鎬頭機(jī)拆除工況下機(jī)場水泥道面的力學(xué)行為

1、鎬頭機(jī)拆除工況下機(jī)場水泥道面的力學(xué)行為袁 捷1，杜 浩1，凌建明1，朱 劍2（1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室, 上海 200092；2.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院，江蘇 南京 210005）摘要：以ABAQUS作為分析平臺，建立了考慮接縫傳荷以及層間接觸效應(yīng)的雙板有限元分析模型，可用于模擬鎬頭機(jī)拆除工況下水泥道面的力學(xué)行為。針對機(jī)場典型拆除工藝參數(shù)及道面結(jié)構(gòu)參數(shù)，系統(tǒng)分析了鎬頭機(jī)拆除工況下拆除板和周邊保留板的變形、拉應(yīng)力以及層間剪應(yīng)力的分布特征，揭示了鎬頭機(jī)拆除工況下周邊保留板發(fā)生破壞的力學(xué)機(jī)理。分析了面層厚度、接縫傳荷能力等參數(shù)對拆除時道面力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律，提出了鎬頭機(jī)拆除施工應(yīng)注

2、意的問題。關(guān)鍵詞：水泥道面；道面拆除；力學(xué)行為；有限元中圖分類號：U416.216 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：AStudy of Mechanical Behaviors of Airfield PCC Slabs In Process of Breaking With Pickaxe MachineYUAN Jie1, DU Hao1, LING Jianming1, ZHANG Hao1, ZHU Jian2(1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University,

3、Shanghai 200092,China; 2.Traffic Planning and Design Institute of Jiangsu Province, Nanjing Jiangsu 210005)Abstract：Based on FEM software ABAQUS, a two-slab analysis model considering joint load transfer and interlayer contact condition is established, in which the model dimension, displacement boun

4、dary, load model, material model, joint load transfer are simplified. The Model can be used to study the mechanical behaviour of PCC pavement in process of breaking with pickaxe machine. Both deformation and tensile stress and interface shear stress of removal slab and reserved slab are calculated f

5、or typical breaking process parameter and pavement structure, the mechanism for destruction of reserved slab is also proposed.Key Words：PCC pavement; slab removing; mechanical behavior; finite element method機(jī)場水泥道面局部翻建時將面臨既有道面拆除問題，目前一般采用鎬頭機(jī)方式。由于鎬頭機(jī)工作時，不可避免地會對周邊保留區(qū)域的道面和基礎(chǔ)造成擾動，常出現(xiàn)“修好一塊，壞了一片”的工程現(xiàn)象。究其原因，

6、主要是對鎬頭機(jī)拆除工況下水泥道面的力學(xué)行為缺乏理論研究，進(jìn)而無法合理地選擇諸如鎬頭機(jī)沖擊能量、沖點位置、釬桿直徑等工藝參數(shù)。鎬頭機(jī)破碎錘由錘體、釬桿和機(jī)架三部分組成，以液壓為動力源，直接或間接驅(qū)動活塞往復(fù)運(yùn)動，靠活塞沖程時的動能沖擊釬桿，從而對混凝土產(chǎn)生破碎作用。在鎬頭機(jī)沖擊荷載作用下，水泥道面在很短時間內(nèi)產(chǎn)生貫穿裂縫并破碎成小塊，由于水泥道面板之間的接縫傳荷以及基層傳荷作用，周邊保留板也將對沖擊荷載產(chǎn)生力學(xué)響應(yīng)。基于此，筆者采用三維有限元方法分析了鎬頭機(jī)拆除工況下道面破除板和保留板的力學(xué)行為，可為完善水泥道面拆除工藝提供重要的理論參考依據(jù)。1 鎬頭機(jī)拆除工況的數(shù)值分析模型1.1模型尺寸和邊界

7、條件收稿日期：第一作者:袁 捷（1971- ），男，副教授，工學(xué)博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為機(jī)場場道工程，E-mail: yuanjie通訊作者：凌建明（1966- ），男，教授，工學(xué)博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為路基路面及機(jī)場工程，E-mail：jmling分析模型為2塊水泥板放置在一定厚度基層上的雙板模型。單塊板尺寸為5m×5m×0.4m；基層厚度30cm，長寬與面層相同；墊層和土基簡化為Winkler地基。面層和基層施加側(cè)面的法向約束，考慮層間接觸，參考相關(guān)文獻(xiàn)12 3將摩擦系數(shù)取為1.5。有限元實體模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。采用在接縫兩側(cè)對應(yīng)結(jié)點設(shè)置彈簧單元的

8、方法模擬接縫的剪力傳遞作用4，總的接縫剛度q 按Friberg方法5進(jìn)行計算，并根據(jù)Hammons提出的結(jié)點“貢獻(xiàn)面積”方法6進(jìn)行接縫剛度分配，彈簧單元設(shè)置如圖2所示，計算結(jié)果：板角彈簧剛度KC 為25.165 MN/m2，板邊彈簧剛度KE 為50.33 MN/m2，板中彈簧剛度KI 為100.66 MN/m2。 圖1 有限元實體模型及網(wǎng)格劃分 圖2 接縫傳荷模型中的結(jié)點布置Fig.1. Finite element analysis model and mesh Fig.2. location of nodes in load transfer model of joint1.2材料參數(shù)假設(shè)

9、面層水泥混凝土及基層（如水泥穩(wěn)定碎石）均為均勻、連續(xù)、各向同性的線彈性材料材料，相應(yīng)的表征參數(shù)為彈性模量E和泊松比，其取值見表1。表1材料模型參數(shù)取值Table 1.material parameters of model道面結(jié)構(gòu)層厚度材料參數(shù)取值面層40 cm彈性模量/MPa37000泊松比0.15基層30 cm彈性模量/MPa1500泊松比0.25墊層及土基-地基反應(yīng)模量/MN·m-3501.3荷載圖示鎬頭機(jī)作用在水泥道面上的荷載是一隨時間、沖錘速度、釬頭侵入混凝土位移等因素影響的動力荷載，且具有明顯的沖擊荷載特點，釬頭與混凝土之間的沖擊荷載可簡化為半波正弦曲線，荷載作用在板邊中

10、部，邊緣距接縫30cm（圖3、圖4）。圖3 釬桿簡諧振動示意 圖4 荷載作用位置Fig.3. Simple harmonic motion of drill rod Fig.4. Load position由于動力分析不僅過程復(fù)雜、繁瑣，而且材料參數(shù)取值方面尚存在較大爭議。對于位置固定的荷載，由動載產(chǎn)生的應(yīng)力一般均略小于靜載情況，但差異不大。因此實際研究中往往采用等效靜力簡化的手段78。本模型將鎬頭機(jī)的沖擊荷載簡化為靜止的恒定荷載，靜荷載大小可通過沖量定理確定：式中：F 沖擊作用力； m 釬桿質(zhì)量； v0、vt 釬桿的初速度和末速度； t 沖擊作用時間。取1/4周期進(jìn)行計算（t=1/4T），則

11、vt =0，初速度v0的取值范圍根據(jù)相關(guān)研究成果910一般812 m/s，模型中釬桿沖擊速度v0取為10 m/s。鎬頭機(jī)破碎時釬頭與混凝土的接觸面簡化為等面積的矩形，接觸壓力在接觸面積內(nèi)均勻分布。根據(jù)搞頭機(jī)沖擊能量的不同，模型中小型、中型和大型鎬頭機(jī)的荷載參數(shù)見表2。表2 鎬頭機(jī)荷載參數(shù)Table 2. Load parameters of breaking hammer 參數(shù)小型破碎錘中型破碎錘大型破碎錘釬桿直徑/mm60120180沖擊頻率/Hz900660450錘體重量/kg2006001000釬桿質(zhì)量m/kg1550120荷載作用周期T/s1.111×10-31.515

12、15;10-32.222×10-3t=1/4T /s2.78×10-43.79×10-45.56×10-4沖擊荷載峰值F/kN540.01319.32158.3荷載作用面積A/mm22827.4311309.7325446.90均布荷載集度p/MPa191.0116.784.82 不同工況下道面力學(xué)響應(yīng)分析2.1 道面豎向變形分布特征分別采用表1中小型、中型和大型液壓破碎錘的荷載參數(shù)（下同），計算了鎬頭機(jī)作用下道面的變形分布，拆除板和保留板的道面頂面的Uz等值線圖見圖5。 （1）小型液壓破碎錘荷載 （2）中型液壓破碎錘荷載（3）大型液壓破碎錘荷載圖5 道

13、面板頂面豎向位移Uz等值線圖（單位：mm）Fig.5. Contour map of vertical displacement on top surface of PCC slab（in mm）可見，拆除板和保留板均存在縱橫彎曲現(xiàn)象，隨著鎬頭機(jī)沖擊能量的增大，板塊彎曲現(xiàn)象越明顯。拆除板向下位移最大值出現(xiàn)在荷載作用處，不同鎬頭機(jī)作用下分別為1.30mm、2.93mm和4.78mm；保留板最大向下位移出現(xiàn)在板邊，分別為1.06mm、2.48mm和3.86mm；向上位移的最大值出現(xiàn)在保留板的板角，分別為0.45mm、0.98mm和1.46mm。鎬頭機(jī)沖擊道面時，保留板產(chǎn)生翹曲，進(jìn)而和基層之間形成局

14、部脫空，改變了層間接觸狀態(tài)。2.2拆除板應(yīng)力分布特征分別計算了鎬頭機(jī)作用下拆除板拉應(yīng)力分布，底面拉應(yīng)力拉等值線圖如圖6所示。 （1）小型液壓破碎錘荷載 （2）中型液壓破碎錘荷載 （3）大型液壓破碎錘荷載圖6 拆除板底面拉應(yīng)力拉等值線圖（單位：MPa）Fig.6. Contour map of tensile stress 拉 on bottom surface of removal slab (in MPa)結(jié)果表明拆除板的最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在板底，不同鎬頭機(jī)作用下的最大拉應(yīng)力分別為4.2 MPa、9.5 MPa和15.3 MPa，且以橫向力為主（產(chǎn)生縱縫）。機(jī)場水泥混凝土的設(shè)計彎拉強(qiáng)度一般為5

15、.0 MPa左右，實際可達(dá)到89 MPa，可見采用小型鎬頭機(jī)進(jìn)行道面拆除效果不佳（與實際情況一致）；而中型和大型鎬頭機(jī)則可輕易將板塊拆除。2.3 保留板應(yīng)力分布特征分別計算了鎬頭機(jī)作用下保留板的應(yīng)力分布。結(jié)果表明保留板的頂面都為拉應(yīng)力區(qū)，底面也有一部分拉應(yīng)力區(qū)，保留板底面和頂面的拉應(yīng)力拉等值線圖分別如圖7和圖8所示。 （1）小型液壓破碎錘荷載 （2）中型液壓破碎錘荷載 （3）大型液壓破碎錘荷載圖7 保留板底面拉應(yīng)力拉等值線圖（單位：MPa）Fig.7. Contour map of tensile stress 拉on bottom surface of reserved slab (in M

16、Pa) （1）小型液壓破碎錘荷載 （2）中型液壓破碎錘荷載 （3）大型液壓破碎錘荷載圖8 保留板頂面拉應(yīng)力拉等值線圖（單位：MPa）Fig.8. Contour map of tensile stress 拉on top surface of reserved slab (in MPa)可見，保留板拉應(yīng)力的最大值均出現(xiàn)在板底，不同鎬頭機(jī)作用下板底最大拉應(yīng)力分別為1.1 MPa、2.4 MPa和3.3 MPa，而板頂?shù)淖畲罄瓚?yīng)力分別為0.7 MPa、1.7 MPa和2.7 MPa。隨著鎬頭機(jī)沖擊能量的增大，保留板將承受較大的拉應(yīng)力水平，這一水平的應(yīng)力雖然不至于直接破壞保留板，但是有可能在保留板內(nèi)

17、部（特別是板底）形成損傷。為了減少鎬頭機(jī)拆除時對于保留板的損傷，不能僅考慮拆除效率而使用很大的沖擊能量，特別是第一次沖擊時，應(yīng)在保證拆除效率的前提下，應(yīng)盡可能選擇沖擊能量較小的液壓破碎錘進(jìn)行施工。2.4 層間剪應(yīng)力分布特征分別計算了鎬頭機(jī)作用下道面板及基層的層間剪應(yīng)力分布，層間剪應(yīng)力等值線圖如圖9所示。不同鎬頭機(jī)作用下拆除板與基層的層間剪應(yīng)力最大值分別為0.7 MPa、1.7 MPa和2.7 MPa；保留板與基層的層間剪應(yīng)力最大值分別為0.4 MPa、0.9 MPa和1.4 MPa。 （1）小型液壓破碎錘荷載 （2）中型液壓破碎錘荷載（3）大型液壓破碎錘荷載圖9 道面板與基層的層間剪應(yīng)力等值線

18、圖（單位：MPa）Fig.9. Contour map of interface shear stress between PCC slab and subbase (in MPa)當(dāng)半剛性基層與水泥板結(jié)合良好時，層間粘結(jié)強(qiáng)度一般在1.02.0 MPa之間11。因此，當(dāng)使用中型或大型液壓破碎錘拆除時，拆除板不僅由于板底拉應(yīng)力而破碎，且與基層的層間剪應(yīng)力也較大，會造成水泥板與基層的局部脫離，提高了鎬頭機(jī)拆除作業(yè)效率（與實際情況一致）。然而，鎬頭機(jī)的沖擊能量過大，也會造成保留板與基層的層間剪應(yīng)力較大，尤其當(dāng)水泥板與基層的結(jié)合較弱時，容易引起保留板與基層的局部脫離，影響保留區(qū)域道面結(jié)構(gòu)的荷載響應(yīng)，進(jìn)

19、而影響到道面的使用性能和壽命。3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對道面拆除時力學(xué)響應(yīng)的影響3.1 面層厚度選取20cm、24cm、28cm、32cm、36cm、40cm和44cm七種厚度的水泥板，分析面層厚度對鎬頭機(jī)作用下道面力學(xué)響應(yīng)的影響，計算中其他道面結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，荷載選用中型液壓破壞錘。（下同）計算結(jié)果如圖10所示。a）拆除板底面最大拉應(yīng)力 b）保留板最大拉應(yīng)力 c）層間剪應(yīng)力圖10 面層厚度對道面力學(xué)響應(yīng)的影響Fig.10. Effect of thickness on pavement mechanical response 從圖10可以看出，面層厚度對拆除板、保留板及基層的力學(xué)響應(yīng)影響非常顯著。隨著面層

20、厚度的增大，道面板的應(yīng)力明顯降低。面層厚度為44cm時，拆除板的底面最大拉應(yīng)力也有8.0MPa，機(jī)場水泥混凝土面層的最大厚度一般不超過44cm，故采用中型液壓破碎錘已能破碎各種厚度的水泥板。當(dāng)面層厚度小于30cm時，保留板的底面拉應(yīng)力峰值超過5.0MPa，與基層的層間剪應(yīng)力峰值也能達(dá)到2.0MPa，極易引起保留板的破壞，因此若不采取相關(guān)保護(hù)措施，中型液壓破碎錘不適合拆除厚度30cm以下的水泥混凝土道面。3.2 接縫傳荷剛度調(diào)整接縫傳荷剛度q為基礎(chǔ)模型的1/4、1/2、1、2和4倍（即251.65MN/m2、503.3MN/m2、1006.6MN/m2、2013.2MN/m2和4026.4MN/

21、m2），荷載參數(shù)和其他道面結(jié)構(gòu)參數(shù)均保持不變，分析接縫傳荷剛度對鎬頭機(jī)作用下道面力學(xué)響應(yīng)的影響，計算結(jié)果如圖11所示。a）拆除板底面最大拉應(yīng)力 b）保留板最大拉應(yīng)力 c）層間剪應(yīng)力圖11 接縫傳荷能力對道面力學(xué)響應(yīng)的影響Fig.11. Effect of load transfer on pavement mechanical response 可見，接縫剛度增大不利于拆除板的破碎，但影響較小，拆除板的底面拉應(yīng)力變化幅度在0.8Mpa（10%）以內(nèi)。而保留板的底面拉應(yīng)力峰值增加了1.2MPa，增長幅度超過70%。因此，實際施工時宜通過切縫或鋸斷傳力桿（或拉桿）等手段來減弱道面的接縫傳荷能力，以

22、減小對保留道面的影響。3.3 基層厚度及地基強(qiáng)度選取15cm、20cm、25cm、30cm、35cm和40cm六種基層厚度以及 30MN/m3、50MN/m3和70MN/m3三種地基反應(yīng)模量進(jìn)行分析（圖12、圖13），可見隨著基層厚度和地基強(qiáng)度的增加，拆除板及保留板的最大拉應(yīng)力均略有降低，幅度不超過10%，因此可認(rèn)為基層厚度與地基強(qiáng)度對道面拆除時力學(xué)響應(yīng)的影響基本可以忽略。a）拆除板底面最大拉應(yīng)力 b）保留板最大拉應(yīng)力 c）層間剪應(yīng)力圖12 基層厚度對道面力學(xué)響應(yīng)的影響Fig.12. Effect of base thickness on pavement mechanical respons

23、e a）拆除板底面最大拉應(yīng)力 b）保留板最大拉應(yīng)力 c）層間剪應(yīng)力圖13 地基強(qiáng)度對力學(xué)響應(yīng)的影響Fig.13. Effect of foundation strength on pavement mechanical response4 結(jié) 語1）以ABAQUS作為分析平臺，通過對模型尺寸、位移邊界條件、層間接觸條件、荷載模型、材料模型、接縫傳荷模型等進(jìn)行合理簡化，建立了考慮接縫和基層傳荷效應(yīng)的雙板有限元分析模型，可用于模擬鎬頭機(jī)拆除工況下水泥道面的力學(xué)行為。2）鎬頭機(jī)用于拆除道面板時其相鄰板的力學(xué)響應(yīng)與鎬頭機(jī)的沖擊能量大小呈正相關(guān)，表現(xiàn)為板角存在一定程度的翹曲位移，宜造成保留板與基層之間出

24、現(xiàn)局部脫空問題。保留板的應(yīng)力響應(yīng)水平雖不至于直接破壞道面，但有可能形成損傷，因此，不能僅考慮拆除效率而使用很大的沖擊能量。3）分析表明面層厚度對鎬頭機(jī)作用下道面力學(xué)響應(yīng)的影響很大，拆除施工前應(yīng)首先調(diào)查清楚面層水泥板的厚度，根據(jù)面層厚度選擇合適的鎬頭機(jī)。面層厚度小于30cm時，應(yīng)選擇小型液壓破碎錘；面層厚度大于30cm時，選用中型液壓破碎錘即可，一般情況下不應(yīng)使用大型液壓破碎錘。4）減小接縫傳荷能力對拆除板的影響較小，但有利于保留板的受力。切縫劃定拆除邊界時應(yīng)有足夠的深度，以切斷傳力桿或拉桿，減小鎬頭機(jī)對保留板塊的擾動。參考文獻(xiàn)：【1】 Rufino D, Roesler J. Effect o

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