水泥混凝土路面中常设置传力杆，以保证相邻板之间的传荷能力，减小板边缘和角隅处的挠度量，降低进入接缝的水和细粒的不利影响（如携细粒的水的高速喷射所引起的错台）^[1]。

目前，传力杆的施工方式主要有两种，一种是支架法，主要是通过人工事先设置支架，把传力杆绑扎于固定好的支架上；一种是DBI（Dowel-bar inserter）法，通过在滑模摊铺机上配备传力杆自动置放机（DBI），实现传力杆的快速植入^{[1, 2]}。无论是支架法施工还是DBI施工，均受人为因素、施工因素以及混凝土自身材料性质的影响，使传力杆出现遗漏布设和水平面内、垂直面内偏差的现象。目前尚缺少手段获得硬化后路面中传力杆的空间位置。常见的钢筋探测仪不能探测到如此深度的钢筋分布（至少13 cm以上的保护层厚度），同时探地雷达结果发现检测数据反分析困难，图像不易识别和钢筋位置判断不精确^[3]，因此亟需采用新技术进行量测。

本文采用基于电磁涡流原理的钢筋探测技术，对某条水泥混凝土路面高速公路不同施工方式（支架法和DBI法施工）的传力杆空间分布进行探测，并基于探测结果进行了有限元分析和模型试验分析，提出了传力杆的最大允许偏差。

为了精确探测传力杆的空间位置，采用德国MIT公司生产的传力杆无损检测仪进行现场检测（如图 1和图 2所示）。该设备探测深度可达50 cm，探测精度在深度方向上为±4 mm，在水平方向上为±8 mm。其采用电磁涡流感应原理，当设备通有交变电流的激励线圈从传力杆上方或附近移动过时，进入传力杆的交变磁场在传力杆中感生出方向与激励磁场相垂直的、呈漩涡状流动的电流（涡流），这涡流会转而产生与激励磁场方向相反的磁场，使线圈中的原磁场出现部分减小，从而引起线圈阻抗的变化，进而得出检测结果^[4]。

图 1 MIT-SCAN2-BT Fig. 1 MIT-SCAN2-BT

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图 2 接缝传力杆现场检测 Fig. 2 Field testing of joint dowel bar

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测试路段位于某高速公路上，水泥混凝土路面板厚32 cm，传力杆直径28 mm，长度为500 mm，理论埋置深度为16 cm。随机抽取了支架法施工的20条接缝和DBI法施工的38条接缝，检测确定施工后传力杆的空间位置分布情况具体如图 3所示。

图 3 不同施工方式传力杆空间位置偏差情况分布 Fig. 3 Distribution of spatial position deviation of dowel bar causted by different construction methods

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从图 3可以看出，支架法施工传力杆空间偏差主要集中在水平方向±15°，垂直方向±10°的范围内，见图 3(a)中虚线圆；DBI法施工传力杆空间偏差主要集中在水平方向±20°，垂直方向±15°的范围内，图 3(b)中虚线圆。

图 4为所有检测结果中具有明显区别的一组数据。通过对检测数据和现场施工资料进行分析，可以发现在支架法施工过程中，存在传力杆的缺失现象；同时混凝土的振捣，也会导致传力杆布设位置产生偏差。在DBI法施工过程中，同样存在传力杆缺失的现象，在混凝土硬化阶段，传力杆由于自重，在塑性混凝土中产生不均匀沉降；或者插入时由于混凝土的粗细集料分布差异造成传力杆位置偏差。支架法施工的传力杆空间定位精度要优于DBI法施工的传力杆空间定位精度。

图 4 不同施工方式传力杆空间探测图像识别结果 （单位：mm� Fig. 4 Spatial detection image recognition result of dowel bar position caused by different construction methods(unit:mm)

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表 1汇总了不同施工方式传力杆空间探测的结果，表明传力杆支架法的施工精度优于DBI法施工精度。

为了进一步考察传力杆偏差对接缝工作性能的影响，下文分别通过三维有限元模型和室内模型试验进行分析和验证。

根据上文传力杆空间探测结果，分别选取传力杆在水平面内、垂直面内偏差角度为0°，5°，10°和15°等工况进行分析^[5]。为了重点考察传力杆偏置对传荷能力的影响，本文建立只考虑单根传力杆作用下的混凝土板三维有限元模型，基层采用winkler地基，不考虑行车荷载作用方式、级位等因素的影响。模型试验中也只考虑不同平面内单根传力杆布设偏差不同角度的情况，并在试件底部垫入橡胶垫模拟winkler地基^{[6, 7, 8, 9, 10]}。

（1）有限元模型

分别建立水泥板和传力杆有限元模型，二者接触面设置为光滑接触，如图 5所示。材料参数如表 2所示。

图 5 有限元模型示意图 Fig. 5 Schematic diagram of finite element model

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图 6列出的是传力杆在混凝土中不同空间位置偏差时，混凝土最大竖向应力的变化趋势。

图 6 传力杆不同空间位置偏差时最大主应力 Fig. 6 Maximum principle stresses at different positions of dowel bar

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从图中可知，传力杆在水平方向存在偏差时，随着偏转角度的增加，混凝土界面竖向拉应力呈现出逐渐增长的趋势，在传力杆偏转10°时竖向拉应力达到最大值，为3.44 MPa。传力杆在水平方向存在偏差，当传力杆偏转角度小于5°时，传力杆周围的混凝土全部为受压状态；当传力杆偏转角度增大时，其上下侧的混凝土为受压状态，左右侧的混凝土为受拉状态，如图 7所示。

图 7 水平面内不同偏转角度下竖向正应力云图（单位：Pa� Fig. 7 Nephograms of vertical in stress in different horizontal deflection angles (unit:Pa)

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在垂直面内存在偏差时，随着偏转角度的增加，混凝土界面竖向拉应力同样呈现出先增后减的趋势。在传力杆偏转10°时竖向拉应力达到最大值，为4.76 MPa。传力杆在垂直方向存在偏差，当传力杆不存在偏转角度时，其周围混凝土均为受压状态；当传力杆存在偏转角度时，其上下侧混凝土为受压状态，左右侧混凝土为受拉状态，如图 8所示。

图 8 垂直面内不同偏转角度下竖向正应力云图 （单位： Pa� Fig. 8 Nephograms of vertical stressdifferent in vertical deflection argles (unit:Pa)

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室内模型试验通过对试件进行偏心弯曲疲劳加载，模拟车辆荷载通过接缝时，接缝两侧荷载传递的情况，验证传力杆不同偏差情况对接缝传荷能力的影响。

由图 9可以看出，传力杆在不同空间位置偏差时，接缝传荷系数的初始值随着传力杆偏差角度的增加而降低。

图 9 传力杆不同空间位置偏差时传荷能力变化情况 Fig. 9 Load transfer ability of dowel bar in different spatial position deflections

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（1）水平面内偏差

水平面内传力杆不存在偏差时，接缝传荷系数的初始值为98%；传力杆存在5°偏差时，接缝传荷系数的初始值为90%；传力杆存在10°偏差时，接缝传荷系数的初始值为75%；传力杆存在15°偏差时，接缝传荷系数的初始值为64%。随着偏差角度的增大，接缝传荷系数的初始值下降约34%。

（2）垂直面内偏差

垂直面内传力杆不存在偏差时，接缝传荷系数的初始值为98%；传力杆存在5°偏差时，接缝传荷系数的初始值为75%；传力杆存在10°偏差时，接缝传荷系数的初始值为61%；传力杆存在15°偏差时，接缝传荷系数的初始值为50%。随着偏差角度的增大，接缝传荷系数的初始值下降约48%。

根据《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40—2011）中关于旧水泥混凝土路面接缝传荷能力等级划分的相关规定：当接缝传荷系数介于56%至80%之间时，接缝传荷能力评为中^[11]。由图 9可以看出，传力杆在不同空间内存在不大于5°偏差时，接缝传荷系数大致保持在56%左右，所以，传力杆在不同平面内存在角度偏差不大于5°时，不会对接缝传荷能力造成太大影响。

（3）松动量

重复荷载作用对接缝造成最直接的影响是在传力杆周围产生松动^{[12, 13, 14, 15]}。表 3汇总了不同偏差角度传力杆的松动量。图 10反映了重复荷载作用后，不同空间位置偏差传力杆挠度差与荷载之间的关系曲线。从图中可以看出，接缝两侧相邻板的挠度差随荷载作用逐渐增大，当荷载增大到20 kN以后，挠度差随荷载的变化呈线性增长的趋势。这表明，在荷载低于20 kN的加荷初期，传力杆处于调整状态。将挠度差在荷载高于20 kN的部分反向延长，与纵坐标相交，即为估算出的传力杆松动量^[2]。

图 10 不同空间位置偏差时传力杆挠度差与荷载关系 Fig. 10 Relations between deflection differenceand load of dowel bar in different spatial position deflections

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在荷载的反复作用下，与传力杆相接触的混凝土反复受到较大的承压应力，出现磨损或者压碎，从而使传力杆周围的空隙增大，即传力杆松动量的增加。传力杆松动量的增加，将导致接缝传荷能力的下降。

通过对传力杆进行空间探测和存在偏差角度时的工作状态的研究，可以得出如下结论：

（1）通过对传力杆进行空间探测可以发现，传力杆支架法施工质量要优于DBI法施工质量。传力杆布设偏差的主要情况是偏差角度小于等于15°，但由于人为误差、施工因素和混凝土材料性质的影响，传力杆偏差角度较大的现象也普遍存在。

（2）传力杆出现偏差后，混凝土界面区域内应力的变化与传力杆未出现偏差时的差别不大，因此传力杆与混凝土相互作用的破坏主要是两者黏结力弱引起的松动和混凝土局部的主应力过大产生的压碎破坏。

（3）随着传力杆偏差角度的增大，传力杆工作性能的发挥越来越差。当传力杆存在不大于5°的角度偏差时，接缝传荷能力可保持在中等水平，对传力杆工作性能不会造成太大影响。