基于温度场的长公路隧道内水泥混凝土路面横缝间距的确定

2012-10-13史小丽王选仓

河北工业大学学报 2012年1期

史小丽，王选仓

（长安大学公路学院，陕西西安 710064）

公路隧道设计规范[1]（JTGD70-2004）规定隧道路面结构设计应符合现行《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40）的有关规定，但实际上隧道内外路面工作环境有很大差异[2-8].文献 [9]针对位于我国河北省某地隧道所处的工作环境，采用有限元理论对长、短两座隧道内的空气温度分布状况进行预估，认为：短隧道内空气温度受洞外一年四季温度变化的影响较大，表现出与隧道外温度变化相同的规律，短隧道内路面结构温度、变温速率和温度梯度随深度增加均出现变化幅度减小、变化相位滞后的现象；长隧道内空气温度基本不受洞外温度的影响（进口部分除外），洞内设风机处空气温度出现规律性的变化，长隧道内路面结构温度随深度逐渐减小，一天中变温速率和温度梯度无明显变化.据此，笔者提出长隧道中距洞口73m以内，水泥混凝土面层横向接缝的间距仍按照《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40-2002）的规定进行设计，即采用4～6m的横缝间距；在进入隧道73m后，其水泥混凝土路面的横向接缝间距可突破规范规定，增大一倍，本文对此进行分析验证.

1 计算模型与参数选择

1.1 路面结构模型

分析的隧道路面结构采用三层式结构，分别是水泥混凝土面层、贫混凝土或半刚性基层和基岩，如图1所示.取足够尺寸的长方体进行模拟分析，各层均为线弹性材料，考虑层间接触状态为完全光滑，设置的边界条件为：基岩底面固定，左右两面没有X方向位移，前后两面没有Y方向位移，面层表面为自由面.有限元分析模型图如图2所示.

1.2 计算参数

基岩厚度固定为5m，泊松比为0.25，基岩模量分别取500MPa、2 000MPa、5 000MPa和15 000Mpa；基层厚度变化范围12～20 cm，分别取12 cm、15 cm、18 cm和20 cm，泊松比为0.20，基层模量分分别取500MPa、1 000MPa、5 000MPa和15 000MPa；面层板厚度变化范围为20～30 cm，分别取20 cm、22 cm、26 cm和30 cm，泊松比为0.15，面层模量为30 000MPa；面层板平面尺寸考虑增大横向缩缝间距的情况，分别取4m×4m、4m×8m、4m×12m和4m×16m；计算中轴载涵盖普通轴载至重载的4种情况，分别取单轴双轮组荷载100 kN、160 kN、200 kN和240 kN，轴载作用于水泥混凝土板纵向接缝边缘中部.

图1 隧道水泥混凝土路面结构Fig.1 Cementconcretepavement structure inside tunnel

2 计算结果与分析

2.1 不同横缝间距下水泥混凝土面层荷载应力位移分析

2.1.1 面层板不同厚度的影响分析

为讨论面层板不同厚度对荷载应力的影响，固定基层厚度和模量分别为15 cm和15 000 MPa，基岩厚度和模量分别为5m和15 000MPa，轴载160 kN，计算结果见图3所示.

从图3a)可以看出：1）当水泥混凝土面层板厚度在20～26 cm时，随着面板长度的增加面层板底弯拉应力呈现增大的趋势，但增加的幅度不大，最大增幅仅为1.36%；板厚度位于22～26 cm之间时，板底弯拉应力值较接近，增加板长对其值影响不大；2）当水泥混凝土面层板厚度达到30 cm时，面层板底弯拉应力随板长增加呈现下降趋势，由4m板长时0.576MPa下降到16m板长时的0.573MPa，可见增加面层板厚度对减少板底弯拉应力是有效的.

图3b)表明：1）水泥混凝土面层板厚度一定时，随板长增加板表面弯沉逐渐增大，增加的幅度也基本相同；2）随着板厚度增加，面层板纵向位移都会减小，并且各板长时减小的速度基本相同；这说明，通过增加板的厚度可以有效降低由板长增加所引起的面板表面过大的弯沉.

2.1.2 不同轴载的影响分析

固定面板厚度为26 cm，基层厚度和模量分别为15 cm和15 000 MPa，基岩厚度和模量分别为5 m和15 000MPa，分析不同轴载对面层板底最大弯拉应力和纵向位移的影响，结果如图4所示.

图4a)表明：1）在同一板长下，随着轴载增加，面层板底最大弯拉应力呈现增加现象；2）当轴载固定时，随板长由4m增加到12m面层板底最大弯拉应力变化量非常小，仅增加0.03MPa.这说明，从普通轴载到重载情况下，增加板长对面层板底最大弯拉应力影响可以忽略.

图4b)所反映的同种情况下板表面纵向位移图则显示：当板长由4 m增加到16 m时板表面纵向位移增加值是当板长由4m增加到12m时板表面纵向位移增加值的2倍，说明板长增加的幅度不宜过大.

2.1.3 不同基层厚度的影响分析

固定面层板厚度26 cm、基层模量15 000MPa、基岩模量15 000MPa、轴载160 kN，分析不同基层厚度对板底最大弯拉应力和纵向位移的影响，如图5所示.

图5 基层厚度不同时面层板底最大弯拉应力位移曲线Fig.5 Themaximum tensile stressand displacementcurveon surfacebottom in different thicknessof base

可以看出：1）对面层板底最大弯拉应力来说，面板长度由4 m增加到8 m过程中，应力增幅最小，面板长度由8m增加到12m过程中应力增幅最大；2）不同基层厚度的应力曲线非常接近，说明基层厚度对面层板底最大弯拉应力的影响很小；3）对面层板纵向位移而言，水泥混凝土板长由4m变化到16m的过程中，竖向位移呈线性增大.

2.1.4 不同基层模量的影响分析

为分析基层模量对面板荷载应力的影响，固定面层板厚26 cm，基层厚15 cm，基岩模量15 000MPa，轴载为160kN不变，分析结果如图6所示.

可以看出：1）当基层模量位于500～1 000MPa之间时，随板长的增加，水泥混凝土面层板底最大弯拉应力呈增大现象，并且基层模量越小弯拉应力增加幅度越大；2）当基层模量增加到5 000～15 000MPa时，水泥混凝土面层板底最大弯拉应力随板长增加的变化幅度不大，说明隧道内设置贫混凝土基层和刚性基层是较有利的；3）变化基层模量时，面层板竖向位移表现出与弯拉应力相似的变化规律.

2.1.5 不同基岩模量的影响分析

隧道路面路基一般由岩石构成，其模量相应也较高，为系统研究增加隧道内水泥混凝土路面板长的可行性，分析基岩模量变化对面层板底最大弯拉应力位移的影响，结果如图7所示，其中固定面板厚度26 cm，基层厚度和模量分别为15 cm和15 000MPa，基岩厚度5m，轴载为160 kN.

由图7可以看出：1）当基岩模量较小时（小于等于500MPa），随面层板长的增加层底最大弯拉应力增加明显，板长由4m增加到8m过程中增加的应力值是板长由4m增加到12m过程中应力增加值的2倍；2）当基岩模量大于2000MPa时，随面层板长增加其层底最大弯拉应力变化幅度较小，说明如果隧道内基岩模量较大则对其中路面结构设计是非常有利的；3）虽然随基岩模量的增加，面层板底最大弯拉应力呈增大趋势，但增加幅度并不大；4）基岩模量越小时，板表面弯沉越大，如当板长为8 m时，基岩模量为500 MPa时的表面弯沉是基岩模量为15 000 MPa时表面弯沉值的5.5倍；5）基岩模量越大，板长增加对表面弯沉的影响越小.

2.2 不同横缝间距下水泥混凝土面层温度应力分析

水泥混凝土面层板温度应力分析时，考虑以下计算参数：混凝土线膨胀系数为1×10-5／℃，导热系数为1.28W/m℃，板顶与板底的温度差为20℃，板长取8m，面板厚度26 cm，基层厚度15 cm，基层模量为15 000MPa，基岩模量为15 000MPa.计算结果如图8所示.

图8表明：在同一基层模量下，水泥混凝土板的温度应力随板厚增加呈现增大趋势，当板厚为22～26 cm时温度应力增加的辐度较大，增加了约23%；不同水泥混凝土板长的温度应力变化不大，以26 cm板厚为例，当板长由4 m增加到16 m时，面层板温度应力由0.543 3MPa变化为0.547 3MPa，增加了0.004MPa，增加幅度为0.74%.可见，水泥混凝土板长变化对水泥混凝土板的温度应力影响较小.