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上海寶馬展丨鴻益機械誠邀您蒞臨參觀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、港口場站道路工程。該項技術(shù)由長春市市政工程設(shè)計研究院開發(fā),于2013年開始工程試驗應(yīng)用,2015年通過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,截止到2020年底,該項技術(shù)已經(jīng)在長春市沈陽市、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70萬平方米(塊),獲得工期短、強度高、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)及維護費用低的積極效果。
隨著該項技術(shù)工程推廣應(yīng)用量的擴大,為更準(zhǔn)確地歸納裝配式基層結(jié)構(gòu)特點及開發(fā)新塊型的需要，確定其結(jié)構(gòu)類型，進而從結(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試驗數(shù)據(jù)來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?；诖?有必要開始關(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燕尾榫以小端對接,旋轉(zhuǎn)其中一個燕尾榫,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為相貫線,填補空缺面構(gòu)成的六面體結(jié)構(gòu)?；鶋K的六面體外形由平行的頂面和底面、以及四個側(cè)斜面組成,其中頂面及底面為矩形,四個側(cè)面由陽斜面的倒梯形、與陰斜面的正梯形,相互間隔組成(見圖2、圖3)。當(dāng)對基層施加垂直荷載時，基塊以兩 頂 側(cè)視圖 個陽斜面作為荷載輸應(yīng) 主視圖入端，以兩個陰斜面?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(見圖2d、圖3)。
基塊按側(cè)面輸出 端陰斜面，疊壓在輸 入端陽斜面的規(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)基塊的陽斜面接觸(見圖4斷面圖中心的一個基塊)。在圖4的斷面圖中,任意一個基塊與兩側(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。位于交叉點的基塊,在垂直面由基塊的陽斜面和陰斜面,形成相反的嵌擠關(guān)系，而構(gòu)成垂直方向的互鎖效應(yīng)(見圖4)。由于基塊的鋪裝面結(jié)構(gòu)在垂直方向具有對稱性，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)來自路面的垂直荷載作用在矩陣面的某基塊頂面時，產(chǎn)生的壓應(yīng)力除傳導(dǎo)向下至路基上外，部分應(yīng)力還會從受荷基塊的兩個陰斜面(輸出端),擴散傳遞到兩側(cè)相鄰基塊的陽斜面(輸人端);并分別經(jīng)受荷基塊的兩個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，各級傳遞路徑的方向相差90度。在圖5中,用字母A、B、C、 D、E表示各級傳遞順序,箭頭代表傳遞方向。每一級傳遞過程中,基塊都由一個輸入路徑,分離出2個輸出路徑;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”是兩個輸出路徑，每個輸出路徑都沿各自所處方形孔的邊緣環(huán)繞形成一個個閉合環(huán)路?；鶋K按側(cè)面輸出端陰斜面疊壓輸入端陽斜面的規(guī)則裝配，由于一個基塊有兩個對稱分布的陰斜面，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)出順時針與逆時針交替分布樣式(見圖4)。應(yīng)力傳遞路徑具有分級擴散和閉合環(huán)繞兩個特征:分級擴散使應(yīng)力最終達到每個基塊,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?；鶋K的鋪裝特征，是以基塊陰斜面與陽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”形路徑分級擴散覆蓋基層全面積，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，是任意三個相連的基塊組成榫卯嵌擠關(guān)系，在行與列三連塊交叉點的基塊構(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、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?？梢耘卸ㄟB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,生成一個個緊致的方形孔。
將竹篾編織平面與三維嵌擠基塊鋪裝做對比、觀察,可見經(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，在節(jié)點處經(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。篾條任意三個相連的節(jié)點均構(gòu)成三點疊壓關(guān)系，中間節(jié)點受經(jīng)緯兩個相反的疊壓構(gòu)成垂直互鎖關(guān)系110)。對比顯示。竹篾編織面裝配規(guī)則及斷面三連節(jié)點結(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，如圖5所示，荷載由經(jīng)篾兩端輸入，利用節(jié)點將荷載傳遞到緯蔑，再通過緯條兩端輸出。應(yīng)力路徑顯示“T”形分級擴散路徑，并在編織網(wǎng)孔處形成閉合環(huán)繞路徑,由點荷載逐漸擴散到編織全面積。荷載傳遞路徑圖與基塊鋪裝面一一對應(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稱性,也需要在編織四周封邊固定。經(jīng)過對編織面節(jié)點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)點疊壓關(guān)系及荷載傳遞路徑1的對比,可見,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。故該種預(yù)制素混凝土基塊可稱之為編塊。
3 結(jié)語
經(jīng)過基塊鋪裝面與竹篾編織面的對比獲得結(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)點編織面，節(jié)點均利用疊壓實現(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)點建立的嵌擠或互相疊壓的關(guān)系,平面兩個方向的三連節(jié)點交叉的中間節(jié)點,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”形分級傳遞、逐漸由點荷載擴散到全面積,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)。對裝配式基層結(jié)構(gòu)類型的探索,可進一步理解塊體結(jié)構(gòu)與荷載傳遞的關(guān)系及對工作性能影響，有利于推動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
