（道路与铁道工程专业论文）GFRP筋连续配筋混凝土路面结构设计与施工技术研究.pdf

摘要 g f r p 筋连续配筋混凝土路面是指用g f r p 筋代替钢筋作为加筋层的一种连 续配筋混凝土路面。针对我国重载、超载严重，水泥资源丰富而沥青资源匮乏的 现状，研究和应用g f r p 筋连续配筋混凝土路面，具有很好的应用价值。 本文以国道3 2 4 线岑容一级公路( 梧州段) 试验路为工程依托，在室内自行 设计试验方法对g f r p 筋进行了材料性能试验，结合国内外现有研究，表明g f r p 筋为高强度、低模量材料。应用空间等参元有限元方法建立了g f r p 筋连续配筋 混凝土路面结构温度有限元模型，提出将g f r p 筋布设层按照实体单元建模，将 g f r p 筋连续化处理，并采用空间正交各向异性材料模型模拟加筋层。从模型整 体来看，面板的连续配筋特性被集中在g f r p 筋所在厚度范围，将纵向g f r p 筋 面积分摊在宽度范围内形成薄层。计算g f r p 筋连续配筋混凝土路面结构温度翘 曲应力，分析了横向裂缝间距、配筋率，路面板厚度、模量等结构参数对g f r p 筋连续配筋混凝土路面温度应力的影响，得出其影响规律与普通连续配筋混凝土 路面温度影响规律相似。在原有设计规范基础上，提出g f r p 筋连续配筋混凝土 路面的配筋设计方法、板厚设计方法、端部处理等方法。结合实体工程，总结g f r p 筋连续配筋混凝土路面的施工技术，并对试验路的裂缝做了观测及分析其形成原 因。最后，本文对g f r p 筋连续配筋混凝土路面经济性能进行了评价，得出从长 远利益考虑，g f r p 筋连续配筋混凝土路面具有较高的经济性，为g f r p 筋连续 配筋混凝土路面在我国高速公路上的推广提供了一定的理论依据和实践经验。 关键词：连续配筋混凝土路面；空间等参元有限元方法；g f r p ；温度翘曲应力； 端部处理 a b s t r a c t g f r p - c r c pi sac 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 tt h a tt h eg f r p t e n d o n sa sar e i n f o r c e d l a y e ri n s t e a do fs t e e l i nv i e wo fh e a v y d u t y ，s e v e r e o v e r l o a d i n g ，r i c hr e s o u r c e so fc e m e n ta n dl a c ko fa s p h a l tr e s o u r c e ss t a t u s ，r e s e a r c h a n da p p l i c a t i o no fg f r p - c r c ph a sav e r yg o o dv a l u e i n t h i sp a p e r ，b a s e do nt h et e s tr o a do fc e n r o n gf i r s tc l a s sh i g h w a y ( w u z h o u s e c t i o n ) o fn o 3 2 4n a t i o n a lh i g h w a y ，c o m b i n e dw i t he x i s t i n gr e s e a r c ha th o m ea n d a b r o a d ，p e r f o r m a n c et e s t so fg f r pt e n d o n si ns e l f - d e s i g n e dt e s tm e t h o d s ，s h o w st h a t t h eg f r pt e n d o n si s h i g hs t r e n g t h ，l o wm o d u l u sm a t e r i a l s t h eg f r p c r c p s t r u c t u r a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h et e m p e r a t u r ei sb u i l tb ys p a c ei s o p a r a m e t r i e e l e m e n tf i n i t em e t h o d ，i nw h i c ht h eg f r pt e n d o n sl a y e rt r e a t e dw i t hc o n t i n u o u s m o d e l e di ne n t i t yu n i t ，a n dt h eu s eo fs p a c eo r t h o t r o p i cl a y e ri n s t e a do fr e i n f o r c e d m a t e r i a lm o d e l f r o mt h ew h o l em o d e l ，t h e p a n e lf e a t u r e s o fc o n t i n u o u s r e i n f o r c e m e n th a sb e e nc o n c e n t r a t e di nt h et h i c k n e s so fg f r pt e n d o n st h a tt h es c o p e o ft h ea r e aw i l lb ea s s e s s e dl o n g i t u d i n a lg f r pt e n d o n si nt h ef r a m e w o r ko ft h e f o r m a t i o no ft h i n - l a y e rw i d t h c a l c u l a t i o no fg f r p c r c pt e m p e r a t u r ew a r p a g es t r e s s ， a n a l y s i so fc r a c k si nh o r i z o n t a ls p a c i n g ，r e i n f o r c e m e n tr a t i o ，p a v e m e n tt h i c k n e s s ， m o d u l u sa n do t h e rs t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fg f r p c r c pt e m p e r a t u r e s t r e s s ，i t s i n f l u e n c el a w si ss i m i l a rt o o r d i n a r y c r c p t h eg f r p c r c pd e s i g no ft h e r e i n f o r c e m e n t ，t h i c k n e s sd e s i g nm e t h o d s ，t e r m i n a lt r e a t m e n t sm e t h o d sa r ep r o p o s e d b a s e do nt h eo r i g i n a ld e s i g ns p e c i f i c a t i o n s c o m b i n a t i o no fe n t i t a t i v ee n g i n e e r i n g ， g f r p - c r c p sc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yi sc o n c l u d e d ，a n dt h ef o r m a t i o nr e a s o n so f c r a c k si nt h et e s tr o a dh a v eb e e no b s e r v e da n da n a l y z e d f i n a l l y ，t h i sp a p e rg i v e na n e v a l u a t i o no fe c o n o m i cp e r f o r m a n c eo nt h eg f r p - c r c pt h a tg f r p - c r c ph a sa h i g h e re c o n o m yf r o mt h el o n g - t e r mi n t e r e s t s ，w h i c hp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sa n d p r a c t i c a le x p e r i e n c ef o r t h eg f r p - c r c pp r o m o t i o no ne x p r e s s w a yi nc h i n a k e y w o r d s ：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 ；s p a c ei s o p a r a m e t r i c e l e m e n tf i n i t em e t h o d ；g l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ；t e m p e r a t u r e w a r p i n gs t r e s s e s ；t e r m i n a lt r e a t m e n t i i 本人郑重声明：所呈妫论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了 文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作 品。列席攻的研贫嘣出重要贡献的个 和集体，均已在文中以明确方墨才示明。本 完全意识到本 声明的法律后果由本 承担。 ：牟正良 日期少存r 刖7 日 本学位论文作者完淦了解学校确衰锞留、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皈，允许论文被查阅和借阅。本圾权长沙理工大学可以将 本学位论文的全韶司谙盼内容编入有关数据审撕亍检索，可以采用影印、缩印或岛膳笔黼峙瑟 保存和汇编本学位论文。 本学位蝴于 1 、保密口，在年解密后适用本拐踟己书。 2 、不毛樯口。 ( 请在以盼雕摊内打“ ) 懒：年正趋日期纱a 降k ) 弓1 7 s 剧嗽：庐研缈7 咖7 日 1 1 课题提出及研究意义 第一章绪论帚一早珀下匕 自1 9 8 8 年l o 月底我国第一条高速公路一上海沪嘉高速公路建成通车以来， 我国高速公路的发展虽然仅有2 0 年的历史，但发展非常迅速，目前已稳居世界第 二位。随着新千年的西部大开发，我国高速公路建设更是日新月异。高速公路在 我国干线公路网中所占比重也越来越大，承担着繁重的交通运输任务，所以要求 其路基路面结构必须具有良好的稳定性、耐久性和较高的服务水平。然而，从我 国目前已通车运营的高速公路来看，情况并非如此，许多高速公路的路面出现了 不同程度的早期破坏，如沥青路面的开裂、沉陷、车辙、泛油、水破坏、抗滑能 力不足，水泥路面的断裂、错台、局部脱空、接缝损坏、冲断，横向裂缝等【1 1 j 。 这些问题一再出现，原因是多方面的，但总体上反映出我国高速公路的设计、施 工和养护技术仍缺乏系统的理论和实践支持，特别是对长期的交通荷载和环境等 因素作用下路面性能变化规律缺乏足够深刻的认识。因此，开展路面长期性能的 研究，对于提高路面的服务能力和使用寿命是十分必要的。 我国高速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，易出现沉陷、 车辙、低温缩裂和高温拥包、泛油等现象。且易受水损害而导致沥青路面产生剥 落、坑槽及局部的结构性破坏，加之，沥青材料老化而导致其稠度和脆性增加， 使沥青路面过早出现龟裂、松散和坑槽破坏。从而导致沥青混凝土路面养护费用 高，使用年限短。近年来由于能源紧张和随之而来的石油产品( 包括沥青) 价格上 涨，导致沥青混凝土路面成本增加，影响了我国公路建设事业的发展。 为了缓解沥青供应的紧张充分利用我国丰富的水泥资源，提高路面的使用性 能，自1 9 8 9 年以来，水泥混凝土路面逐渐成为了我国高等级公路的一种重要的路 面结构形式。水泥混凝土路面具有刚度大、扩散荷载能力强、强度高、稳定性好、 耐疲劳等特点。其抗冻性和耐磨性优良，而且流经和渗透过水泥混凝土路面的水 对周围土壤和地下水无污染，是环保型路面类型，对油类、盐碱、酸类或其它易 腐蚀沥青的化学和生物介质相对不敏感，在任何温度条件下，均不会出现车辙、 拥包等现象。车辆在水泥混凝土路面上行驶比在沥青混凝土路面上行驶油耗相对 较低。水泥混凝土材料刚度大，脆性也大，特别是在路基和路面基层产生不均匀 变形和不均匀沉降时，很容易产生断裂破坏【5 7 1 。在温度和湿度发生变化时，混 凝土路面的体积会发生膨胀或收缩变形，为了避免混凝土路面板产生不规则的裂 缝，尤其是混凝土固化时的干缩裂缝，普通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) 。正是在这些接缝处，雨水很容易渗透到路面基层 而产生卿泥、错台等病害，影响行车的平稳性和舒适性。由于接缝处存在一定间 隙，汽车在行驶过程中会对接缝处产生冲击作用，使得附加的动力荷载加大，容 易造成接缝损害加剧。从而影响了水泥混凝土路面的使用品质。 连续式配筋混凝土路面( 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 ) 是改善路用性能而采取的一种形式，是高性能混凝土路面的重要类型之 一，适用于重交通高等级道路，c r c p 除了具有行车舒适，承载能力高，经久耐 用，养护维修少等显著优点外，克服了普通水泥混凝土路面由于横向胀、缩缝等 薄弱环节而引起的各种病害【8 1 4 1 ( 如错台，唧泥等) 。同时，在某些特殊条件下( 如 超、重载交通和不良水文地质条件) 更能显示出其它路面无法比拟的优越性。 连续式配筋混凝土路面主要是在砼面层内布设连续钢筋，施工时完全不设胀 缝、缩缝( 除施工缝及构造所需的胀缝处) ，形成一条完整而平坦的行车表面，改 善了汽车行驶的平稳性，同时也增加了路面板的整体强度。美国于1 9 2 1 年率先在 马里兰州使用c r c p ，现已建成c r c p 达2 3 0 0 0 k m 。 从连续配筋混凝土路面的应用来看，虽然c r c p 纵向连续配置足够数量的钢 筋，施工时可以不设接缝，但在温降和干缩作用下，仍然会不可避免地产生许多 随机横向裂纹，并随着使用年限的增加而逐步发展。当路面裂缝宽度达到一定程 度后，雨水和空气会很快的侵蚀配筋，造成路面的永久破坏。1 9 8 6 年，美国钢筋 混凝土协会( a c i ) 对得克萨斯等六个州的c r c p 进行调查，指出腐蚀是连续配 筋混凝土路面最主要的裂化因素，进而导致混凝土分层、剥落和钢筋断裂，最终 导致路面破坏。此外研究人员还发现由于混凝土与钢筋的轴向热膨胀系数存在较 大差异，会加速路面裂缝宽度的发展，最终严重影响路面的使用性能。 高强玻璃纤维筋( g l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ，简称g f r p ) 是由高性能的含 碱量小于0 8 的无碱玻璃纤维( e g l a s s ) 无捻粗纱或者高强玻璃纤维( s ) 无捻粗纱 和树脂基体( 环氧树脂、乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂) 、优质固化剂，采用拉挤 成型固化工艺复合而成表面形状为全螺纹式( 或其它有利于与混凝土粘结的形式) 的杆体，有着优良的耐腐蚀性能，不导电、轻质高强，而且g f r p 的热膨胀系数 比钢筋更接近于绝大多数混凝土，能够较好地克服材料膨胀收缩对于路面裂缝得 影响，是代替钢筋的一种理想材料，非常适用于连续配筋混凝土路面。 根据国外c r c p 的发展与使用情况及我国国情，可以预计c r c p 由于其优良 的使用性能必将在我国逐步得到推广，而采用新型g f r p 材料代替钢筋以解决传 统钢筋混凝土连续配筋路面的腐蚀、开裂问题，对c r c p 的推广和应用具有重要 学术价值和重大工程意义。因此，开展g f r p 连续配筋混凝土路面研究，并对其 2 工作机理与设计方法的进行深入研究，解决设计、施工技术难题，以寻找一种适 合我国实际使用情况，长寿命、高性能、综合成本低的路面结构。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外关于c r c p 的应用概况 最早应用c r c p 的国家是美国。2 0 世纪2 0 年代美国在马里兰州铺筑了第一 条c r c p ；1 9 3 8 年在印第安纳州对c r c p 开展了较系统的试验研究，修筑了一段 纵向配筋率各不相同的c r c p 试验路。之后，许多州进行了大规模的c r c p 工程。 现在c r c p 已广泛用于美国的干线公路和机场道面。经过长期使用后，c r c p 仍 表现出良好的使用性能，如在伊利诺斯州的e d e n s 高速公路上，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。 比利时在5 0 年代修筑了c r c p 试验路，随后又做了进一步的试验。1 9 7 0 年 开始，c r c p 被推荐应用于主要的公路。在1 9 7 0 - 1 9 9 0 年期间，比利时大约修建 了1 8 0 0 万平方米的c r c p 。1 9 8 1 年以后，所有高速公路都采用c r c p 的结构形 式。英国1 9 7 5 - - - 1 9 8 3 年在总长2 7 k m 的4 段公路上铺筑了c r c p ，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 试验路。1 9 8 9 年，英国在一段三车道4 8 k m 长的软土地基上修筑了c r c p 。现在，在英国采用c r c p 结构较为普遍。法国于 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 。1 9 8 5 到1 9 9 1 年 间，法国共修建了2 0 多条c r c p ，包括重建或新建工程。现在已经广泛用于高速 公路和其他重交通道路的新建和补强工程中。澳大利亚第一条c r c p 修筑于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 约占2 0 。此外，加拿大、意 大利、谣班牙、日本、泰国等很多国家都修筑了c r c p 。许多国家将c r c p 应用 于国道、汽车专用道路和城市道路，特别是高速公路和重要道路。 我国c r c p 应用较晚，东南大学、长安大学和长沙理工大学等科研机构进行 了c r c p 试验路和实体工程的研究工作。1 9 8 9 年9 月，东南大学在江苏省盐城东 郊铺筑我国第一条c r c p 试验路。该试验路长5 0 0 m ，2 x 3 5 m 两幅，厚0 2 m ，纵 向钢筋分别布置在板厚1 2 处以及板表面以下7 c m 处。目前部分横向裂缝间距较 短的区域出现较多的纵向开裂，导致了断裂的混凝土与路面分离，其他区域使用 情况较好。1 9 9 1 年，长春市郊区长大公路起点到胡家店路段修建了两段c r c p 试 验路，一段属重交通车道，长4 0 5 m ；另一段属轻型交通车道，长2 3 4 m 。1 9 9 5 年 8 月，东南大学在江苏省沿江新线镇江段铺筑了c r c p 试验路。该试验路长l k m ， 宽6 m ，板厚分别为2 0 c m 和2 2 c m 。目前整个试验路使用情况良好，未出现明显 的破坏。1 9 9 6 年，长安大学在陕西铜7 1 i 境内的2 1 0 国道西包公路上修筑了一段双 3 幅总宽9 m 、厚2 2 c m 的c r c p 试验路。1 9 9 7 年，河南许昌1 0 7 国道上修筑了宽 7 5 m 、厚2 4 c m 、总长1 0 k m 的c r c p 实体工程。2 0 0 1 年，京珠高速公路湖南耒 阳至宜章段修筑了4 0 1 k m 的c r c p 。这是我国目前规模最大的c r c p 工程，也是 我国第一次将c r c p 应用于高速公路。2 0 0 3 年，长沙理工大学在g 3 2 5 国道广东 恩平东段修筑了c r c p 试验路。该试验路为旧水泥混凝土路面的改造，其全长 1 1 7 k i n 、宽8 m 、厚2 4 c m 。之后在我国又铺筑了若干条c r c p 的试验路以及实体 工程。 从国内现有c r c p 的使用情况看，总体状况较好，能满足使用要求。但由于 经济、地域等方面的限制，国内c r c p 路面的运用还不是很广泛。 1 2 2 国内外关于g f r p 筋的研究 由于钢筋腐蚀引起的结构构件过早开裂己成为钢筋混凝土结构破坏的最主要 原因【s 】，人们一直在寻求能够替代钢筋用于混凝土中的加强材料。国外己经成功 研制出了钢筋的替代品一纤维增强筋( f r p ) 。纤维增强材料包括碳纤维( c f r p ) 、 玻璃纤维( g f r p ) 和芳纶纤维( a f r p ) 等等，其中应用最普遍的是玻璃纤维筋 ( g f r p ) 。g f r p 在民用建筑领域具有广阔的应用前景。可利用g f r p 的轻质、高 强、防腐和线性膨胀系数与混凝土接近的特点，将其制成筋材代替钢筋用于大跨 度混凝土预制梁及板，还可将加工成束状或索状，充当大型土木工程的拉索或悬 索，或用于公路路面工程，提高公路的质量和耐久性等。g f r p 筋既能代替钢筋 起增强作用，又无生锈之忧，比钢筋增强时具有更高的分散性和阻裂作用，弥补 了水泥或混凝土制品自重大、韧性差、抗冲击性能低等缺陷。g f r p 网格被广泛 的应用在隧道、飞机跑道、停机坪、道路路面等工程当中，同时由于具有无磁性， g f r p 网格被广泛的应用在医院、科学研究实验室和观测站中。 1 9 6 0 年，美国开始研究用g f r p 筋作为混凝土的增强材料，但是由于筋抗剪 性差而遇到挫折。1 9 9 7 年美国提出了筋性能试验规程和预应力梁疲劳性能等阶段 性成果。随后，美国联邦公路管理局包括预应力大梁和桥面板设计研究计划，于 2 0 0 0 年初完成。此后，美国设计施工了多项供研究及示范用的工程，如2 0 0 4 年2 月美国佛蒙特州建成了该州第一座复合材料桥，长4 3 9 m ，宽1 0 4 m ，该桥在混 凝土桥面板中用g f r p 筋代替了钢筋，并实现了智能监控。现在，美国成立了相 应的专业委员会i ( a c ic o m m i t t e e4 4 0 ) ，编制了f r p 及其混凝土结构的试验方法 标准和设计施工规程。 日本在2 0 世纪7 0 年代就进行了f r p 的应用开发。日本现已开发出各种f r p 筋( 包括圆形的、方形的、变形的) 、f r p 绞线、三维和平面格状材、片材、板材。 在日本使用最多的是c f r p ，其次是a f r p 和g f r p 。近年来，f r p 片材己经开始 使用玻璃和聚乙烯纤维。日本于1 9 9 3 年编制了世界上第一个f r p 设计施工规范， 4 并于1 9 9 7 年发行了欧洲版本。f r p 片材在1 9 8 7 年作为一种抗震材料提出，1 9 9 5 年神户大地震之后，迅速开展了f r p 片材的使用和开发，并编制了相应的设计施 工规范。1 9 9 7 年日本的土木工程学会( j s c e ) 提出了连续纤维材料增强混凝土结构 的设计和施工建议。 加拿大在1 9 9 5 年成立了专门研究纤维塑料增强、加强混凝土结构的专家委员 会，简称i s i s 。该委员会由加拿大国家研究院、著名高校和公司的有关专家组成， 采用首席专家及分项专家负责的联合公关组，1 9 9 7 年和1 9 9 8 年政府投入多3 0 0 0 万加元用开发新型的纤维增强塑料产品以及研究纤维塑料增强、混凝土结构的性 能。 德国在1 9 8 0 年建造的l u n e n s c h e g a s s e 桥和1 9 8 6 年建造的u l e n b e r g s t r a s s 桥，桥中均采用了g f r p 筋。1 9 9 1 年德国在l e v e r k u s s e n 建造了一座三跨的预应 力公路桥，桥面板中配置了2 7 根g f r p 索作预应力索。1 9 9 5 年在英国建造了欧 洲第一座全部采用g f r p 配筋的人行桥。桥板双向配有双层g f r p 筋，直径为 5 m m 。 g f r p 筋也可以应用于连续配筋混凝土路面，2 0 0 2 年，r o g e rh l c h e n l 和 j e o n g h o o nc h o i 对g f r p 连续配筋混凝土路面的开裂和温度应力进行了研究，认 为采用g f r p 筋可以减小混凝土路面的内部温度应力和钢筋腐蚀，可以较好地减 小路面开裂。2 0 0 5 年，美国联邦公路局发布了第一个g f r p 筋连续配筋混凝土路 面研究报告 1 5 1 ( d e s i g no fc 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 su s i n gg l a s s f i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e rr e b a r s ) ，研究了g f r p 筋连续配筋混凝土路面的应力分 布问题和设计指标及参数，为g f r p 筋连续配筋混凝土路面设计提供了切实可行 的指导规范。 1 9 9 7 年，我国开展碳纤维布补强加固钢筋混凝土构件的研究工作，其中国家 工业建筑诊断与改造工程技术研究中心最早进行了这项工作，之后，有许多高等 院校和科研单位也进行了碳纤维的研究。国家工业建筑诊断与改造工程技术研究 中心、天津大学、清华大学、东南大学等单位先后对c f r p 和g f r p 补强加固钢 筋混凝土构件开展了一些研究工作，得到了一些成果。2 0 0 0 年6 月，在北京成立 了中国土木工程学会混凝土与预应力混凝土分会纤维增强塑料( f r p ) 及工程应用 专业委员会，并召开了“首届纤维增强塑料混凝土结构学术会议”，出版了中国纤 维增强塑料( f r p ) 混凝土结构学术交流会论文集；2 0 0 1 年8 月，在青岛召开了“中 国土木工程学会f r p 及工程应用委员会会议”；2 0 0 2 年7 月，在昆明又召开了“第 二届土木工程用纤维增强复合材料应用技术学术交流会”。通过学术交流促使纤维 增强复合材料在上木工程建设中的研究、应用以前所末有的规模全面展开。 近几年国内己经有部分院校在研究纤维筋增强混凝土结构，例如，同济大学 的薛伟辰等在国内率先开展了g f r p 筋混凝土结构的探索性研究，研制生产了国 5 内首批g f r p 螺纹筋和光圆筋，对g f r p 筋在不同环境介质中的粘结锚固性能的 研究，对g f r p 筋普通混凝土梁的受力性能的研究等。郑州大学的高丹盈等通过 对受压区和受拉区混凝土应力一应变关系曲线的简化，建立了纤维增强塑料筋混 凝土梁弯矩曲率的计算模式，提出了纤维增强塑料筋混凝土梁弯矩矩曲率的简化 计算公式以及相应的载荷挠度的计算公式。东南大学于1 9 9 6 年组成了由中国工程 院院士吕志涛教授领导的f r p 专项研究课题组，进行了富有成效的研究工作。 2 0 0 1 年，浙江大学欧阳煜对玻璃纤维( g f r p ) 片材加固混凝土框架结构的性能进行 了研究。2 0 0 3 年，大连理工大学周长东对g f r p 加固混凝土柱的力学性能进行了 研究。2 0 0 4 年，西南交通大学崔强对g f r p 混凝土构件的斜截面抗剪性能进行了 研究，并指导了相关工程设计。2 0 0 7 年，河海大学陈诗学对g f r p 与混凝土粘结 性能耐久性短期进行了研究。2 0 0 7 年，广东省质量技术监督局送审了土木工程用 高强玻璃纤维筋( g f r p ) 的地方标准，该标准适用于矿山、隧道、边坡支护，盾 构端头井掘进，连续配筋混凝土路面等可以应用高强玻璃纤维筋g f r p 部分代替 钢筋的土木工程领域，主要技术内容为确定“土木工程用高强玻璃纤维筋( g f r p ) ” 的材料性能和基本试验方法以及可以部分替代钢筋的使用范围。 1 2 3 国内外c r c p 设计方法研究进展 c r c p 设计的主要问题是板厚、配筋及端部结构。最初的c r c p 设计方法中 路面厚度设计和钢筋设计是作为独立因素分别考虑的【1 6 1 0 1 。路面厚度按设计图设 计，设计图是基于路面厚度为2 5 。5 0 c m 、板中加载条件绘制的。早期设计图是由 w c s t e r g a a r d 分析得出，后根据从a a s h t o 试验路结果，考虑荷载重复作用进行 了修改。 1 2 3 1 国外c r c p 设计方法研究进展 国外早期的c r c p 厚度设计方法考虑了纵向钢筋承受荷载的作用，曾采用较 普通水泥混凝土路面略为减薄的厚度，但经过4 0 年的观测，对交通量特别繁重的 道路，大部分有明显的损坏。实际上，纵向连续配筋的作用是约束变形，防止裂 缝宽度增大，提高路面使用品质，它不分担截面的弯拉应力，因此c r c p 的厚度 计算原则与普通混凝土路面相同。现行的从a a s h t o 设计方法中，确定c r c p 厚度的方法与确定接缝式混凝土路面厚度的方法基本相同，主要差别在于c r c p 允许采用稍小的传荷系数。 美国混凝土学会( a c i ) 的设计方法以接缝式水泥混凝土路面( j c p ) 的设计方法 为基础，引入荷载传递因素j ，绘制了新的诺模图，认为c r c p 板厚较j c p 可减 小1 0 。2 0 2 q 。英国运输与道路研究实验室研究发现，在钢筋混凝土路面( j r c ) 板 中增加钢筋含量会提高路面使用性能，厚度薄而钢筋含量大的j r c 板能够很好地 6 限制全长范围的裂缝，使之不致变宽。并将c r c p 设计曲线与具有高纵向配筋率 的j r c 曲线进行分析比较，得到可用于工程设计的厚度计算诺模图。 关于钢筋设计，早期采用混凝土抗拉强度与钢筋抗拉强度之比进行计算。维 托( v e t t e r ，c p ) 提出了一种解析方法，在确定纵向钢筋配筋率时，考虑混凝土干 缩应力、温缩应力和钢筋屈服应力，给出了最小配筋率的公式。 a a s h t o 所建议的纵向钢筋设计方法是根据美国各州试验路的调查结果，将 裂缝间距、裂缝宽度和钢筋应力三个指标作出纵向钢筋用量百分率的设计诺模图 口1 1 。在实际中则通常根据经验确定钢筋含量。如美国一般气候区配筋率约为0 6 ， 北方各州由于冬季使用，温度变化大，钢筋含量大约在o 6 5 一o 7 0 ，比利时目前 使用的钢筋含量为0 6 7 。 另外，关于纵向钢筋在断面上的位置存在着一些不同的观点。一项室内试验 表明，钢筋放在板的上部时产生的应力大于钢筋放在板的下部，推荐的最佳位置 为板中部以下2 0 m m 处，以使板顶面与底面裂缝宽度基本相等。另一些室内试验 表明，纵向钢筋如设置在板的中部，其防止路面开裂和剥落方面的性能要优于钢 筋放在板的上部。 c r c p 不设胀缝和缩缝，如果对路面端部变形不采取限制措施，端部就会产 生相当大的位移( 位移总量可达3 。5 c m ) ，位移受阻会产生相当大的破坏力 1 6 1 。所 以在c r c p 与桥头或其它种类路面相接处，必须对端部进行特殊锚固设计。端部 结构有凸形锚固地梁、混凝土灌注桩锚固和宽翼缘工字梁接缝等几种类型。端部 锚固设计主要包括锚固力的计算和锚固力作用下端部的应力与位移分析。在锚固 力的计算方面，国外假定板底摩擦系数均匀一致，而路面板与基层之间的摩擦力 与两者之间的相对位移有关，也就是说相对位移不同时板底摩擦系数也不同，因 而这个假定是不正确的。在端部的应力与位移分析方面，国外将路面假设为一长 梁，锚固件所承受的侧向力假定呈线性分布，并假设相当于在合力中心，即2 3 h 处有一集中力作用，然而并没有充足的理由证明这种简化的正确性。 1 2 3 2 国内c r c p 设计方法研究进展 国内，东南大学的王小林、邓学钧等人于1 9 8 9 年最早开始对c r c p 的基本 理论、试验和设计方法展开了研究，讨论了裂缝间距和宽度的估算与控制标准， 提出了端部位移、锚固及c r c p 设计方法。以保证混凝土与钢筋建共同作用和混 凝土应力达到极限抗拉强度为原则，确定了最佳裂缝间距下限：以控制裂缝处混 凝土剥落为原则，对最佳裂缝间距上限进行了分析；根据水流渗透性和裂缝剥落 建立了缝宽控制标准；得到了裂缝间距和缝宽的上下限范围。东南大学唐益民、 黄晓明等采用三维有限元方法，建立了裂缝弹簧模型，提出了考虑裂缝处传递水 平力的局部迭代法，编制了相应的有限元分析程序，分析了路面结构参数对荷载 应力的影响。长安大学王虎将c r c p 视作w i n k l e r 地基上对边自由无限长复合 7 材料层合板结构，运用三角级数和傅里叶变换方法，得到横向局部荷载作用下路 面挠度和应力的精确解析解【2 2 1 ，并分析c r c p 中配筋时的位移、应力以及地基模 量、板厚、配筋率对板承载性能的影响规律。东南大学陈云鹤、邓学钧将c r c p 作为复合材料，利用细观力学等方法研究其各向工程弹性常数，运用各向异性板 理论分别建立两种弹性地基模型上受荷载作用下的静力平衡微分方程组1 2 引。通过 对荷载作傅立叶级数等方法展开，并采用逆解法来获得c r c p 的荷载应力解析解。 利用复合材料力学等理论推导了c r c p 的温度应力，建立了受温度作用时路面板 的平衡微分方程组，将地基反力和板与地基间的摩擦力函数按照切比雪夫多项式 展开，得到配筋板的约束变形与应力。运用流变力学理论，分析了c r c p 早期开 裂过程，建立c r c p 早期缝宽的简易计算模型。计算表明配筋率是影响缝宽的主 要因素，厚度对缝宽的影响不明显。长沙理工大学张起森等采用三维有限元法对 地基局部脱空条件下的c r c p 进行荷载应力分析。分析中为考虑裂缝传递横向力 的特性，提出位移边界一维搜索法。用编制的有限元程序对多种情况下c r c p 内 的混凝土、钢筋应力进行了计算，对路面的维护提出了建议。东南大学高俊启、 邓学钧考虑了温度、湿度、荷载等影响因素，分析裂缝的开裂模式和主要影响因 素。结合c r c p 试验路的设计和施工，分析了c r c p 横向裂缝的内在机理，研究 了裂缝间距和缝宽的算方法及控制标准。长安大学胡长顺、曹东伟、田寅春等在 荷载应力分析中，将c r c p 中纵筋作连续化处理，建立正交各向异性薄膜单元， 对c r c p 荷载应力进行三维有限元分析，得到了c r c p 的临界荷位和配筋率等参 数对板底应力的影响规律，并与普通混凝土板的荷载应力进行了对比1 2 4 。在温度 应力分析中，建立了考虑钢筋与混凝土间粘结滑移本构关系的c r c p 温度应力计 算模型与微分方程，并求得c r c p 在降温和干缩变形作用下的解答，分析了参数 的敏感性和混凝土徐变所引起的松弛应力效应。根据地基与混凝土接触面剪切变 形非线性相互作用关系，求得c r c p 端部力学计算的解析解，分析了不同条件下 端部c r c p 温度应力及其变形，通过分析设计参数变化对计算结果的影响，提出 了端部锚固力实用计算方法。东南大学叶丹、黄晓明用等参八结点钢筋单元模拟 钢筋的作用，用裂缝单元模拟纵向钢筋在裂缝处的传荷作用，分析了裂缝间距、 配筋率、地基模量和配筋位置对c r c a c 复合式路面c r c p 的荷载应力的影响。 长安大学张洪亮、王秉钢等采用有限元法对锚固力作用下凸形锚固地梁的应力和 位移进行了计算，以端墙顶端位移、端墙最大拉应力和路面板最大拉应力为主要 控制指标，提出了墙高、端墙间距、墙宽的确定方法，给出了供c r c p 端部锚固设 计使用的诺谟图。长沙理工大学李卓、苏清贵等结合耒宜高速c r c p 试验路的调 查结果，分析了c r c p 早期横向开裂的影响因素以及成因，为合理控制裂缝间距、 缝宽和钢筋应力提供了参考依据【2 r2 刚。东南大学卢杨利用有限元模型对c r c p 的 荷载应力进行了计算分析，得出了结构参数对c r c p 荷载应力的影响规律，推导 8 了包含设计因素较少的c r c p 荷载应力计算公式，对c r c p 的温度应力进行了计 算分析，得出了相关结构参数对c r c p 温度应力的影响规律2 7 1 。 目前，国内钢筋混凝土连续配筋路面的应用十分有限，：公路水泥混凝土路面 设计规范( j t gd 4 0 2 0 0 2 ) 也是参考国外规范对一些技术关键点提出要求，相对 来讲一些问题没有很好的回答。而现行的j t gf 3 0 2 0 0 3 公路水泥混凝土路面施 工技术规范对c r c p 施工过程中钢筋设置、施工缝的处理及开放交通等方面没 有详细的说明，c r c p 路面的设计、施工等还有待于深入研究。 1 3 主要研究内容与技术路线 1 3 1 主要研究内容 本文研究的主要内容是： ( 1 ) g f r p 筋材料性能研究。 ( 2 ) 提出g f r p 筋连续配筋混凝土路面结构设计方法。 ( 3 ) 通过对实体工程的施工技术研究，提出g f r p 筋连续配筋混凝土路面施 工方法。 1 3 2 技术路线 本文以国道3 2 4 线岑容一级公路( 梧州段) 试验路为工程依托，在室内对g f r p 筋进行了材料性能试验研究。建立了g f r p 筋连续配筋混凝土路面结构温度有限 元模型，计算g f r p 筋连续配筋混凝土路面结构温度翘曲应力，分析了横向裂缝 间距、配筋率，路面板厚度、模量等结构参数对g f r p 筋连续配筋混凝土路面温 度应力的影响。在原有设计规范基础上，提出g f r p 筋连续配筋混凝土路面的配 筋设计方法、板厚设计方法、端部处理等方法。结合实体工程，总结g f r p 筋连 续配筋混凝土路面的施工技术，并对试验路的裂缝做了观测及分析其形成原因。 最后，对g f r p 筋连续配筋混凝土路面经济性能作评价。 9 第二章g f r p 筋材料性能研究 国外学者自上世纪8 0 年代开始对f r p 筋的粘结强度进行研究。1 9 8 7 年和 1 9 9 1 年p l e i m a n n 进行了一系列f r p 筋拉拔试验，提出了f r p 筋的锚固长度计算 公式。1 9 8 7 年r a i p hac h a p m a n 和s u r e n d r ap s h a h 通过拔出试验对不同埋置深度 和不同养护时间的f r p 光圆筋和f r p 螺纹筋的荷载滑移特征进行了比较研究， 建立了f r p 筋早期粘结强度的修正公式。1 9 9 2 年c h a a l l a l 通过拉拔试验研究了 g f r p 筋与普通混凝土和高强混凝土之间的粘结性能。1 9 9 3 年v i c k ilb r o w n 和 c h a r l e slb a r t h o l o m e w 通过试验对f r p 筋与混凝土之间的粘结强度进行了研究。 1 9 9 8 年t i g h i o u a r t 、bb e n m o l 【r a n e 和dg a o 通过试验研究了g f r p 筋的粘结强度 1 2 8 o 在我国，g f r p 筋方面的研究起步较晚。1 9 9 5 年在水利部水利科技基金( 项目 编号j 9 5 4 8 ) 的资助下，在国内首次对g f r p 筋的粘结强度进行了探索性的研究， 通过拉拔试验对g f r p 筋与混凝土之间的粘结强度进行了初步研究。目前国内外 对f r p 筋粘结强度的研究虽然己经取得了一定的成果，但也存在着一些问题，如 国外已进行的粘结试验大多为拉拔试验，而国内仅做过少量拉拔试验，试验方法 单一，研究成果具有一定的局限性。国内对g f r p 筋所做的拉伸力学性能试验中， 由于材料容易脆断，很容易在夹头部分破坏，现有的试验设备一般难以直接进行 拉伸试验。一般进行拉伸试验时，采用的方法是把试件加土成“哑铃”形状的小直 径试件，然后进行拉伸，通过试验结果直接换算成原材料的力学性能。复合材料 不同于金属材料那么均质，在产品加工过程或原材料本身的缺陷，在锚杆内部会 形成“弱”纤维，在试验过程中，往往是其最终强度取决于这些“弱”纤维，影响了 试件的强度。因此，单纯采用把试件加土成“哑铃”状，用小直径试件试验不太符 合实际情祝【2 引。 本文基于常规拉拔试验，自行设计了g f r p 筋的粘结强度试验；在g f r p 筋 拉伸力学试验中，其g f r p 筋试件端部粘结合适直径的钢套筒，防止试件在夹头 部分被破坏。 2 1g f r p 筋粘结性能试验 2 1 1 试验材料 试验采用混凝土设计强度为c 3 5 ，设计配合比为：1 ：o 4 1 ：1 7 7 ：3 4 3 ( 水泥：水： 砂：碎石) ，所用水泥为4 2 5 号普通硅酸盐水泥。 g f r p 筋形状为左旋或右旋，螺纹杆体表面质地应均匀、无气泡、裂纹及其 1 0 他缺陷，其螺纹牙形、牙距应整齐，不得有损伤。热固性树脂成型g f r p 筋弯曲 应在工厂按照一定的角度完成，并符合设计要求。 2 1 2 试验方案 本文参考了混凝土结构试验方法标准g b 5 0 1 5 2 9 2 和加拿大标准( c s a ) 标准，试验方法进行了改进，浇筑3 个混凝土立方体试件各浇筑6 个试件，试件 尺寸为1 5 0x1 5