无论现浇还是装配式水泥混凝土路面，均存在接缝^[1-2]。对于传统混凝土路面，接缝可消除路面服役过程中产生的温度应力，但也降低了路面的整体性^[2]。接缝破坏是水泥混凝土路面3大主要病害(断板、错台、接缝破坏)之一，解决的有效方法是在接缝处设置传力杆，以提高路面接缝抵抗车辆荷载的能力^[3]。乔志等^[4]研究得出，传力杆可提高受荷板与不受荷板整体性，使路面的受力和位移变形更加均匀。王端宜等^[5]使用复合材料制作传力杆，避免了传力杆锈蚀及热膨胀等问题。李晶晶等^[6]研究了传力杆疲劳性能对传荷效率的影响，循环荷载作用50万次，传力杆的传荷能力仍能保持80%以上。彭鹏等^[7]分析了传力杆施工精度对板间传荷性能的影响，传力杆施工角度偏差不大于5°时，施工误差对传力杆的传荷性能影响较小。

接缝也是装配式混凝土路面的薄弱部位^[8-9]，为避免路面板在接缝处出现错台、板间高差较大等现象，装配式路面通常采用传力杆连接^[10]，包括传力杆湿接法与传力杆机械连接。传力杆湿接法^[11]将传力杆浇注在预制板一端，拼装时，将传力杆放置到相邻路面板预留孔槽中，采用填缝材料黏结，靠填缝材料与路面板及传力杆之间的黏结能力实现板间传荷。但填缝材料的耐久性会随着车辆荷载及环境作用而劣化，使得接缝的传荷能力和密封防水效果衰减。为提高预制路面板的拼装和路用性能，提出“吊连共筋”装配式混凝土路面体系^[1]，即路面板纵横向各布设2根主钢筋，钢筋端头用于路面板吊装吊点和拼接接点，拼接过程需使用传力装置将钢筋端头连接，再使用填缝材料做密封处理，将传统混凝土路面拉杆与传力杆统一为传力连接组件共同实现板间传荷。其中，该方式采用的路面板水平通孔吊装可行性已得到验证^[12]，但吊连共筋装配式路面传荷性能尚不明确，其可行性也有待验证。

鉴于此，采用自行设计的一种扣压式反向张拉连接装置双向连接路面板形成装配式混凝土路面，并铺筑相关试验段，测试吊连共筋装配式路面传荷性能，并结合铺装传荷数值模拟，分析装配式混凝土路面板间传荷性能影响因素，为装配式混凝土路面板接缝传荷设计提供技术参考。

自主研发的连接件(ZL202111358845.4)，其结构形式如图 1所示。其中：扣压件为防护装置，用于提高连接件上部密封材料的整体性，减小连接件集中应力。挂钩式垫片、U形扣件和约束套环为受力装置，挂钩式垫片用于提高连接件的竖向抗剪强度；U形扣件用于提高连接件的横向抗拉性能，将路面板在平面上连接为一整体；约束套环作为紧固装置，与六角螺帽共同受力将连接件与路面板紧固在一起，提高传力连接整体刚度。

图 1 连接件及机械连接结构形式 Fig. 1 Self-developed connector and mechanical connection structure

图选项

限于路面板装配后，路面板平面抗拉性能检测较为困难，故先使用万能试验机测试单组连接件正常使用抗拉强度，以确保连接件能提供足够的拉力，使路面板在平面内连接为一整体，不因车辆或温度荷载产生侧向滑移。检测时，将连接件和两段钢筋机械连接。试验过程参照钢筋抗拉强度试验，采用从0到破坏的一次性持续加载。

参考王旭昊等^{[11, 13]}预制路面板结构尺寸研究成果，设计路面板结构尺寸为3.5 m×3 m×0.22 m，4根主筋均采用螺纹钢，直径28 mm，间距2 m，采用自制扣压式连接件机械连接并配合M30自密实水泥砂浆实现板间传荷。试验段路面结构从上至下依次为0.22 m预制混凝土路面板+0.15 m级配碎石基层+夯实土基，路面宽6 m。

采用双膜土压力盒检测装配式混凝土路面接缝传荷性能。试验时，将土压力盒埋设在路面横缝连接组件下部两侧，采集车辆荷载作用下受荷板与未受荷板土压力盒应变值，计算路面板间传荷效率及板底应变值，路面板铺装方案及传荷效率试验如图 2所示。路面接缝传荷效率由式(1)确定，分为4个等级^[14]，评定标准见表 1。

(1)

图 2 路面板铺装方案及传荷效率检测 Fig. 2 Road pavement slab assembling and LTE test

图选项

式中，W_L为受荷板板边的挠度或应变；W_u为未受荷板板边挠度或应变。

目前，路面接缝传荷主要有3种建模方法：弹簧单元法、虚拟材料层法与实体建模法^[10]。参考罗勇等^[15]分析的3种建模理论的适用范围，本研究采用实体建模法。模型不考虑接缝刚度变化及集料嵌锁效应对传荷效率的影响，仅考虑传力钢筋的传荷能力。

为平衡计算效率与精度，设计地基厚度为1 m，同时采用Winkler地基模型^[16]，在地基底部赋予Elastic foundation属性。地基尺寸10.52 m×7.01 m×1 m，基层尺寸10.52 m×6.51 m，预制混凝土板结构尺寸3.5 m×3 m×0.22 m。横向由2块路面板拼接，路面板边缘至基层边缘0.25 m，板与板之间接缝宽0.01 m^[9]，传力钢筋机械连接长0.41 m，间距2 m。模拟车辆经过接缝工况布置荷载，汽车左右轮间距1.8 m，前后轮距2.8 m，轮胎接地压强0.7 MPa，并将双圆均布荷载换算为边长192 mm×186 mm等效矩形^[17]。路面板传荷模型如图 3所示。现场试验中板间钢筋采用机械连接，数值模型以调整连接钢筋弹性模量值实现机械连接刚度衰减效果，各结构层计算参数见表 2。

图 3 单元接触与荷载施加示意图 Fig. 3 Schematic diagram of element contact and load application

图选项

单组连接件抗拉强度试验及结果如图 4所示。可见，单组连接件可承受约53 kN极限拉力。路面板装配后，最外侧路面板使用6组连接件与邻板相连，纵缝拉杆机械连接后可为路面板提供约300 kN拉力，单块路面板重约50 kN，连接件提供的拉力远大于单块路面板重量，即使一辆30 t货车在路面板上方发生制动，连接件依然可提供足够拉力，确保路面板不因车辆紧急制动产生的冲击荷载而滑移，将路面板在平面内连接为一整体，实现路面板平面整体受力。

图 4 连接件抗拉强度测试曲线 Fig. 4 Tensile strength test curve of self-developed connector

图选项

传荷效率现场检测及受荷时各土压力盒应变检测值如图 5所示，土压力盒最大应变值与板间传荷效率如表 3所示。由图 5，土压力盒应变曲线与现场试验工况一致，先上升后下降，当车辆先行驶到受荷板未埋置土压力盒一端时，此时荷板一端受压，路面板发生翘曲，埋置土压力盒一端翘起向上，土压力盒表现为受拉状态，应变值为正。当车辆行驶到受荷板土压力盒埋置端时，此时板端受压力作用向下位移，土压力盒处于受压状态，压力值为负，并且受连接件双向传荷作用，临近未受荷路面板发生同步变化。由表 3，路面板接缝机械连接后，接缝平均传荷效率为75%，达到了中等传荷水平。其中，土压力盒3和4所在基层调平欠缺，导致传荷能力偏低。自研发的连接件机械连接装配式路面，虽然路面横缝处只设置2组，但布设位置合理，车辆在正常行驶状态下，车轮荷载直接作用在连接件上端，起到了良好的传荷作用。此外，基层调平可以提供更稳定的支承，进而可以提升板间传荷效率达到80%以上。

图 5 板间传荷性能检测及压力盒应变测试曲线 Fig. 5 Load transfer performance test between slabs and strain test curves of earth pressure cells 注：土压力盒仅能检测受压应变，埋置时使其处于受压状态，试验开始前，将其量程归零，土压力值受压为负，受拉为正。

图选项

当基层采用0.15 m级配碎石，路面板双向连接，轮胎接地压强为0.7 MPa时，提取与现场试验相同位置处基层应变，并与现场实测值比较，对比应变值如图 6所示。横缝传力位置受荷板基层应变值约-160 με，未受荷板基层应变值约-110 με，板间传荷效率约为68%，现场测试板间传荷效率为75%。数值计算值与现场实测值的基层应变与传荷效率均处于同一量级，数值接近，此板间传荷模型适用于本次装配式路面传荷性能影响因素分析。

图 6 数值分析与现场试验的基层应变值比较 Fig. 6 Numerical analysis v.s.field test of base strain values

图选项

结合装配式混凝土路面连接件力学性能检测试验结果，以路面板竖向位移为参考标准，研究传力连接数量(间距)、传力连接刚度、不同基层材料与厚度及路面板板底脱空对板间传荷性能的影响。

不考虑路面板集料嵌锁力作用，当路面设置双向连接件传荷效率为75%时，路面板竖向位移云图如图 7所示。与不设连接件相比，受荷板承受车辆荷载时，其荷载由连接件传递到不受荷路面板，受荷板最大竖向位移由0.596 4 mm降至0.560 2 mm，不受荷板最大竖向位移由0提升至0.421 5 mm。虽然纵向连接件仅有2组，但作为纵向传力件设置在行车荷载下方，起到了良好的传荷作用，提高了板间整体受力及板间平整度。

图 7 路面板竖向传荷位移云图 Fig. 7 Nephogram of vertical load transfer displacement of pavement slabs

图选项

不考虑拉杆约束效应，传力连接件数量(间距)对路面板最大竖向位移及传荷效率影响如图 8所示。当传力钢筋直径为28 mm时，弹性模量对板间传荷效率影响如图 9所示。由图 8，路面板最大竖向位移随着传力连接件数量的增加逐渐降低，但降低幅度随着数量的增加逐渐变缓。与无传力件相比，在行车荷载轨迹下设置2组传力件，板间传荷效率大幅提高，当传力连接数量达到9个，间距0.3 m左右时，路面板可实现整体受力，再增加连接数量对路面板最大竖向位移影响较小。同时，装配式路面设置较多传力连接，不利于路面板制作及接缝处理。装配式路面传力连接布设间距不应小于0.3 m，且应集中设置在路面行车轨迹下方。由图 9，板间传荷效率随着板缝机械连接刚度的增加而提高，当传力钢筋弹性模量达到50 000 MPa左右时，板间传荷效率随传力连接刚度的增加而趋于平缓。由普通钢筋的弹性模量约200 000 MPa，即传力钢筋机械连接刚度达到传力钢筋一体连接的1/4时，可实现一体化连接效果。

图 8 不同传力连接件数量(间距)的路面板最大竖向位移及传荷效率 Fig. 8 Maximum displacement of pavement slab and LTE of different numbers of load transfer rod (spacing)

图选项

图 9 不同传力钢筋弹性模量的路面板传荷效率 Fig. 9 LTEs of pavement slab with different elastic modulus of force-transmitting reinforcement

图选项

由试验段铺装工况，改变基层材料参数-板间传荷效率如图 10所示。路面板采用连接件双向连接，板间传荷效率与基层弹性模量及厚度呈正相关。相比柔性基层，刚性或半刚性基层在路面接缝处抵抗车辆荷载的变形能力更强，并且，基层越厚板间传荷效果越好。结合现场装配试验：刚性或半刚性基层虽然板间传荷效率较高，但刚性基层找平较为困难，板间平整度控制较差；虽然柔性基层传荷效率低于刚性基层，但柔性基层平整度较好，更利于路面板的拼装及整平受力。

图 10 不同基层材料及厚度的板间传荷效率 Fig. 10 LTEs between slabs with different base materials and thicknesses 基层材料弹性模量值参考《公路水泥混凝土路面设计规范》[14]。

图选项

由试验段铺装工况，参考乔明等^[18]水泥板底脱空与接缝传荷能力分析，当板底脱空面积为0.6 m×0.6 m，深0.1 m(基层厚0.2 m)，不同部位脱空-路面板竖向位移云图如图 11所示，不同部位脱空-路面接缝传荷效率见表 4。由表 4，板底脱空位于板间接缝处时，脱空对板间传荷效率影响较大；脱空距板间接缝较远时，板底脱空对板间传荷性能影响较小或没有影响。同时，由图 11，当脱空位于板间接缝处，路面板即使有双向连接件传荷，接缝处仍出现较大集中应力，板间高差增大、传荷效率降低；当脱空位置远离接缝时，路面板仅在脱空位置出现应力集中，连接件仍然可起到较好的传荷效果，脱空对板间传荷影响较小。装配式混凝土路面尤其需要注意对接缝处基层找平及密封防水，降低接缝处板底脱空对装配式路面传荷效率及路用性能的影响。

图 11 不同脱空位置的路面板竖向位移云图 Fig. 11 Vertical displacement nephograms of pavement slab void in different positions

图选项

(1) 吊连共筋装配式路面接缝双向机械连接具有良好的力学性能。自主研发的单组连接件可承受53 kN拉力，纵横双向连接可为单块路面板提供约300 kN水平拉力，板间平均传荷效率可达75%，与无连接相比，板间整体性及平整度更好。

(2) 路面板接缝机械连接传荷效率与机械连接刚度呈正相关。当机械连接刚度达到钢筋一体连接的1/4时，可实现一体化连接效果。连接件横向布设间距不应小于0.3 m，且宜集中布设在路面板行车荷载轨迹下方。

(3) 装配式路面基层材料选择与处理方式对板间传荷性能影响较大。刚性基层板间传荷效率更高，但刚性基层找平较为困难，装配式路面宜采用柔性基层材料。接缝处基层脱空对板间传荷效率及平整度影响较大，基层调平后可将板间传荷效率提升到80%以上。装配式路面铺装前，尤其需要注意对接缝处基层找平及密封防水。

(4) 本研究对吊连共筋装配式水泥混凝土铺面板接缝传荷性能的评估，是在接缝材料填充及硬化之后进行的，没有考虑温度和服役时间的影响。后续可进一步分析接缝材料硬化过程以及路面服役阶段对接缝传荷性能的影响，进而进一步提升装配式路面板的接缝传荷能力。