（道路与铁道工程专业论文）连续配筋混凝土路面新型端部锚固结构研究.pdf

摘要 近年来，随着我国公路交通的快速发展，交通运输量不断增长，超载和重载车 辆在整个交通流中所占的比例增加，高等级公路早期破坏现象日益严重，而连续 配筋混凝土路面具有承载力强、耐久性好、行车舒适，能够在重载交通情况下， 提供较好的路用性能，具有较高的实用价值。 本文以连续配筋混凝土路面端部制动板锚固系统为研究对象，从路面纵向位移 与所需端部锚固力分析、有限元计算和试验路设计、施工、材料试验、现场观测 等方面对新型端部制动板锚固系统进行了分析和研究。 首先，介绍了国内外对连续配筋混凝土路面纵向位移与所需端部锚固力的研究 成果，推导了纵向位移和所需端部锚固力的计算公式，为端部制动板锚固系统设 计研究提供了理论依据。 其次，研究了新型端部制动板锚固系统结构及工作机理，提出了端部制动板锚 固系统设计方法，并得出了主要参数的影响规律。 再次，应用有限元软件计算了端部制动板锚固系统的位移与最大应力，将理论 计算模型和有限元模型的计算结果进行了比较，提出了适合不同工程条件下制动 板类型。 最后，依托贵州省贵阳市环城高速公路东绕线连续配筋混凝土路面改建工程， 介绍了设计方案，结合试验路段进行材料试验和现场观测，并总结了连续配筋混 凝土路面端部制动板锚固系统施工工艺。 关键词：连续配筋混凝土路面；纵向位移；端部制动板锚固；有限元；设计方法 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a sr o a dt r a n s p o r t ，t h eg r o w i n g v o l u m eo ft r a f f i ca n dt r a n s p o r t ，o v e r l o a d i n ga n d o v e r l o a d i n gv e h i c l e si ne n t i r et r a n s p o r t s t r e a mp r o p o r t i o ni n c r e a s e ，h i 曲- g r a d eh i g h w a y sg r o w i n gp h e n o m e n o no ft h ee a r l y d a m a g e t h ec r c ph a sas t r o n gb e a r i n gc a p a c i t ya n dd u r a b i l i t y , d r i v i n gc o m f o r t ，a b l e t oh e a v yt r a f f i cc o n d i t i o n s ，t h ep r o v i s i o no fb e t t e rr o a dp e r f o r m a n c e ，w i t hah i g h p r a c t i c a lv a l u e i nt h i s p a p e r , 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 te n d so fb r a k ep l a t e a n c h o r a g es y s t e ma sr e s e a r c ho b j e c t ，f r o mv e r t i c a ld i s p l a c e m e n to fr o a d ，a n a l y s i so ft h e r e q u i r e da n c h o r i n gf o r c e ，a n a l y s i so ft h er e q u i r e da n c h o r i n gf o r c e ，t e s tr o u t ed e s i g n ， m a t e r i a l st e s t i n ga n ds i t u , as y s t e m a t i cr e s e a r c ha n d a n a l y s i so ft h en e wt y p eo fb r a k e p l a t ee n da n c h o r a g es y s t e m f i r s t l y , i n t r o d u c e da th o m ea n da b r o a dc o n t i n u o u s l yr e i n f o r e e dc o n c r e t ep a v e m e n t a n dt h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n to ft h ea n c h o rf o r c er e q u i r e dt oe n dt h er e s e a r c hr e s u l t s d e r i v e dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n ta n dt h ee n do ft h ea n c h o rf o r c er e q u i r e df o rt h e c a l c u l a t i o nf o r m u l af o rt h eb r a k i n gp l a t ee n da n c h o r a g es y s t e md e s i g ns t u d yh a s p r o v i d e dt h e o r e t i c a lb a s i s s e c o n d l y , r e s e a r c h e dan e wt y p eo fb r a k ep l a t ee n da n c h o r a g es y s t e ma n dw o r k i n g m e c h a n i s mo fs t r u c t u r a la n a l y s i so fp r o p o s e db r a k ep l a t ee n da n c h o r a g es y s t e md e s i g n m e t h o d ，a n do b t a i n e dt h em a i np a r a m e t e r sw e r ei n v e s t i g a t e d t h i r d l y , a p p l i c a t i o no ff i n i t ee l e m e n ts o f t w a r et oc a l c u l a t em et i pb r a k ep l a t e d i s p l a c e m e n ta n dm a x i m u ms t r e s s ，t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nm o d e la n dt h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lr e s u l t sw e r ec o m p a r e df o rd i f f e r e n t p r o j e c t sp r o p o s e du n d e rt h e c o n d i t i o no f b r a k e p l a t et y p e f i n a l l y , r e l y i n go nh i g h w a y sa r o u n dt h ec i t yo fg u i y a n g ，g u i z h o up r o v i n c ee a s t w i n d i n gr o a dc 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 ee n g i n e e r i n g ，i n t r o d u c e dt h ed e s i g n , c o m b i n e dw i t ht e s ts e c t i o n so fm a t e r i a lt e s t i n ga n df i e l do b s e r v a t i o n s ，a n ds u m m a r i z e s t h eb r a k ep l a t ee n da n c h o r a g es y s t e mc o n s t r u c t i o np r o c e s s k e yw o r d s ：c r c p ；v e r t i c a ld i s p l a c e m e n t ；b r a k ep l a t ee n da n c h o r a g e ；a n s y s ； d e s i g n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名： 乡1 钍 日期：易彩年矿月2 ，日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论 文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网 络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：乡= 1 像 日期：纱屏印月陟日 指导教师签名嬲恳 日期：刃啤矽月日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列 数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定 享受相关权益。 学位论文作者签名：欠1 位 日期：移年华月7 扫 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 我国高等级公路主要采用沥青混凝土和水泥混凝土两种路面结构形式。沥青 混凝土路面具有平整度好，行车舒适，噪声小，易于维修，对路基的适应性强， 面层可以分层铺筑等特点。但是，沥青混凝土路面受温度影响较大，路面养护费 用高，使用年限短。水泥混凝土路面具有刚度大、强度高、稳定性好、耐疲劳、 抗冻性和耐磨性优良等优点，在任何温度条件下，均不会出现车辙、鼓包等现象， 而且，只要铺筑和维护得当，水泥混凝土路面的使用寿命将大大长于沥青混凝土 路面。但由于普通水泥混凝土路面在施工时不得不设置很多的接缝( 胀缝、缩缝和 施工缝) ，不仅增加了施工复杂性，而且降低了路面平整度，同时接缝处易引起渗 水、唧泥、错台、脱空等病害，成为混凝土板断裂、破碎等严重病害的隐患。为 了克服普通水泥混凝土路面的上述缺点，提高行车舒适性，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 ，以下简称c r c p ) 的路面结构形 式随之产生。 连续配筋混凝土路面是克服普通水泥混凝土路面的各种病害及改善路用性 能而采用的一种混凝土路面结构形式。主要表现在路面沿纵向连续地配有足够数 量的钢筋，以控制混凝土面板纵向收缩产生的裂缝宽度和数量。同时，在横向也 配有一定数量的钢筋来支撑纵向钢筋，施工时完全不设胀、缩缝( 施工缝及构造 所需的胀缝除外) ，由于连续配筋的约束作用，c r c p 裂缝能紧密接触，裂缝宽度 很小，确保荷载的传递，防止雨水侵入腐蚀钢筋，形成一条完整而平坦的行车道 面，从而消除了普通混凝土路面的薄弱环节，增加了路面板的整体强度。同时又 提高了汽车行驶的平顺性。 c r c p 与普通水泥混凝土路面相比较具有以下优点： 1 在纵向配置了连续钢筋，消除了普通混凝土路面的横缝，提高了裂缝处的 传荷能力，改善了板角和板边的工作状态，减弱了冲击荷载对板的破坏作用，大 大提高了整体强度和承载能力。与普通水泥混凝土路面相比，更加适应于重交通、 地基变形不均匀路段。 2 不设置接缝，在连续钢筋的约束作用下裂缝宽度很小，雨水很难渗入基层 而造成冲刷和侵蚀破坏，减少了裂缝处混凝土的剥落，提高了裂缝处的传荷能力。 3 消除了混凝土路面接缝处的行车跳动，平整度高，行车舒适。 4 使用寿命长，养护维修少，费用低，虽然初期投资高，但从全寿命周期来 分析是经济合理的。 2第一章绪论 1 2 连续配筋混凝土路面端部锚固介绍 与普通混凝土路面一样，c r c p 在季节性温度变化下将产生周期性移动，在板 中由于受到土体约束而无位移，但c r c p 的两端在一定长度范围内将会产生移动， 这种移动量有时高达l o c m 左右，如此大的移动量必须采取一定的措施加以限制， 以避免混凝土板被挤压破坏。目前国内外常见及我国规范推荐的端部设置有两大 类：一类是采用锚固装置，阻止变形发生，因而阻止了水平力对其它结构物的影 响；另一类是采用多处胀缝的设施，将端部位移逐步分散、消失，水平力也不再 存在。具体端部设置有以下几种：嵋1 端部锚固地梁 路面端部的变形控制主要依靠端部地梁所依靠的土基的抗剪强度予以平衡。 锚固设施一般无法完全限制c r c p 的端部变形，所以还应在与c r c p 连接的路面一 定范围内设置几条胀缝以消除残余变形。如图1 1 所示。 甚据觅曩范董土矗面量叠是疆土矗曹 11 烨蚪 鲤吣 一 卜 i 图1 1 端部锚固地梁 f i 9 1 1a n c h o r a g eg r o u n db e a me n d s 混凝土灌注桩锚固 在道路纵向设置多排( 一般一个车道一排) 混凝土灌注桩，桩顶与路面联成 整体。该构造也是靠土的抗力来限制端部变形。如图1 2 所示。 崔擦配筋琨蹬土龃l 酱通名昆鼹士呈募蔼 图1 2 混凝土灌注桩锚固 f i 9 1 2c o n c r e t ep i l ea n c h o r 第一章绪论 宽翼缘工字梁锚固 端部设置一条宽翼缘工字梁接缝，接缝下面设枕垫板，c r c p 端部搁置在枕垫 板上，可以自由活动，与工字钢连接的部位以胀缝填缝料填塞，工字梁下翼缘埋 入混凝土枕垫板内。在与c r c p 相连的普通混凝土路面中设置数条胀缝，以分散接 缝处残留的端部位移。如图1 3 所示。 连续配筋浞凝土路面普通混烃土路面 图1 3 宽翼缘工字梁接缝 f i 9 1 3w i d e - f l a n g eb e a mj o i n t s 连续设置多条胀缝 在c r c p 与普通混凝土路面连接处设置多条胀缝，将变形消除在这些胀缝中。 如图1 4 所示。 连续配筋棍凝土路面普通棍凝士路面 一、 卜一一型生一一 图1 4 连续设置多条胀缝 f i 9 1 4s e tan u m b e ro fc o n t i n u o u se x p a n s i o nj o i m s 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状p 卜 5 1 美国是世界上使用c r c p 最早及最多的国家。在二十世纪二十年代就修筑了第 一条c r c p 试验路，当时美国联邦公路局在华盛顿区附近修筑了长6 0 0 m 的试验路， 其中含有不同数量的纵向钢筋，以探索这一种路面的工作原理和使用效果。随后 得克萨斯州、弗吉尼亚州、宾西法尼亚州、马里兰州等地开展了大规模的工程实 验，得到了比较满意的结果。美国在全国修建高速公路时( 州际与国防公路系统) ， 铺筑了大量连续配筋混凝土路面，据统计，这种路面的总里程已达3 2 0 0 0 1 m ，经过 4 第一章绪论 多年的使用实践，绝大部分路面完好无损。 在端部位移研究方面，美国对c r c p 位移情况进行了长期的实地观测。密西西 比州、伊利诺州试验路的实地观察结果表明：较长的c r c p 中间段的变形完全被约 束，位移主要发生在自由端部7 5 m 范围内，位移总量为3 一- 5 c m 。另外，v a nb r e e m e n 曾于1 9 4 7 - - 1 9 5 7 年对一全长1 5 k m 的连续配筋混凝土路面的纵向位移做了长达1 0 年的连续观测，观测结果表明：c r c p 路面呈现整体性的收缩与膨胀，冬季收缩， 夏季膨胀，路面面板位移最大值约3 c m ；面板端部位移量较大，中间段几乎为零， 发生位移的过渡段长度约为3 0 0 m ；面板位移并不会一直增大，而与观测时的温度 有关。 比利时于1 9 6 0 年修筑了第一条c r c p 试验路，为原有路面的罩面。在1 9 5 8 一1 9 6 7 年间，比利时又兴建了一些c r c p 试验路，并于1 9 7 0 年开始，将c r c p 广 泛应用于汽车专用公路和其它重交通道路上。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，目前大约铺筑了5 0 0 k m 的连续配筋混凝土路面。 英国1 9 7 5 年一1 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降的 路段。 法国于1 9 8 3 年在巴黎东南部的道路重建中第一次引入连续配筋混凝土路面； 其后，1 9 8 6 年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 道路，包括重建和新建工程；现在c r c p 在法国 广泛应用于高速公路和其它重交通道路的新建和补强工程中，目前已修筑了约 5 5 0 k m 。 在澳大利亚，第一条c r c p 路面修建于1 9 7 5 年；1 9 7 5 年以后，在刚性路面 的总里程中，c r c p 占了2 0 。在亚洲，日本铺筑了大量连续配筋混凝土路面，泰 国于1 9 8 8 年在南北高速公路上铺筑了1 5 0 k m 长的连续配筋混凝土路面。 综上所述，c r c p 在国外已有了6 0 多年的修筑实践，现已广泛应用于干线公 路和机场道面。 1 3 2 国内研究现状m r 疆， c r c p 在我国的应用很少，1 9 8 9 年9 月在江苏盐城修建了长5 0 0 m ，宽7 m ，厚2 0 c m 的c r c p 试验路。1 9 9 6 年9 月铜川公路管理总段与西安公路交通大学在铜川境内的 2 1 0 国道上修筑了一段宽9 m ，厚2 2 c m ，总长3 3 5 m c r c p 试验路，端部锚固采用端部地 梁加胀缝的形式，初步积累了c r c p 的设计与施工经验，为c r c p 的研究提供了依托 工程。1 9 9 7 年，河南1 0 7 国道许昌段修建了路面宽2 3 7 5 米( 右幅) ，总长l o k m 第一章绪论5 的c r c p 。路面一端采用无宽边法兰梁，另一端靠近桥头采用端部锚固地梁加两道 胀缝的锚固形式。2 0 0 1 年长沙交通学院与湖南省高速公路公司在京珠高速公路耒 宜段修建了宽为2 1 1 2 5 m ，厚2 8 c m ，总长4 0 i k m 的连续配筋混凝土路面，端部锚 固采用宽翼缘工字梁的形式，这是c r c p 在我国高速公路上的首次使用。 在连续配筋混凝土路面端部锚固研究方面，国内东南大学黄晓明和唐益民等 考虑了摩擦力与相对位移之间的多种关系，建立平衡微分方程，并用反复迭代法 求解了端部锚固力。长安大学曹东伟根据地基摩阻力的不同计算模型，采用解析 法和分段迭代法计算了因升温引起的c r c p 端部锚固力，给出了端部锚固力的计算 方法；分别使用有限元法和矩阵位移法研究了端部锚固地梁的应力和位移；进行 了室内模型试验，实测了端部位移、路面板应力、端墙应力。 总体而言，随着我国高等级公路的建设发展及对路面使用性能要求的提高， c r c p 在我国高等级公路上将得到推广使用。但国内对c r c p 的应用和研究并不多， 设计、施工水平和研究深度与国际水平有一定的差距，只做了一些初步的研究工 作，详细的理论和应用技术还很不完善，尤其是c r c p 端部锚固设计，在规范上只 是简单的推荐了几种结构形式，而缺少相关的详细分析与计算，所以有必要对端 部锚固进行深入的理论分析研究，为c r c p 端部锚固的设计和施工提供一定的理论 指导。 1 4 主要研究内容和计算路线 本文研究了一种连续配筋混凝土路面端部新型制动板锚固系统，其主要研究 内容和关键技术路线如下： c r c p 纵向位移和端部锚固力研究和影响参数分析； 对新型c r c p 端部制动板锚固系统进行结构分析和工作机理研究，提出端 部制动板锚固设计方法； 利用有限元软件a n s y s ，对新型c r c p 端部制动板锚固进行有限元计算分析： 建立不同c r c p 板厚度、不同尺寸、不同温差、不同地基强度、不同混凝土弹性模 量和线膨胀系数情况下制动板有限元模型，对端部制动板锚固受力状况数值模拟， 并验证理论研究结果。 结合c r c p 试验路工程的修筑，进行材料试验和现场观测，总结c r c p 端部 制动板的施工技术、材料组成设计技术等。 6第二章连续配筋混凝土路面纵向位移与端部锚固力分析 第二章连续配筋混凝土路面纵向位移与端部锚固力分析 2 1 路面温度变化引起纵向位移分析 2 1 1 理论分析 为叙述连续配筋混凝土路面端部锚固的设计原理与方法，必须先剖析此种路 面纵向位移的规律。c r c p 由于温度变化而热胀冷缩，这种因温度变化产生的温度 变形受到约束阻力而产生温度应力。 首先理论分析无端部约束的自由板的受力与位移情况。由于钢筋的热膨胀系数 与混凝土非常接近，可认为c r c p 内部的配筋对面板整体位移没有影响。如果路面 板在温度变化时可以自由伸缩，就没有任何内力产生。图1 表示一长度为的混凝 土路面板，无端部锚固，存在板底摩擦阻力，在温度变化时可以发生位移6 ，板体 内部应力为a 。嘲 对这个模型提出以下3 点假设： ( 1 ) 路面板的厚度与密实度均匀一致，具有线性弹性性质。 ( 2 ) 路面板在无外力锚固的情况下，由于温度变化引起的体积变化是均匀的。 ( 3 ) 板底摩擦系数均匀一致，与基层的类别有关。 根据路面板的位移趋势与承受摩擦阻力的情况，可以将长度为l 的路面板分为 滑动黝b 、c d 和固定黝c 。在固定段内面板无位移发生，因而也不会产生摩擦阻 力。在滑动段，面板产生不同程度的位移，同时存在摩擦阻力。 图2 1 表示混凝土路面板在温度发生变化时所产生的位移艿，作用于板底的摩 擦阻力f ，以及混凝土板体内部应力仃沿板长三的分布。 a 6 a 6 d c 叨皿d 血皿 _ r 一o 。一e=-：i i-l i 。 卜j j u 图2 1 盯、f 与仃沿板长的分布图 a ) 降温，收缩b ) 升温，膨胀 第二章连续配筋混凝土路面纵向位移与端部锚同力分析7 f i 9 2 1 盯、fa n d c ra l o n gt h e p l a t el e n g t hlo ft h ed i s t r i b u t i o n a ) c o o l i n g ，s h r i r t k a g eb ) h e a t i n g ，e x p a n s i o n 板底的摩擦力 当路面板的温度改变时，体积也随之变化，路面与基层之间的摩擦阻力对变形 起抑制作用。路面板与基层之间存在的摩擦阻力是一种主要的约束。这种阻力， 不同于一般所认为的面板底部与基础表明之间的滑动摩擦。由于现场浇筑的混凝 土的水泥浆渗入基础，与基础表层材料粘结结成整体，当面板出现滑动趋势时， 阻力来自基础材料内部的水平抗剪力。因此，这种摩擦阻力在数量上远远超过一 般的摩擦阻力。 摩擦阻力的分布与位移的趋势有关，在固定段b c 内，面板无位移发生，因而 也不产生摩擦阻力，板底摩擦力为零；在滑动段仰、c d 内，面板有位移发生，同 时存在摩擦阻力，f 是均匀分布的： r = p h f 式( 2 1 ) 式中：f 一路面板与基础之间的摩擦阻力； p 一混凝土的密度( 单位重) ； 卜路面板的厚度； 产摩擦阻力系数，取值为1 0 ，平均取1 5 。 路面板内应力 路面板内应力。的分布，对于两个不同的区段，可分别计算。在固定区b c 以 内，面板无位移发生，形似完全固端约束，其温度应力为： 仃= a e t式( 2 2 ) 式中：仃一路面板内温度应力； a 一热胀系数； e 一混凝土弹性模量( m p a ) ； 卜温差，通常可取施工温度与最高( 或最低) 温度之差。 在滑动区a b 、c d 以内，板体应力可按下式计算： 仃= p f x式( 2 3 ) 式中：广计算位置至端部的距离。 若将，代入式( 2 。3 ) ，即可得到滑动区内最大的应力( b 点、c 点) ，即： = 吒= 鹏 式( 2 4 ) 式中：路面板b 点温度应力； 晖一路面板c 点温度应力； 厂一路面板滑动区长度。 滑动段长度 8 第二章连续配筋混凝土路面纵向位移与端部锚固力分析 由于b 点、c 点的应力与固定区应力是相等的，将式代入式，可以得出滑动 区的长度l i ： ， a e t l = 一 1 p f 式中：三厂一路面板滑动区长度； 口一热胀系数； 卜温差，通常可取施工温度与最高( 或最低) 温度之差。 p 一混凝土的密度( 单位重) ； e 一混凝土弹性模量( m p a ) ： 产_ 摩擦阻力系数，取值为1 o 2 0 ，平均取1 5 。 由式( 2 5 ) 可以明显的看出，滑动区的范围与三j 路面板的长度三无关，并不 是人们认为的板越长，滑动的范围越大。滑动区范围的越大。滑动区范围的影响 因素，除了混凝土本身的物理特性( 仅，e ，p ) 之外，主要取决于矗与厂。一般才 说，根据此公式算出滑动区长度为3 0 0 m 左右。 面板位移计算 由于温度下降t 所引起的板体收缩应变为： e - r - - 1 翊 式( 2 6 ) 式中：口一热胀系数； 卜温差，通常可取施工温度与最高( 或最低) 温度之差。 由于地基支承引起的均匀摩阻力阻止温度变形，对变形的约束应变q 为： 占，：z 竺 式( 2 7 ) 4 e l o 式中：严摩擦阻力系数，取值为1 0 2 0 ，平均取1 5 ； 广路面板单位面积质量( k g e m 2 ) ： 彳一单位宽度路面板的横截面积( c m 2 c m ) ； 互l 混凝土弹性模量( m p a ) ； 广计算位置至端部的距离( e r a ) 。 取路面板自由端部为x 轴的原点，如图2 2 所示： 固定点b 弋 a 一a ， 缍f f 勤套 f i 9 2 2a ni d e a lm o d e lf o rc r c p 第二章连续配筋混凝土路面纵向位移与端部锚固力分析9 则路面板内任意一点相对于原点的水平位移4 r 为： 晶却俨r 口肋+ r 船= 口+ 蒜 其总的变形，包括端部位移在内，任意点x 的位移为： 4 = 磊一磊+ 4 = 磊一口a + 蔫 位移分布曲线如图所示： f w x 2 6 产& 一a t x + 2 a e i 一 l f w 2固矗 6。= 茂- a t x 2 a e x 图2 3 连续配筋混凝土路面理想模型纵向位移曲线 f i 9 2 3a ni d e a lm o d e l f o rc r c pv e r t i c a ld i s p l a c e m e n tc u r v e 式( 2 9 ) 由图中位移分布曲线可知，当x = l ，曲线与坐标轴相切，位移为零，应变完 全被约束。可以由以下方程表示： 一口丁+ 坠，：o式( 2 1 0 ) 瓦一口丌+ 卫，2 ：0 式( 2 1 1 ) 解式( 2 1 0 ) 、式( 2 1 1 ) 可得出： j ：a e 1 0 口丁式( 2 1 2 ) 1 国 瓯= 筹( 四2 = 秽e 倒j 2 枷1 3 ) 式( 2 1 2 ) 与式( 2 1 3 ) 表示端部完全自由，无任何水平外力作用时，位移 过渡段的长度，与端部自由位移量皖的表达式。 1 0第二章连续配筋混凝土路面纵向位移与端部锚固力分析 2 1 2 实际观测 美国学者勃莱曼( v a nb r e e m e n ) 曾对一全长1 5 k i n 的连续配筋路面的纵向位 移作了l o 年的连续观测。图2 3 为观测的部分结果。横坐标为观测点的平面位置， 以路面左侧端部为起始点。纵坐标为各测点的水平位移量，位移方向指向横坐标 的正方向( 向右侧) 为正值，指向相反方向为负值。n 阳 1 2 7 o 6 3 o 0 0 - 0 6 3 - 1 2 7 1 9 0 1 2 7 o 6 3 位移( c m ) o 0 0 - 0 6 3 - 1 2 7 1 9 0 1 2 7 0 6 3 o o o - 0 6 3 1 2 7 l 1 _ 一 、 、 | r j 1 9 4 7 年1 1 月1 3 日 板温7 8 1 2 外侧车道 1 9 5 0 年1 月2 3 日 板温5 外侧车道 1 9 5 7 年6 月2 0 日 板温3 4 外侧车道 。罾董耋釜堇夏蓉吾誊里程( m ) 。o 。苫暑苫暑。1 2 、“7 图2 4 美国新泽西州试验路连续配筋混凝土路面的纵向位移图 f i 9 2 4 u s n e wj e r s e yc r c pt e s tr o a dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n tm a p 从图示的观测资料看，可得出以下结论： 连续配筋混凝土路面整体体现出夏季膨胀、冬季收缩的特点，而且膨胀量 与收缩量大小接近。 位移方向表明，连续配筋混凝土路面中间相当长的部分的变形完全被约束， 因此不可能产生水平位移。而且由图中位移曲线与理想模型纵向位移曲线有一定 相似性。 连续配筋混凝土路面呈现出整体性的过渡段，向路段中心减小，过渡段的 长度大约为3 0 0 m 。这与前面由公式( 2 5 ) 的结果一致。 连续配筋混凝土路面纵向位移总量与过渡段的长度，虽然是随具体工程情 第二章连续配筋混凝- 十路面纵向位移与端部锚固力分析 1 1 况不同而有所变化，但这种规律有一定的代表性。 2 1 3 参数影响规律分析 通过以上公式推导，影响连续配筋混凝土路面纵向位移的因素主要考虑下列 参数：路面厚度、混凝土弹性模量、混凝土密度、混凝土热胀系数、最大温差、 面层与基层之间的摩擦阻力系数。 初始计算参数取值为：e = 3 0 0 0 0 m p a ，9 = 2 4 5 0k g m 3 ，a = o 0 0 0 0 1 ，7 = 3 0 ， 产1 5 。 分析方法：只改变某一初始计算参数，其余参数不变，运用公式( 2 1 3 ) 进 行计算，以分析这一参数对结果的影响程度。 混凝土弹性模量的影响 分别取e = 2 8 0 0 0 、3 0 0 0 0 、3 2 0 0 0 、3 4 0 0 0m p a 时，计算结果如图2 5 所示。 从结果可以看出，路面板纵向位移随着弹性模量的增加而增大。 图2 5 混凝土弹性模量对纵向位移影响 f i 9 2 5 e l a s t i em o d u l u so fc o n c r e t ei m p a c to nt h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n t 混凝土密度的影响 分别取= 2 4 0 0 、2 4 5 0 、2 5 0 0 、2 5 5 0 k g m 3 时，计算结果如图2 6 所示。从结果 可以看出，路面板纵向位移随着密度的增加而减小，但幅度很小。 1 2 第二章连续配筋混凝土路面纵向位移与端部锚同力分析 图2 6 混凝土密度对纵向位移影响 f i 9 2 6c o n c r e t ed e n s i t yo nt h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n to ft h ei m p a c t 混凝土热胀系数的影响 分别取= 9 x1 0 - 6 、1 0 1 0 6 、1 1 1 0 6 、1 2 1 0 r 6 时，计算结果如图2 7 所 示。从结果可以看出，路面板纵向位移随着热胀系数的增加而增大。 图2 7 热胀系数对纵向位移影响 f i 9 2 7t h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n to f t h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n to ft h ei m p a c t 最大温差的影响 分别取t = 2 5 、3 0 、3 5 、4 0 。c 时，计算结果如图2 8 所示。从结果可以看出， 路面板纵向位移随着最大温差的增加而急剧增大。 图2 8 最大温差对纵向位移影响 f i 9 2 8m a x i m u mt e m p e r a t u r eo nt h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n to ft h ei m p a c t 第二章连续配筋混凝土路面纵向位移与端部锚固力分析 1 3 摩擦阻力系数的影响 分别取产1 3 、1 5 、1 7 、1 9 时，计算结果如图2 9 所示。从结果可以看出， 路面板纵向位移随着摩擦阻力系数的增加而急剧减小。 图2 9 摩擦阻力系数对纵向位移影响 f i 9 2 9f r i c t i o nc o e f f i c i e n to nt h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n to ft h ei m p a c t 由以上分析可知，连续配筋混凝土路面完全自由状态下纵向位移与混凝土的弹 性模量、容重和线膨胀系数有关，其中温差和基层顶面的摩擦对其影响非常明显。 另外，纵向位移公式中虽不直接包含板厚参数，但板厚不同时基层顶面的摩擦系 数会变化，进而间接地影响了滑动段长度和端部位移。所以若能对施工温度及最 大温差严格控制，选择适当的施工季节，并且通过选择基层材料，采用摩阻力较 大的基层，便可以对端部位移进行控制。 2 2 连续配筋混凝土路面端部锚固力分析 随着昼夜温差和四季交替变化，暴露在大气中的连续配筋混凝土路面板会热 胀冷缩，根据前面分析研究结果，路面板中部由于受到路基约束而无位移，但两 端在一定长度范围内将会产生周期性的移动，通过前面计算与实际观测，纵向自 由位移达2 5 。5 c r n 左右。因此，必须通过采取一定的措施对路面板端部施加一定 的锚固力以限制端部位移。下面将对连续配筋混凝土路面端部所需锚固力进行分 析研究。 2 2 1 理论分析 运用图2 1 中的模型来进行理论分析， 端部较远的路面板b c 不会产生伸长变形， 在升温条件下，距连续配筋混凝土路面 因为其变形会受到地基摩阻力的约束。 只有在端部附近的定距离内( 图2 1 中a b 段) 才会产生水平推移，这一段称为端 1 4 第二章连续配筋混凝士路面纵向位移与端部锚阎力分析 部锚固力计算的有效影响长度。 现取图2 1 中滑动区a b 段进行力学分析，如图2 1 0 所示，a b 段长度为l l ，根 据前面分析结果，b 点为固定端，不发生位移，正常状态下如( a ) ；当温度升高丁 后，a b 段将升温膨胀，在没有外力作用下纵向伸长自由位移量为8 0 ( b ) ；当在 路面板a 点处施加锚固力p 时，将a b 段顶住，限制其位移为嗔，则路面板a b 段实际位移为磊一嗔，如( c ) 。n u 固定喘ba b ) 固凑 溪 一l 鑫 图2 1 0 路面端部影响范围内力学分析图 a ) 正常状态下b ) 温度升高时端部自由位移图c ) 端部施加锚囤力时位移图 f i 9 2 10 r o a d s i d e ，w i t h i nt h es c o p eo ft h ed e p a r t m e n to fm e c h a n i c a la n a l y s i s 为简化计算，假定约束位移沿路面板长度呈直线分布，即路面板a b 段均匀 变形，跟据材料力学中胡克定律，可得出下式： 嗔= 堕e a 塑 y 户：鱼以 一 2 厶 将式( 2 5 ) 代入，可得出： z p - - 翱彩= 百8 s y h f 式中：p 一连续配筋混凝土路面端部锚固力( k n m ) ； 工厂一路面板滑动区长度； 彳一单位宽度路面板的横截面积( c m 2 c m ) ； e l 混凝士弹性模量( m p a ) ： 第二章连续配筋混凝土路面纵向位移与端部锚固力分析 t i 一路面板单位面积质量( k g e m 2 ) ； 嗔一端部被约束位移( m ) ； r 混凝土容重( k n m 3 ) ； 五一连续配筋混凝土路面板厚度( m ) ； _ 7 l 摩擦阻力系数，取值为1 眦0 ，平均取1 5 ； a 一热胀系数 卜温差，通常可取施工温度与最高( 或最低) 温度之差( ) 。 2 2 2 参数影响分析 影响连续配筋混凝土路面端部锚固力的因素主要考虑下列参数：路面厚度、 混凝土弹性模量、混凝土容重、混凝土热胀系数、最大温差、面层与基层之间的 摩擦阻力系数、端部容许位移。 初始计算参数取值为：h = 0 2 m ，r = 2 4 5 0k n m 3 ，口= o 0 0 0 0 1 。c ，t = 3 0 。c ，产1 5 ， 端部允许位移为0 c m 。 分析方法：只改变某一初始计算参数，其余参数不变，先运用公式( 2 1 3 ) 计算自由状态下纵向位移，再运用公式( 2 2 1 ) 以分析这一参数对结果的影响程 度。 端部允许位移的影响 当端部允许位移分别取0 、0 5 、1 、1 5 c m 时，计算结果如图2 1 1 所示。从结 果可以看出，随着允许位移的增大，路面端部所需锚固力减小。 图2 1 1 允许位移对端部所需锚固力影响 f i 9 2 1 1a l l o wd i s p l a c e m e n to ft h ei m p a c to f t h ea n c h o rf o r c er e q u i r e df o rt i p 1 6 第二章连续配筋混凝土路面纵向位移与端部锚固力分析 路面板厚度的影响 路面板厚度分别取h = 0 2 0 、o 2 3 、0 2 6 、0 3 0 m 时，计算结果如图2 1 2 所示。 从结果可以看出，随着路面板厚度的增加，路面端部所需锚固力急剧增加。 图2 1 2 路面板厚对端部所需锚固力影响 f 啦。1 2p a v e m e n tt h i c k n e s so nt h ei m p a c to f a n c h o rf o r c er e q u i r e df o r 卸 混凝土回弹模量的影响 分别取e = 2 8 0 0 0 、3 0 0 0 0 、3 2 0 0 0 、3 4 0 0 0m p a 时，计算结果如图2 1 3 所示。 从结果可以看出，随着混凝土弹性模量的增加，路面端部所需锚固力增加。 图2 1 3 混凝土弹性模量对端部所需锚固力影响 f i 9 2 13 c o n c r e t ee l a s t i cm o d u l u so ft h ei m p a c to ft h ef o r c er e q u i r e df o rt i p 混凝土容重的影响 分别取产2 4 、2 4 5 、2 5 、2 5 5k n m 3 时，计算结果如表2 1 与图2 1 4 所示。 第二章连续配筋混凝土路面纵向位移与端部锚同力分析1 7 从结果可以看出，随着混凝土容重的增大，路面端部所需锚固力基本不变，可见 混凝土容重不会影响端部所需锚固力。 表2 1 混凝土容重对所需锚固力影响计算表 t a b 2 1c o n c r e t eu n i tw e i g h to ft h ef o r c er e q u i r e dt oa f f e c to ft h et a b l e 混凝土容重( k n m 3 )完全自由时纵向位移( c m )允许位移为0 时所需锚固力( k n m ) 2 43 7 54 5 0 0 0 2 4 53 6 74 4 9 5 8 2 53 6 04 4 9 1 6 2 5 53 5 04 4 8 7 4 图2 1 4 混凝土容重对端部所需锚固力影响 f i 醇1 4 r e i n f o r c e m e n tr a t eo nt h ei m p a c to fa n c h o rf o r c er e q u i r e df o rt i p 摩擦阻力系数 分别取产1 3 、1 5 、1 7 、1 9 时，计算结果如表2 2 与图2 1 5 所示。从结果可 以看出，摩擦阻力系数变化不影响路面端部所需锚固力。 表2 2 摩擦阻力系数对所需锚固力影响计算表 t a b 2 2f i i c t i o nc o e f f i c i e n to nt h ei m p