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上海寶馬展丨鴻益機(jī)械誠(chéng)邀您蒞臨參觀E7.100
引言
瀝青路面裝配式基層,是使用具有嵌擠結(jié)構(gòu)的水泥混凝土預(yù)制塊 在施工現(xiàn)場(chǎng)組裝、并在接縫中填充灌漿料形成的結(jié)構(gòu),其上面加鋪瀝青面層后即構(gòu)成“白加黑”的復(fù)合式路面(見(jiàn)圖1)。這種瀝青路面裝配式基層適應(yīng)于市政道路、應(yīng)急搶修道路、公路、港口場(chǎng)站道路工程。該項(xiàng)技術(shù)由長(zhǎng)春市市政工程設(shè)計(jì)研究院開(kāi)發(fā),于2013年開(kāi)始工程試驗(yàn)應(yīng)用,2015年通過(guò)了吉林省科技廳主持的科技成果鑒定;2020年下半年完成了 CECS《瀝青路面裝配式基層技術(shù)規(guī)程)起草工作。初步統(tǒng)計(jì),截止到2020年底,該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在長(zhǎng)春市沈陽(yáng)市、吉林市和哈爾濱市,采用瀝青路面裝配式基層的道路竣工面積達(dá)70萬(wàn)平方米(塊),獲得工期短、強(qiáng)度高、質(zhì)量好、環(huán)境優(yōu),可利用建筑回收材料,全壽命周期建設(shè)及維護(hù)費(fèi)用低的積極效果。
隨著該項(xiàng)技術(shù)工程推廣應(yīng)用量的擴(kuò)大,為更準(zhǔn)確地歸納裝配式基層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及開(kāi)發(fā)新塊型的需要，確定其結(jié)構(gòu)類型，進(jìn)而從結(jié)構(gòu)原理的角度解釋裝配式基層的工作性狀，就顯得十分必要和急迫。雖然目前尚不能通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)清楚描述出這種三維嵌擠裝配式基層的結(jié)構(gòu)類型,但由于預(yù)制混凝土基塊的原型是燕尾隼,因此,其結(jié)構(gòu)類型一定與現(xiàn)有某種結(jié)構(gòu)相同、或至少是相似。基于此,有必要開(kāi)始關(guān)于三維嵌擠裝配式基層結(jié)構(gòu)類型的探索。
1 裝配式基層
用于裝配式基層鋪裝的預(yù)制素混凝土大塊可簡(jiǎn)稱為基塊。基塊的原理模型是由榫卯平面的二維嵌擠演變?yōu)槿S嵌擠的結(jié)構(gòu),具體改變方法是由兩個(gè)燕尾榫以小端對(duì)接,旋轉(zhuǎn)其中一個(gè)燕尾榫,并使上下燕尾榫成90度,再相貫疊合成一體,再以組合后的燕尾榫上下矩形端面的四框?yàn)橄嘭灳€,填補(bǔ)空缺面構(gòu)成的六面體結(jié)構(gòu)。基塊的六面體外形由平行的頂面和底面、以及四個(gè)側(cè)斜面組成,其中頂面及底面為矩形,四個(gè)側(cè)面由陽(yáng)斜面的倒梯形、與陰斜面的正梯形,相互間隔組成(見(jiàn)圖2、圖3)。當(dāng)對(duì)基層施加垂直荷載時(shí)，基塊以兩 頂 側(cè)視圖 個(gè)陽(yáng)斜面作為荷載輸應(yīng) 主視圖入端，以兩個(gè)陰斜面?zhèn)髯鳛楹奢d輸出端，輸入端與輸出端間隔分布，在平面相互呈直角(見(jiàn)圖2d、圖3)。
基塊按側(cè)面輸出 端陰斜面，疊壓在輸 入端陽(yáng)斜面的規(guī)則裝配鋪設(shè)。觀察基塊的裝配式接觸平面，可見(jiàn)由矩形圖案橫豎交替排列組成的矩陣，在矩陣相鄰行(列)之間的接縫處形成凸凹交替的形狀在矩陣行與列交叉處的四個(gè)相鄰基塊之間有方形孔。矩陣行與列的斷面圖中,基塊均以正梯形和倒梯形間隔排列。因此，同一個(gè)基塊在A-A斷面是倒梯形與兩側(cè)基塊的陰斜面接觸;B-B斷面則是正梯形與兩側(cè)基塊的陽(yáng)斜面接觸(見(jiàn)圖4斷面圖中心的一個(gè)基塊)。在圖4的斷面圖中,任意一個(gè)基塊與兩側(cè)基塊組成三連塊榫卯嵌擠關(guān)系,行與列方向的三聯(lián)塊在平面相互交叉呈直角。位于交叉點(diǎn)的基塊,在垂直面由基塊的陽(yáng)斜面和陰斜面,形成相反的嵌擠關(guān)系，而構(gòu)成垂直方向的互鎖效應(yīng)(見(jiàn)圖4)。由于基塊的鋪裝面結(jié)構(gòu)在垂直方向具有對(duì)稱性，即使翻轉(zhuǎn)鋪裝面,基塊之間的嵌擠關(guān)系不發(fā)生改變。
當(dāng)來(lái)自路面的垂直荷載作用在矩陣面的某基塊頂面時(shí)，產(chǎn)生的壓應(yīng)力除傳導(dǎo)向下至路基上外，部分應(yīng)力還會(huì)從受荷基塊的兩個(gè)陰斜面(輸出端),擴(kuò)散傳遞到兩側(cè)相鄰基塊的陽(yáng)斜面(輸人端);并分別經(jīng)受荷基塊的兩個(gè)陰斜面再次分散輸出。路面壓應(yīng)力可利用基塊斜面?zhèn)鬟f，每傳遞一次分為一級(jí)，各級(jí)傳遞路徑的方向相差90度。在圖5中,用字母A、B、C、 D、E表示各級(jí)傳遞順序,箭頭代表傳遞方向。每一級(jí)傳遞過(guò)程中,基塊都由一個(gè)輸入路徑,分離出2個(gè)輸出路徑;應(yīng)力傳遞路徑圖形如“T”字,其中“T”字筆畫的“豎”是輸入路徑,向左右延伸的“橫”是兩個(gè)輸出路徑，每個(gè)輸出路徑都沿各自所處方形孔的邊緣環(huán)繞形成一個(gè)個(gè)閉合環(huán)路。基塊按側(cè)面輸出端陰斜面疊壓輸入端陽(yáng)斜面的規(guī)則裝配，由于一個(gè)基塊有兩個(gè)對(duì)稱分布的陰斜面，因此應(yīng)力沿著方形孔形成的閉合環(huán)繞路徑，在矩陣圖中呈現(xiàn)出順時(shí)針與逆時(shí)針交替分布樣式(見(jiàn)圖4)。應(yīng)力傳遞路徑具有分級(jí)擴(kuò)散和閉合環(huán)繞兩個(gè)特征:分級(jí)擴(kuò)散使應(yīng)力最終達(dá)到每個(gè)基塊,覆蓋基層全面積;閉合環(huán)繞能使基塊之間建立起應(yīng)變的協(xié)調(diào)關(guān)系。
基塊的受力結(jié)構(gòu)特征，是輸人與輸出端在側(cè)面間隔分布。基塊的鋪裝特征，是以基塊陰斜面與陽(yáng)斜面相互疊壓裝配成平面，在鋪裝面相鄰的兩行與兩列交叉處形成多個(gè)方形口。基塊鋪裝面的荷載傳遞特征，是荷載以“T”形路徑分級(jí)擴(kuò)散覆蓋基層全面積，并在方形口周圍形成閉合環(huán)繞路徑。基塊鋪裝的斷面特征，是任意三個(gè)相連的基塊組成榫卯嵌擠關(guān)系，在行與列三連塊交叉點(diǎn)的基塊構(gòu)成垂直互鎖關(guān)系。裝配式路基的整體結(jié)構(gòu)特征，是具有垂直面及平面對(duì)稱性，基塊鋪裝面需要在四周封邊固定。
為探索裝配式基層的結(jié)構(gòu)類型，以三維嵌擠基塊鋪裝的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)特性作為篩選條件,將連鎖混凝土路面磚路面結(jié)構(gòu)間和竹篾編織結(jié)構(gòu),納入對(duì)比目錄。連鎖路面磚路面結(jié)構(gòu)是在砂墊層上鋪裝塊體，并在接縫內(nèi)嵌人砂粒;由于路面磚側(cè)面均為垂直面,其荷載傳遞方式依靠路面磚受荷后所發(fā)生的微小轉(zhuǎn)動(dòng)、擠壓，使接縫嵌砂粒傳遞應(yīng)力給四周的路面磚四。因此,連鎖路面磚路面結(jié)構(gòu)形式,并不能完全滿足篩選條件。可以判定連鎖路面磚路面結(jié)構(gòu)與本文介紹的裝配式基層，并不屬于相同類型的受力結(jié)構(gòu)形式。我們發(fā)現(xiàn):生活中最常見(jiàn)的竹篾編織,其受力方式與基塊鋪裝,在平面特征與傳荷路徑方面有相似之處。做以下具體分析。
2 竹篾編織與裝配式基層的對(duì)比
編織結(jié)構(gòu)最基礎(chǔ)的技法是經(jīng)緯法“十字”平編,竹編工藝大體可分為起底、編織、鎖口三道工序。在編織過(guò)程中，竹絲篾條采用挑壓交織，被挑壓的蔑稱為“經(jīng)”,而編織的蔑為“緯”。中間留有空隙,可編織成“井”字紋理,生成一個(gè)個(gè)緊致的方形孔。
將竹篾編織平面與三維嵌擠基塊鋪裝做對(duì)比、觀察,可見(jiàn)經(jīng)緯篾條相互疊壓形成交叉排列的矩陣面，經(jīng)緯蔑順序疊壓組成方形孔;經(jīng)緯交叉形成編織面的節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)處經(jīng)緯蔑條相互疊壓發(fā)生彎曲且彎曲方向相反。在圖5中.若以中間節(jié)點(diǎn)為參照物，經(jīng)向篾條的兩端是荷載輸入端，緯向篾條的兩端是荷載的輸出端，經(jīng)緯篾條交叉形成節(jié)點(diǎn)。篾條任意三個(gè)相連的節(jié)點(diǎn)均構(gòu)成三點(diǎn)疊壓關(guān)系，中間節(jié)點(diǎn)受經(jīng)緯兩個(gè)相反的疊壓構(gòu)成垂直互鎖關(guān)系110)。對(duì)比顯示。竹篾編織面裝配規(guī)則及斷面三連節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，均符合基塊鋪裝特征。
編織面經(jīng)緯交叉疊壓形成節(jié)點(diǎn)，如圖5所示，荷載由經(jīng)篾兩端輸入，利用節(jié)點(diǎn)將荷載傳遞到緯蔑，再通過(guò)緯條兩端輸出。應(yīng)力路徑顯示“T”形分級(jí)擴(kuò)散路徑，并在編織網(wǎng)孔處形成閉合環(huán)繞路徑,由點(diǎn)荷載逐漸擴(kuò)散到編織全面積。荷載傳遞路徑圖與基塊鋪裝面一一對(duì)應(yīng)。編織結(jié)構(gòu)同樣具有基塊鋪裝所具備的垂直面及平面對(duì)稱性,也需要在編織四周封邊固定。經(jīng)過(guò)對(duì)編織面節(jié)點(diǎn)輸入與輸出端位置及接觸方式、編織面方形口構(gòu)成、斷面三連節(jié)點(diǎn)疊壓關(guān)系及荷載傳遞路徑1的對(duì)比,可見(jiàn),基塊鋪裝所得的三維嵌擠結(jié)構(gòu)。與竹篾編織具有相同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。故該種預(yù)制素混凝土基塊可稱之為編塊。
3 結(jié)語(yǔ)
經(jīng)過(guò)基塊鋪裝面與竹篾編織面的對(duì)比獲得結(jié)果如下:
三維嵌擠基塊鋪裝與竹篾編織面節(jié)點(diǎn)的輸入與輸出端都有固定位置,相互交叉且間隔分布。
三維嵌擠基塊鋪裝與竹篾編織面節(jié)點(diǎn)編織面，節(jié)點(diǎn)均利用疊壓實(shí)現(xiàn)荷載輸入與輸出端之間傳遞，疊壓有順序并形成方形口;
3) 三維嵌擠基塊鋪裝與竹篾編織面,均有由三連節(jié)點(diǎn)建立的嵌擠或互相疊壓的關(guān)系,平面兩個(gè)方向的三連節(jié)點(diǎn)交叉的中間節(jié)點(diǎn),因受到相反嵌擠或疊壓。在垂直方向構(gòu)成互鎖關(guān)系;
4) 三維嵌擠基塊鋪裝與竹篾編織面的傳荷路徑均按“T”形分級(jí)傳遞、逐漸由點(diǎn)荷載擴(kuò)散到全面積,并在方形口周圍形成有方向的閉合環(huán)繞路徑;
綜上所述，三維嵌擠基塊鋪裝結(jié)構(gòu)屬于編織類型，可稱之為編塊結(jié)構(gòu)。對(duì)裝配式基層結(jié)構(gòu)類型的探索,可進(jìn)一步理解塊體結(jié)構(gòu)與荷載傳遞的關(guān)系及對(duì)工作性能影響，有利于推動(dòng)裝配式基層的研究和發(fā)展。
本文摘錄自建筑砌塊與砌塊建筑2021期刊雜志
