（道路与铁道工程专业论文）连续配筋水泥混凝土路面荷载应力分析.pdf

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c e d c o n c r e t ep a v e m e n t a b s t r a c t m s cc a n d i d a t e ：h u a n gw e i m i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f l ic h a n g ( s c h o o lo f t r a n s p o r t a t i o n , s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , n a n j i n g ，j i a n g s u2 10 0 9 6 ，c h i n a ) w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n e s ee c o n o m i c ，c o n t i n u o u s l yr e i n f o r c e d c o n c r e t ep a v e m e n t ( c r c p ) i sb e i n gi n c r e a s i n g l yw i d e l yu s e dd u et oi t sl o n gs e r v i c e l i f ea n ds u p e r i o rp e r f o r m a n c e ，a n dt h er e s e a r c h e so fc r c ph a v ep r o f o u n d s i g n i f i c a n c e s t h ep a p e rd i s c u s s e st h el o a ds t r e s so fc r c e f i r s to fa l l ，b a s e do nt h ed e r i v a t i o no fc r a c ks p a c i n gf o r m u l ac o m b i n e d 嘶n l r e l a t e dd a t af r o mt e s tr o a d ，t h i sp a p e ro b t a i n st h el a wo fc r a c kd i s t a n c ev a r i a t i o nw i t h t h et i m e t h e nf u r t h e rc r a c kd e v e l o p m e n tp r o c e s so fc r c pi sp u tf o r w a r d t 1 1 i s p r o c e s si sd i v i d e di n t ot h r e es t a g e s ，t h a ti s ，r a p i dd e v e l o p m e n tp e r i o d ，d e v e l o p m e n t p e r i o da n ds t a b l ed e v e l o p m e n tp e r i o d t h e nc r i t i c a ld i s t a n c e 厶i sp u tf o r w a r db a s e d o na a s h t o2 0 0 2 b o t hl o n g i t u d i n a lr e i n f o r c e m e n ta n dt r a n s v e r s er e i n f o r c e m e n to fc r c pa r e m o d e l e du s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea b a q u s a f t e ri m p l a n t a t i o no fc o n c r e t e u n i t s ，at h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e li sm o d e l e d s e v e r a lp o s s i b l ec r i t i c a l l o a d i n gp o s i t i o n sa r ec o n s i d e r e d ，t h e n , s i xp o s s i b l ec r i t i c a ll o a d i n gp o s i t i o n sw i t h d i f f e r e n td i s t a n c ea r ec o m p u t e d f i n a l l y , t h i sp a p e rc h o o s e st h em i d d l eo ft r a n s v e r s e c r a c k so ft h ec r i t i c a ld i s t a n c e 厶a st h ef a t i g u ec r i t i c a ll o a d i n gp o s i t i o n a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ha b o v e ，p a r a m e t e rs e n s i t i v i t ya n a l y s i sa r ec a r r i e do u ta t t h ef a t i g u ec r i t i c a ll o a d i n gp o s i t i o nw i t ht h ep a r a m e t e r so ft h i c k n e s s ，r e i n f o r c e m e n t r a t i o ，m o d u l u so fc r c pa n ds u b g r a d e b a s e do nt h ep a r a m e t e rs e n s i t i v i t ya n a l y s i s ， t h el o a ds t r e s sf o r m u l ai sp u tf o r w a r d f i n a l l y , t h ep a p e rd e r i v e st h el i m i ts t a t e f o r m u l ab a s e do nt h ec u m u l a t i v ef a t i g u eo fc r c pa c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r r a b s t r a c t s e l e c t i o nm e t h o di ne x i s t i n gc o n c r e t es p e c i f i c a t i o n a tl a s t ，t h i sf o r m u l ap r e d i c t st h e l i f eo ft h ec u r r e n t l ye x i s t i n gc r c e k e yw o r d s ：c r c p , l o a ds t r e s s ，c r i t i c a ll o a d i n gp o s i t i o n s ，p u n c h o u t m 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v 第一章绪论。1 1 1 研究背景1 1 2 国内外应用现状2 1 2 1 国外应用概况2 1 2 2 国内应用概况4 1 3 国内外研究现状5 1 3 1 国外研究现状5 1 3 2 国内研究现状8 1 3 3 研究的不足之处1 0 1 4 主要研究内容1 0 第二章连续配筋水泥混凝土路面分析方法1 2 2 1 荷载应力分析的力学模型1 2 2 1 1 一维模型1 2 2 1 2 二维模型1 3 2 1 3 三维有限元模型1 4 2 2a a s h t o2 0 0 2 中的c r c p 的设计方法【2 2 1 17 2 2 1 有限元模型1 7 2 2 2 连续配筋水泥混凝土( c r c p ) 路面的冲断1 8 2 2 3 目前现有的c r c p 设计方法19 2 2 4 模型修正21 2 3 本章小结2 3 第三章连续配筋水泥混凝土裂缝间距的研究2 4 3 1 裂缝平均间距理论分析2 4 3 1 1 裂缝间距力学模型2 4 3 1 2 裂缝间距的影响因素分析。2 8 3 2 裂缝发展及分布规律研究2 9 3 2 1c r c p 某试验路段的基本情况3 0 3 2 2c r c p 裂缝发展的三个阶段3 3 3 2 3 冲断的临界间距厶3 3 3 3c r c p 裂缝发展的规律公式拟合3 3 3 4 本章小结3 4 第四章连续配筋水泥混凝土路面临界荷位的界定3 5 4 1 本次研究的有限元模型的选用介绍3 5 4 1 1c r c p 路面的基本假设【2 7 】 2 8 】3 5 i v r r 目录 4 1 2 依托工程实施方案介绍3 5 4 1 3 行车荷载的简化模型：3 6 4 1 4 路面结构3 7 4 1 5 钢筋建立模型3 8 4 1 6 典型路面材料及结构参数3 9 4 2 可能的临界荷载组合情况3 9 4 2 1 荷位选择。3 9 4 2 2 不同裂缝间距情况下的计算结果4 1 4 2 3c i 池p 最不利荷位选择4 1 4 3 荷载疲劳临界荷位确定4 2 4 4 本章小结4 2 第五章荷载应力相关参数敏感性分析4 3 5 1 荷载应力相关参数的分析4 3 5 1 1 选取参数的范围4 3 5 2 相关参数的敏感性分析4 4 5 2 1 c r c p 板厚的敏感性分析4 4 5 2 2 配筋率的敏感性分析4 6 5 2 3 基层模量的敏感性分析4 9 5 2 4 土基模量的敏感性分析5 0 5 3 本章小结5 0 第六章荷载应力公式的拟合5 2 6 1 荷载应力拟合选用的模型5 2 6 2 荷载应力拟合的结果5 3 6 3c r c p 轴载换算公式推导5 4 6 3 1 以弯沉为指标的轴载换算方法5 5 6 3 2 以拉应力为指标的轴载换算方法5 6 6 3 3 疲劳方程以及公式推导5 6 6 3 4 轴载影响系数值n 。5 8 6 4 荷载疲劳应力5 9 6 4 1 疲劳应力系数5 9 6 4 2 路面疲劳损坏影响的综合系数6 l 6 4 3 传荷能力折减系数6 1 6 5c r c p 疲劳极限方程6 l 6 。5 1c r c p 的累积疲劳考虑6 1 6 5 2c r c p 疲劳极限状态方程6 2 6 6c r c p 疲劳极限方程的应用实例6 3 6 6 1 道路的基本条件6 3 6 6 2 交通分析6 3 6 6 3 相关参数值的计算6 4 6 7 本章小结6 5 第七章结论与展望6 6 7 1 本文主要结论6 6 v 目录 7 2 主要创新点6 6 7 3 进一步研究的建议6 7 致 射6 8 参考文献6 9 作者简介7 1 v i r _ l 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 水泥混凝土路面具有优异的强度和耐久性，因而获得了广泛的应用。随着经 济的持续发展，我国水泥混凝土路面发展迅速【l 】。根据交通部发布的2 0 0 7 年公 路水路交通行业发展统计公报，截至当年年底，我国共建成水泥混凝土路面 8 4 8 8 万公里，占铺装路面的6 8 。今后较长一段时期，为了满足经济发展的需 求，我国仍需建设大量的水泥路面，尤其是在西部地区。长期以来，由于地理环 境和经济状况的制约，西部地区公路建设相对落后。与中、东部地区相比，西部 地区存在地形复杂，气候条件恶劣，超载超限严重等特点，这些特点增加了公路 建设的难度，缩短了路面的使用寿命，从而对路面结构提出了更高的要求。根据 结构配筋与否，水泥混凝土路面可分为素混凝土路面、间断配筋混凝土路面与连 续配筋混凝土路面。普通素混凝土路面为了满足温缩变形协调关系，设置了众多 的纵、横接缝。但缩缝的设置，又相当于在路面结构中引入了新的薄弱点，在使 用中出现了更多的弊端，如传荷能力较低，平整度变差，路用品质下降，且易产 生渗水、唧泥、错台、脱空、断边、断角等病害。虽然这些破坏过程很缓慢，但 随着轮载的持续作用，由量变引起质变，最终导致断裂、破碎等结构性破坏。间 断配筋混凝土路面虽然能部分提高结构刚度和整体性，但其长度有限，只能用于 局部的承载力提高和功能改善，不能从根本上消除接缝病害，因此，也未能大面 积应用。 为了克服路面接缝引起的各种病害，连续配筋混凝土路面取消了接缝，在板 体纵向配置足够数的钢筋，以限制结构的温差与湿差收缩变形。除了施工缝和必 要的端部处理以外，路面内不设任何形式缩缝和胀缝，形成了一个完整的表面， 极大地改善了行车舒适性，增强了面板的整体强度，克服了普通水泥混凝土路面 容易出现唧泥、断板等病害。虽然初期投资有所增加，但使用年限比普通混凝土 路面长，平整度衰减慢，行车更舒适。因此，从整个寿命期间来看，连续配筋路 面的性价比更优。 连续配筋混凝土路面( c o n t i n u o u s l yr e i n f o r c e dc o n c r e t ep a v e m e n t ，简称 c r c p ) 沿纵向配置了足够的钢筋而取消横向接缝，使其具有平整的表面及优良 的整体强度和刚度，所以其行车舒适性好，承载能力高，使用寿命长，养护费用低， 属于高性能混凝土路面结构 2 1 。连续配筋混凝土路面的研究应用始于上世纪2 0 年代。国内外的许多道路工作者对连续配筋混凝土路面进行了多方面的研究，发 表了大量的论文，提出了很多有价值的理论模型、经验公式及可供借鉴的研究成 东南大学硕士学位论文 果。连续配筋混凝土路面在国外的应用较多，在我国仅有少量应用，仍处于探索 阶段。公路水泥混凝土路面设计规范j t g d 4 0 2 0 0 2 上提出了相关的设计方法， 但从我国的实际应用情况来看，理论与实践之间仍然存在一定的偏差。这些问题 主要表现在以下几个方面： a 、裂缝间距设计值与实测值相差较大； b 、对配筋率及配筋方式的设计不考虑超重载车辆的作用； c 、考虑路基沉降不均引起的内力。 由于对连续配筋混凝土路面的设计理论与施工工艺的认识尚不够深入，缺乏 系统性研究和适合我国的研究成果，导致连续配筋混凝土路面的应用受到了很大 程度的限制，不能体现这种混凝土路面结构的优势，因此有必要开展深入系统的 研究，明确连续配筋混凝土路面结构分析和设计理论及施工质量控制方法【3 】，充 分发挥其对交通运输尤其重轴载交通运输的重要作用。本课题c r c p 荷载应力分 析是连续配筋混凝土路面设计施工技术研究的子课题之一，通过对于c r c p 荷载应力的研究以及相关的力学分析，从而得出c r c p 极限破坏方程，从而对连 续配筋混凝土路面有更加深入的认识，为后续的课题研究提供良好的基础。并且， 最终在连续配筋混凝土路面设计施工技术研究研究的基础上，编制连续配 筋混凝土路面设计施工技术指南，从结构分析、设计方法和施工实践上指导连 续配筋混凝土路面在我国高等级公路，尤其是在西部地区高等级公路上的应用和 推广，以充分发挥连续配筋混凝土路面的行车舒适性，减少早期破损、延长其实 际使用年限，促进西部地区的经济发展。 1 2 国内外应用现状 1 2 1 国外应用概况 ( 1 ) 美国 c r c p 的应用最早起源于美国，早在1 9 2 1 年美国就在华盛顿特区修建了第 一条c r c p 试验路。1 9 3 8 年在印第安纳州修建了不同配筋率的c r c p 试验路， 配筋率为0 0 7 , - , 1 8 2 ，并就连续配筋采用螺纹钢筋与光圆钢筋进行了对比研 究。在随后的二十多年里，又先后在伊利诺斯州、新泽西州、加利福尼亚州、得 克萨斯州等地进行了大规模的工程试验，如表1 1 所示。1 9 5 8 年，美国已有1 2 7 k m 双车道路面应用了这一技术。现在美国的c r c p 已超过2 8 万车道英里 4 1 。伊利 诺斯州的重载高速公路中，c r c p 是最常见的路面结构形式。在该州的e d e n s 高 2 第一章绪论 速公路上，1 9 7 8 年重建路面时采用了c r c p ，到1 9 9 6 年该路面已达到其设计的 累计轴载，然而直到2 0 0 1 年，3 0 英里的路面上累计只修补过1 0 处，路面状况 仍然良好。鉴于c r c p 良好的承载能力，休斯敦等一些港口的集装箱堆场也采用 了c r c p 作路面。由于这种路面取得的成功，以至于在美国被一些人称为“和下 一代入共用的路( r o a df o rt h i sg e n e r a t i o na n dt h en e x t ) ”。 表1 1 美国c r c p 试验路表 修建时间单位或地点 1 9 2 6 年 1 9 3 8 年 1 9 4 6 年 1 9 4 7 年 1 9 5 1 年 p u b l i cr o a d sa d m i n i s t r a t i o n i n d i a n a i l l i n o i s n e w j e r s e y t e x a s 虽然这种路面有很好的性能，但是直到1 9 6 7 年，c r c p 才引入欧洲。首先 在比利时修建了m o t o r w a y 。从此以后，比利时、法国、意大利和西班牙也开始 修筑这种结构形式的路面。 ( 2 ) 比利时 早在1 9 5 0 年，比利时已开始修建c r c p 路面。可是，直到6 0 年代末，这种 路面技术才取得突破。为在1 9 7 1 至1 9 7 4 年修建的2 7 5 k m 的高速公路作准备， 比利时在当时修建了许多试验路段。至此以后，c r c p 在比利时才得到较为广泛 的应用。截止1 9 7 5 年底已铺筑2 0 0 k m 以上的c r c p 。1 9 7 5 - 1 9 8 5 年十年间又在 1 0 0 0 k m 有中央分隔带的公路上修筑了c r c p 。1 9 8 1 年以后，比利时所有高速公 路都采用c r c p 的路面结构形式。 ( 3 ) 法国 在法国，1 9 8 3 年在巴黎东南部的道路重建工程中，第一次采用了c r c p 路 面。1 9 8 6 年在o r l e a n s 南部的新建工程中也采用了c r c p 路面。1 9 8 5 年至1 9 9 1 年间，法国共修建了2 0 多条c r c p 路面，包括重建或新建工程。 ( 4 ) 英国 英国1 9 7 5 1 9 8 3 年修建了4 段c r c p ，总长2 7 k m 。1 9 7 9 年和1 9 8 1 年在营 运中的两段道路上进行了c r c p 试验。1 9 8 9 年，英国在一段3 车道4 8 k m 长的 高速公路上修筑了c r c p ，到现在几乎所有的c r c p 都修建在预期存在不均匀沉 r _ 东南大学硕士学位论文 降的路段。为加快c r c p 的施工速度，英国的o k s t e e l e x 公司研制了专门用 第一章绪论 路。该试验路宽6 m ，分东、西两段铺筑在二灰碎石基层上，西段为k 9 + 5 4 0 k 1 0 + 0 4 0 ，板厚为2 0 c m ，配筋率0 5 5 ；东段为k 1 0 + 0 4 0 - - - k 1 0 + 5 4 0 ，板厚为 2 2 c m ，配筋率o 5 。选用巾1 6 螺纹钢作为纵筋，横向钢筋采用巾1 2 螺纹钢，间距 为l m 。该试验路混凝土中添加了微膨胀剂。 1 9 9 6 年，西安公路交通大学与铜川公路局在铜川境内的2 1 0 国道上修建了 一段宽9 m ，厚2 2 c m 的两幅c r c p 试验路工程。 2 0 0 1 元旦前夕，建成的湖南京珠主干线耒宜高速公路，大部分线路是在山 岭重丘区。针对高切深填、半填半挖频繁，溶洞、采空区、巷道多以及地质破碎 带存在的复杂情况的路段，采用了连续配筋混凝土路面形式。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 有关连续配筋混凝土路面的应用与理论研究以美国和比利时最有代表性。通 过对以前修筑的c r c p 试验路进行详细地调查后发现，c r c p 的破坏形式与接缝 水泥混凝土路面不同，主要表现为局部开裂，横向裂缝，唧泥，折断，钢筋断裂。 为了解决上述问题，建立合理的设计方法，国外的道路工作者进行了许多研究， 发表了大量有关c r c p 在荷载、材料、环境因素作用下的破坏机理、使用性能、 开裂模式、端部位移及锚固、后期维修等方面的论文，提出了很多有价值的理论 模型，经验公式及可以借鉴的观点 7 1 。 ( 1 ) 开裂模式与破坏原因 开裂模式主要是路面内产生的环境应力的函数，即水分和温度的变化。轮载 应力是影响较小的因素：混凝土应力( t ) = “钢筋用量，基层摩阻力，热胀系数， 收缩( t ) ，温度变化( d ，轮载( t ) ，裂缝间距( t ) ) ；钢筋应力( d = f 1 ( 钢筋用量， 基层摩阻力) ，热胀系数，收缩( t ) ，温度变化( d ，轮载( t ) ，裂缝间距( t ) ) ；( t ) 表示为时间的函数。 ( 2 ) 破坏原因 a 、局部开裂：局部开裂产生的横向裂缝主要是由于施工不当造成的； b 、唧泥：主要是因为路面厚度不当及基层材料不稳定，受到冲刷而引起的； c 、剥落：轻度剥落与路面弯沉较大有关，是由于支承条件差和厚度不足造 成的；严重剥落是由于表层混凝土抗弯拉强度不足引起的。表层混凝土抗弯拉强 5 东南大学硕士学位论文 度不足，通常是由于表面超负荷或水灰比高引起的泛浆造成的； d 、折断是c r c p 最严重的问题之一，需要立即维修。当横向裂缝间距较小 时，且荷载在裂缝处传递，作为横向梁则横向应力大于纵向应力。随交通荷载的 进一步增加，在两横向裂缝间就会发生纵向裂缝并逐渐发展成破坏； e 、钢筋断裂：横向裂缝宽度发展到6 - - 一5 0 m m ，钢筋应力超过其抗拉强度就 发生断裂。其原因是裂缝过宽以及水的渗入造成钢筋锈蚀而引起的。 ( 3 ) 钢筋可靠性研究 c r c p 中的钢筋是根据收缩及温度变形来设计、计算的。 钢筋用量的确定，主要依据静力平衡关系，采用v e t t e r 公式来计算最小配筋 率。最小配筋率应足以保证混凝土路面裂缝间距l 的路段内不产生新的裂缝， 即混凝土的最大拉应力不大于极限拉应力：最小配筋率还应足以保证混凝土路面 产生的微小裂缝不至于进一步拓宽，即裂缝位置处钢筋的最大应力不大于屈服应 力。这两个条件都要满足，选择配筋率的较大值作为c r c p 的配筋率。美国各州 一般取0 5 0 7 ，寒冷地区取高值；比利时由于它的混凝土强度比美国高，配 筋率过去取0 8 5 ，现在为了获得更均匀的裂缝间距，取为0 6 7 。我国江苏盐 城的c r c p 试验路的配筋率为0 6 3 f 引。 c r c p 中的配筋形式一般采用纵，横向变形钢筋搭接而成的钢筋网构造。钢 筋网一般布置在板厚的1 3 - - 1 2 处，也有采用双层钢筋网布置在板的上部及底 部；钢筋的保护层最小厚度6 c m 。我国江苏盐城的c r c p 试验路的钢筋埋置深度 分两种：东半幅埋置在l 2 处( 1 0 c m ) ，西半幅埋置在1 3 处( 7 c m ) ，以便比较不同 埋深对裂缝的约束效果。 ( 4 ) 横向裂缝间距与宽度的研究 一般来说，c r c p 的横向裂缝间距是影响路面性能的重要变量。它直接影响 到钢筋应力和裂缝宽度。裂缝间距较大，会由于基层的摩阻力的作用而产生很大 的拉力，这样裂缝处的钢筋就出现很大的应力，并产生很宽的裂缝。国外经验表 明，影响裂缝间距的主要因素有：钢筋用量、位置、基层类型、施工养生条件、 混凝土龄期。 ( 5 ) 钢筋用量、布置深度 一般认为，钢筋用量大，则裂缝间距和宽度都小。其布置深度小，即靠近板 顶面时，裂缝间距和宽度小。同时，钢筋与混凝土的粘结力增大或采用半径较小 的钢筋，能使裂缝间距及宽度减小。 6 第一章绪论 ( 6 ) 基层类型 比利时的经验表明，将c r c p 铺筑在沥青处治的基层或整平层上，其横向裂 缝间距较小且开裂较为均匀；而铺筑在贫混凝土上的c r c p ，其开裂间距不均匀。 ( 7 ) 施工养生条件 在高温( 3 2 ) ，低湿度( - o r o a ( 3 8 ) ( 4 ) 钢筋受拉的伸长与钢筋受压的缩短量相等，钢筋拉伸与压缩相等，可以 下式表示： ( 1 - a ) 竽+ r 挚= o b 。 威 b 。 ”口，警+ 警一瓷r 。肛。 p 9 ， 由上面两式( 3 8 ) 、( 3 - 9 ) n - - j 得： 吁百e o o f a “加t o ) - 1o a ( 3 1 - a ) “o ) - 一窨口： ( 3 - 1 0 ) k 磊一 6 4 ( ( z + 丁) e 一玎兰学) ( 3 1 1 ) 东南大学硕士学位论文 - _ _ - _ - 一_ 械忙鬻2 器代硪3 腮 ，一4 - 彳- c 2 仃一c 置i 忙忑万刁西瓦瓦丽瓦5 ( 3 - 1 2 ) 为保证路段l 范围内不再产生新的裂缝，则混凝土的拉应力o c 。不能超过混 凝土的极限拉应力o t 。令钢筋截面积与混凝土板断面面积之比为配筋率，即 ( 3 - 1 3 ) 得 一 可 一印 式 ， - 一 - - l 入 p ，t 4 4 = p 第三章连续配筋水泥混凝十裂缝间距的研究 1 3 0 0 1 2 1 2 0 0 1 1 0 0 9 0 0 8 0 0 7 0 0 0 1 21 31 41 51 61 7坞坞 钢筋直径( 觚) 图3 3 裂缝间距与钢筋直径的关系 0 5 80 60 6 20 6 40 6 60 6 8 配筋率( ) 图3 4 裂缝间距与配筋率的关系 通过图3 3 可以看出，在配筋率不变的情况下，裂缝间距随着钢筋直径的增 加而变大；通过图3 4 可以看出，裂缝间距随路面配筋率的增加而呈下降趋势。 3 2 裂缝发展及分布规律研究 前一节通过对c r c p 路面的力学推导，建立相应的力学方程，推导出了c r c p 裂缝间距的方程。并且通过该方程，进行了一些简单分析，但是理论推导的结果 与实际的裂缝间距的发展过程往往有很大的差距，一方面是由于在力学推导过程 m 湖 啪 脚 哟 啪 (【iv暇匣谍碟 一番一斟匣裂球 东南大学硕士学位论文 的简化，另一方面更重要的因素是它并未考虑裂缝随着时间的发展过程，因此， 存在着很大的局限性【2 5 1 ，本节主要是对试验路的相关观测的数据进行分析、归 纳，给出了裂缝发展的过程中随着时间的变化规律。并且与前面的理论推导的结 果进行了验证【2 6 1 。 3 2 1c r c p 某试验路段的基本情况 公路自然区划i i 区拟新建一条高速公路，采用c r c p 路面，路面宽9 m 。c r c p 厚度h c = 2 5 e m ，采用巾1 6 螺纹钢作为纵筋，纵向钢筋配筋率形= 0 5 ，并且设置 在c r c p 面层板厚的1 2 处，其中混凝土模量e e = 3 0 x 1 0 4 m p a ，“，= 0 2 ，纵向钢 筋的模量e 。= 2 x 1 0 5 m p a ，u = 0 2 8 ；基层厚度= 4 0 c m ，弹性模量历= 8 0 0 m p a ； 路基模量为e t = 6 0 m p a 。 经交通调查得知，设计车道使用初期标准轴载日作用次数为2 0 0 0 。该道路 的交通量的年增长率为5 。对某试验路从开始铺筑后就开始观测，对其裂缝的发 展进行及时跟踪观测。为了保证观测的准确性，选取该实验路的三段进行观测分 析，每段长1 0 0 0 m ，通过长期的观测三段实验路及其变化规律。为了抵消温度 应力的影响，且试验路观测的时的温度都为1 5 c 。 表3 2 路段1 的观测结果 l 2 1 8 5 0 5 2 6 8 3 0 o 0 19 2 3 0 7 7 1 4 7 0 5 8 8 第三章连续配筋水泥混凝土裂缝间距的研究 从上面的对三段试验路的裂缝的间距的随着时间变化规律可以看出，这三段 试验路的变化规律较为接近。通过对数据观测看出，他们可以近似看作成幂函数 关系。因此，可以令： z = kxf 口 ( 3 1 5 ) 对其两边取对数得： l nl = i nk + 口l nt 因此可以对他们采用线性进行模拟。三段路面的取对 数的关系如下。 东南大学硕士学位论文 3 5 3 2 5 酽 f 5 l 0 5 0 图3 5 路段l 的取对数后的拟合结果 0l 3 2 5 2 茸1 5 l 0 5 0 2 3n k 56t8 图3 6 路段2 取对数后的拟合结果 0 l234 567 89 l r = 图3 7 路段3 取对数后的拟合结果 3 2 第j 章连续配筋水泥混凝土裂缝间距的研究 3 2 2c r c p 裂缝发展的三个阶段 随着混凝土龄期的增长路面板裂缝数不断增加，尤其在前3 0 d 左右的时间 内，c r c p 裂缝数增长迅速，其后其增长速度变缓。经过两年左右的发展，裂缝数已 经接近稳定。因此，可以把c r c p 裂缝间距的发展过程分为三个阶段，裂缝间距 高速发展期、裂缝间距的发展期、裂缝间距的稳定期三个阶段。对于与研究c r c p 的荷载应力而言，由于c r c p 的裂缝间距高速发展期时间很短，因此，在研究荷 载应力时候只需要简化考虑为裂缝间距的稳定期与发展期两个阶段。通过表 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 可以得出裂缝的发展期时间厶大约在两年左右。 3 2 3 冲断的临界间距厶 从上表中可以看出裂缝间距在0 4 m - - 一0 6 m 之间的裂缝条数在两年后的条数 较为稳定，一般在6 到7 条。这与a a s h t o2 0 0 2 中l t p p g p s 5 试验路段给出的冲 断频率 2 2 1 发生规律相吻合的，如图3 8 ，从中可看出，当裂缝间距小于0 6 m 时发 生冲断的概率大约在9 0 左右，在裂缝间距在0 4 m - 0 6 m 之间发生冲断的概率达 到了6 5 左右，因此，可以认为0 5 m 为冲断发生临界间距厶，因此，在下面研究 的荷载应力过程中，选取临界间距厶= o 5 m 作为荷载应力分析的下界。 裂缝间距( c a ) 图3 8l t p pg p s 5 试验路段的窄段的冲断的频率 3 3c r c p 裂缝发展的规律公式拟合 由图( 3 5 ) 、( 3 6 ) 、( 3 7 ) 口- t 得，随着混凝土龄期的增长，裂缝数不断增加，裂缝 平均间距随之不断减小，龄期在两年内，裂缝间距减小迅速，然后趋于稳定。对 东南大学硕士学位论文 上面的数据用最d , - 乘法进行拟合，得到裂缝间距随看时间的变化规律： 路段1 、2 、3 中的裂缝间距随时间的变化规律分别为： = 6 9 6 7 x t 。0 4 2 6 ( 3 1 5 ) 乞= 7 0 x t m 4 2 8 ( 3 1 6 ) 乞= 7 3 x t m 4 3 5( 3 1 7 ) 综合三段实验路的结果，最后选取该试验路的裂缝随着时间的变化规律公式 为： j = 7 0 x t 卸4 3 ( 3 1 8 ) 考虑到c r c p 的设计的基准期为3 0 年，在设计基准期末，将t = 1 0 9 5 0 d 带入公 式3 1 8 得： 乙= 7 0 x ( 3 5 6 x 3 0 ) m 4 3 = 1 2 8 m 式中：乙为c r c p 设计基准期末的裂缝平均间距的预测值。 这与我国水泥混凝土规范中要求的裂缝间距在1 眦5 m 之间是相符的。 3 4 本章小结 本章首先对c r c p 的裂缝间距公式进行了推导，并且通过试验路对c r c p 裂缝间距发展过程进行了观测，并且在对c r c p 的裂缝间距发展进行的观测分析 的基础上，给出了c r c p 的裂缝间距的发展规律，并且拟合出了c r c p 的裂缝 间距的随着时间变化的公式，并且给出了临界间距厶，很好的把c r c p 的冲断与 裂缝间距之间的关系联系了起来。 但是只是针对某一条道路的，希望能够在以后的研究中，建立不同条件下试 验路：包括不同的气候条件下、不同的混凝土模量、配筋率等对裂缝间距的发展 有影响的相关参数，得出相应的裂缝间距的发展规律，并且进行比较，给出较为 准确的裂缝间距的发展规律以及临界间距值。并且能够对c r c p 的裂缝的宽度以 及裂缝的长度进行观测分析，其中裂缝间距的概率分布规律也是以后研究的重 点。 摹 第四章连续配筋水泥混凝土路面临界荷位的界定 第四章连续配筋水泥混凝土路面临界荷位的界定 在研究连续配筋水泥混凝土路面荷载应力时，首先要确定其产生最大荷载应 力的位置，即临界荷位。结合上一章中对c r c p 裂缝间距的研究成果，选取o 5 m 的裂缝间距作为研究的下界，以0 5 3 0 m 作为考虑的裂缝间距的研究范围，并 且采用等间距的方式分别建立c r c p 三维有限元模型，并且结合了c r c p 的路 面的特点，对六种可能出现临界荷位的位置分别进行了研究，并最终给出了 c r c p 的临界荷位以及疲劳临界荷位。为下一章的参数敏感性分析提供了基础。 4 1 本次研究的有限元模型的选用介绍 4 1 1c r c p 路面的基本假设1 2 7 i i 冽 为了便于实际c r c p 的有限元计算，并且结合实际c r c p 受力状况，提出 以下基本假设： a 、除c i 池p 外的各层都由均质、弹性、各向同性材料组成，弹性模量及泊 松比系数为易，蜥； b 、对于c r c p 板中素混凝土层呈现均匀各向同性，配置纵向钢筋、横向钢 筋之间完全连接，不产生滑移； c 、c r c p 的裂缝是与行驶方向垂直的，直线和等间距的；裂缝处不考虑混 凝土骨料嵌锁的传荷作用，只考虑钢筋的作用； d 、假定路面上层表面作用有垂直均布荷载，在无限远处和无限深处应力及 位移均为零。 4 1 2 依托工程实施方案介绍 ( 1 ) 河北省石家庄市张石高速公路试验段 河北石家庄市张石高速公路为全封闭6 车道高速公路，全长4 3 k m ，为连续 配筋混凝土路面。该依托工程能为连续配筋混凝土路面提供设计、施工方面技术 支持，如提供路面结构组合设计、各层材料原材料要求与配合比设计、路面各厚 度、施工技术指南、施工质量评价等。 ( 2 ) 1 1 1 西孙吴线电煤集运公路重载交通试验段 山西省孙吴线电煤集运公路工程全长7 0 k i n ，设计等级为二级公路。采用 3 5 东南大学硕士学位论文 3 0 c m 双层钢筋网水泥混凝土路面结构，设计弯拉强度5 5 m p a ，该工程于2 0 0 7 年4 月开工，预计2 0 0 8 年年底建成通车。试验路段安排在第七合同段，主线全 长4 k m ( k 3 4 - - 一k 3 8 ) ，为新建路段。该试验段重点考察连续配筋路面在重载作用下 的结构应力及变形规律。 ( 3 ) 湖南潭耒高速公路试验段 潭耒高速公路是国家“九五”重点工程之一，北起湘潭市马家河互通，上承长 潭高速公路，南至耒阳市陈家坪，下连耒宜高速公路，全长1 6 8 k m 。于2 0 0 0 年 1 2 月2 6 日通车。潭耒路自建成通车已运营7 年，因车流量太大，超载严重，多 处出现不同程度的破坏，预计2 0 0 8 年进行路面改造，拟采用连续配筋