

2 夾環連接式傳力桿接縫參數分析

2.1 有限元模型

采用ABAQUS 軟件構建有限元模型。水泥混凝土路面結構假定為Winkler 彈性地基上的雙層板結構。其中，選擇兩塊路面板作為分析對象，路面板之間設置夾環連接式傳力桿接縫；同時，為保證分析結果的合理性，考慮基層兩側橫向0.75 m超寬。路面結構參數和材料參數如表2所示。

表2 有限元模型中路面結構參數和材料參數Tab.2 Pavement structural parameters and material parameters in the finite element model

對于接縫，夾環連接式傳力桿的間距為0.3m，最外側傳力桿距離路面板側面0.375m；考慮實際情況，夾環連接式傳力桿一端設置為滑動端，另一端設置為固定端，滑動端與固定端交替布設。夾環連接式傳力桿接縫采用實體建模，鋼材的彈性模量取值210GPa，泊松比為0.30；在滑動端，傳力桿與混凝土路面板間采用非連續接觸，切向摩擦系數為0.25，法向接觸為硬接觸；同時，傳力桿部分和下開口槽均采用C3D20R單元，傳力桿凸出連接部分構造較為復雜，采用四面體C3D10單元，螺栓采用2mm網格密度，夾環網格為2.5mm，傳力桿總體網格密度為1cm，圓周上網格均分為20等分。最終，夾環連接式傳力桿的單元劃分如圖2中夾環連接式傳力桿所示。

圖2 夾環連接式傳力桿接縫構造參數分析的有限元模型Fig.2 Finite element model for the analysis of structural parameters of the joint with clamping ring connected dowel bar

在模型中，路面板和基層間采用非連續接觸，切向摩擦系數為5[10］，法向接觸為硬接觸；路面板和基層均采用C3D8I單元；同時，為提高模型的計算速度，路面板和基層的網格平面尺寸為0.3m，厚度方向分為3層，在傳力桿范圍內加密至0.03m。對于模型邊界條件，約束路面板前后側面在行車方向上的水平向位移，約束基層側面在垂直于側面方向上的位移[14-15］。此外，不考慮荷載間的疊加作用，在接縫中部位置處路面板上施加BZZ-100的一個雙輪組荷載，大小為50kN，胎壓為0.7MP，假定輪印為長0.192m，寬0.186m的矩形，雙輪印間距為0.128m。夾環連接式傳力桿接縫構造參數分析有限元模型如圖2所示。

2.2 結果與分析

（1）分析參數及水平

本文參照傳力桿型接縫的設置方法，固定傳力桿長度為30cm，下開口槽深度取20cm；另外，螺栓預緊力大小根據螺栓直徑取值[16］；根據夾環連接式傳力桿接縫的構造特征和基本參數，考慮參數對接縫性能的影響，分析了如表3所展示的9個參數，并給出了參數水平，選取L27（313）正交表設計正交分析試驗。

表3 有限元模型的分析參數及水平Tab.3 Analysis parameters and levels of the finite element model

（2）夾環連接式傳力桿接縫構造參數正交分析

基于正交分析表試驗工況，分別以撓度傳荷系數Et（非受荷板最大彎沉和受荷板最大彎沉之比）和彎沉差Δω（受荷板最大彎沉與非受荷板最大彎沉之差）表征夾環連接式傳力桿接縫的傳荷性能和變形協調性能，利用構建的有限元分析模型計算27種工況；在此基礎上，開展直觀分析及方差分析，結果如圖3和表4所示。

表4 接縫傳荷性能受構造參數影響的方差分析結果Tab.4 Analysis of variance results of the influence of structural parameters on the load transfer capacity of joints

圖3 接縫傳荷性能受構造參數影響的水平均值結果Fig.3 Horizontal mean value results of influence of structural parameters on load transfer capacity of joints

圖4 夾環構件的空間應力分布特征Fig.4 Spatial stress distribution characteristics of clamping ring

由圖3和表4可知，撓度傳荷系數隨著傳力桿直徑、傳力桿桿壁厚度、傳力桿距板底距離、下開口槽模量的增大而增大，增大值在0.5%～1.25%之間；隨下開口槽寬度的增大先減小后不變，減小值為0.4%左右，幾乎不隨其他因素變化。從影響程度上看，傳力桿直徑、傳力桿桿壁厚度、傳力桿距板底距離、下開口槽模量的影響為 “高度顯著影響” ，而其他因素皆無顯著影響，因此可忽略下開口槽寬度的影在分析界面應力的變化規律時，當荷載加載于下開口端（荷載在右）時，選?。合麻_口槽材料的最大豎向壓應力S33min、下開口槽材料的豎向最大拉應力S33max、下開口槽材料最大剪應力S23max、混凝土端界面最大水平拉應力S22max、側面最大豎向拉應力S33max 這5 個指標；當荷載加載于混凝土端（荷載在左）時，選?。夯炷炼私缑孀畲蠹魬23、最大豎向壓應力S33min這2個指標。

圖5 是傳力桿－混凝土/下開口槽界面應力及螺栓預緊力損失均值隨各構造參數的變化情況。從圖5可以看出：

圖5 構造參數對夾環連接式傳力桿接縫構造界面應力的影響Fig.5 Influence of structural parameters on interface stress of the joint with clamping ring connected dowel bar

（1）傳力桿－混凝土界面最大壓應力S33min隨夾環厚度、夾環內斜面坡度變化較小，隨傳力桿直徑、下開口槽寬度的增大而減小，減小值約0.5MPa，受其他因素影響均呈上升趨勢，特別是傳力桿桿壁厚度影響較大，極差約為2.0MPa；

（2）傳力桿－下開口槽材料界面最大壓應力S33min 受夾環構件參數及下開口槽寬度的影響較

此外，從圖5還可以看出，螺栓預緊力的損失值與各因素均相關。螺栓預緊力的損失值隨夾環厚度、傳力桿桿壁厚度、下開口槽高度的增大而減小，受夾環厚度影響最大，減小幅度為7.5MPa；隨螺栓直徑、傳力桿直徑、下開口槽材料模量的增大而增大，螺栓直徑的影響最大，增大幅度為7.5MPa；隨著響。同時，接縫兩端彎沉差隨傳力桿直徑、傳力桿桿壁厚度、傳力桿距離板底的距離、下開口槽模量的增大而減小，其中，下開口槽模量的影響最大，減小值為2μm 左右；幾乎不隨其他因素而變化。從方差分析來看，傳力桿直徑、傳力桿桿壁厚度、傳力桿距離板底的距離、下開口槽模量的影響都為 “高度顯著影響” ，其他因素皆無顯著影響。

（3）夾環連接式傳力桿接縫的構件及界面應力變化規律

圖4是夾環傳力構件在荷載作用下的典型受力圖。圖4可以看出，桿件卡口、夾環的最大主應力在100～130MPa 之間，螺栓所受拉應力在僅有預緊力作用時為240MPa，在荷載和預緊力共同作用時為224MPa，傳力桿構件所受剪應力約為1.35MPa，對鋼材而言該應力遠不及其屈服應力，因此構件的承載能力能滿足路面使用需求。值得注意的是，在螺栓受荷載力后，螺栓會逐漸松動，從而致使螺栓最終失效，因此對預緊力減小值的評估應作為螺栓類構件應力的主要指標，選取的觀測點位于螺栓中部。小，隨傳力桿直徑、下開口槽高度的增大而減小，隨傳力桿桿壁厚度、傳力桿距板底距離、下開口槽材料模量的增大而增大，下開口槽材料模量影響最大，極差約為1.5MPa；

（3）傳力桿－混凝土界面最大剪應力S23max隨傳力桿直徑的增大而略有減小，隨傳力桿桿壁厚度的增大先增大后減小，隨傳力桿距板底距離的增大而增大；

（4）傳力桿－混凝土界面側向最大拉應力S33max、混凝土界面橫向最大拉應力S22max 隨傳力桿距板底距離的增大而減小，減小幅度為1.0～2.0MPa，傳力桿－下開口槽材料界面最大剪應力S23max隨傳力桿距板底距離的增大而小幅增大，三者基本不受其他因素影響；

（5）傳力桿－下開口槽材料界面最大豎向拉應力S33max隨螺栓直徑、傳力桿距板底距離、下開口槽材料模量的增大而增大，隨傳力桿直徑、傳力桿桿壁厚度、下開口槽高度的增大而減小，幅度變化均較小。夾環內斜面坡度的增大先增大后減小，隨傳力桿距板底的距離、下開口槽寬度的增大先減小后增大。

2.3 接縫參數確定

根據上述有限元分析結果，綜合考慮傳荷性能、變形協調性能和受力狀況，最終確定的夾環連接式傳力桿接縫的合理參數如表5所示。

3 夾環連接式傳力桿接縫試驗驗證

為了進一步驗證夾環連接式傳力桿的傳荷性能，在室內鋪設足尺的裝配式水泥混凝土路面板，并通過撓度傳荷系數Et表征接縫傳荷能力。

3.1 足尺試驗方案

（1）裝配式水泥混凝土路面板尺寸及傳力構件布設

足尺路面板的結構，如圖6所示。板塊尺寸為2.5×2.5×0.24m3，使用C40混凝土澆筑。兩板之間接縫預留下開口的傳力桿槽（槽口長25cm、寬10cm、高16cm），在槽口內設置①～⑦共7個傳力桿，相鄰傳力桿間距為0.3m。其中，①～③為夾環連接式傳力桿，直徑為40mm，其余構造參數如表5 所示，緊固螺栓直徑為12mm；④～⑦為普通傳力桿，桿件直徑為40mm，長度與夾環連接式傳力桿相同。

圖6 足尺裝配式路面板結構及尺寸Fig.6 Structure and dimensions of the full-scale precast pavement slab

此外，為了給夾環預留操作空間，在路面板接縫端傳力桿槽位置預留寬10cm，深2.5c m的開口。路面板預制好28d 后，先在一側路面板中安裝傳力構件，并用快凝砂漿填封傳力桿槽（傳力構件位于槽口間位置，豎向位于板塊厚度中間）。待快凝材料形成強度后，在試槽內完成板塊的拼裝，將兩塊路面板放置于平整基層上；調整好板塊的水平、高程位置后，在板底注漿，并填封另一側板塊的傳力桿槽。路面板裝配，如圖7所示。

圖7 路面板裝配施工Fig.7 The construction of pavement slab assembly

（3）接縫傳荷能力測試

使用落錘式彎沉儀（Falling Weight Deflectometer，FWD）對試驗路面板的接縫傳荷能力進行測試。由于場地限制，測試時分別測試②③夾環連接式傳力桿間、⑤⑥普通傳力桿間的接縫傳荷能力。

3.2 試驗結果分析

對②③夾環連接式傳力桿間、⑤⑥普通傳力桿間這兩個測點各進行兩次測試，每次測試進行7 級荷載測試（50kN-50kN-50kN-80kN-80kN-110kN-110kN）。將每次測的數據中第一次測試數據（50kN）及明顯異常數據舍棄；使用除第一次外的數據計算接縫撓度傳荷系數，獲得多個接縫撓度傳荷系數Et。對Et從大到小排序，將序列中下四分之一點記為q1，上四分之一點記為q3，當測試數據Et不滿足q1－1.5(q3－q1)＜Et＜q3+1.5(q3－q1) 時，將數據剔除；將排除異常值后的數據求平均，得到該接縫的平均接縫傳荷系數。測試結果如表6。

表6 FWD荷載作用下接縫傳荷能力測試結果Tab.6 Test results of load transfer capacity of joints under FWD loading

由表6可知，除個別異常值外，測試結果總體正常；排除異常值后，夾環連接式傳力桿的接縫撓度傳荷測試結果為79.0%～99.9%，平均撓度傳荷系數為93.3%，夾環連接式傳力桿個別測試的撓度傳荷系數較低，其對應的當量荷載也較低，可能是由于設備測量誤差引起的；排除異常值后，普通傳力桿的接縫撓度傳荷測試結果為86.6%～99.2%，平均撓度傳荷系數為94.4%。夾環連接式傳力桿在路面板中的傳荷能力略低于普通傳力桿，反映出夾環連接式傳力桿因空心桿件、接縫處留有開口，傳荷能力有所下降；總體而言，本文提出的夾環連接式傳力桿接縫的傳荷能力與普通傳力桿接縫類似，能夠承擔接縫間的荷載傳遞，是一種較為有效的接縫傳力構件。

4 結論

（1）夾環連接式傳力桿接縫的撓度傳荷系數隨著傳力桿直徑、傳力桿桿壁厚度、傳力桿距板底距離、下開口槽模量的增大而增大，隨下開口槽寬度的增大先減小后不變，幾乎不受其他因素影響。

（2）夾環連接式傳力桿接縫的接縫兩端彎沉差隨傳力桿直徑、傳力桿桿壁厚度、傳力桿距離板底的距離、下開口槽模量的增大而減小，其中下開口槽模量的影響最大，幾乎受其他因素影響。

（3）數值分析表明，夾環連接式傳力桿接縫的構件承載能力能滿足路面使用性能需求，同時基于下開口槽、傳力桿、夾環構件等構造參數對傳力桿－混凝土和傳力桿－下開口槽界面應力的響應分析，明確了其合理構造參數。

（4）足尺試驗表明，夾環連接式傳力桿接縫的傳荷能力略低于普通傳力桿接縫，但總體能滿足路面接縫傳荷性能需求，且拆卸拼裝便捷，是一種較為有效的接縫傳力構件。

本文僅對夾環連接式傳力桿接縫傳荷能力的短期性能開展了試驗分析，后續建議開展室內和現場長期性能試驗，以探究夾環連接式傳力桿接縫的耐久性，從而推動其工程應用。

作者貢獻聲明：

趙鴻鐸：論文審定，論文整體結構與研究方法指導；

涂巧毓：論文撰寫，文獻調研以及圖表繪制；

馬魯寬：研究思路和技術指導；

趙舉飛：有限元建模與參數分析；

鐘 盛：文獻調研與有限元建模。