（道路与铁道工程专业论文）温度荷载作用下CRCPAC复合式路面力学性能研究.pdf

硕f ：学位论文 摘要 近年来，由于公路交通的大型化、重型化发展，对路面结构的性能要求越来 越高。c r c p + a c ( c o n t i n u i o u s l yr e i n f o r c e dc o n c r e t e + a s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n t ) 复合式路面作为一种高性能路面结构形式，具有承载能力高、行车舒适性好、使 用寿命长、后期养护维修费用低等优良性能，在国内外新建和改建路面工程中已 被广泛推广和应用。我国现行的公路水泥混凝土路面设计规范关于连续配筋 混凝土路面配筋设计中所采用的3 项设计指标均与温度应力有关。研究c r c p + a c 复合式路面的温度场和温度应力十分有必要，并且能够对c r c p 的设计及长期性 能的研究提供理论基础。 本文回顾了路面温度场和连续配筋混凝土路面温度应力的研究概况，阐述了 传热学基本原理、温度结构耦合原理及混凝土早期水化放热规律。基于有限元基 本理论对c r c p + a c 复合式路面温度场和温度应力进行了三维有限元分析，对采 用的有限元软件a n s y s l 0 0 热力学分析功能进行了简要介绍。通过编制a p d l 程 序，以a n s y s 为研究平台，对夏季高温条件下c r c p + a c 复合式路面运营期温度 场分布规律、非均布温度条件下c r c p + a c 复合式路面温度应力变化规律及 c r c p 施工期温度场和温度应力分布规律进行了研究。另外，对c r c p + a c 复合式 路面沥青层温度型反射裂缝应力强度因子的影响因素进行了简要分析。 通过对有限元仿真结果的分析，表明当沥青加铺层厚度小于6 c m 时，改变c r c 层的厚度对混凝土的温度应力影响不大；在对连续配筋混凝土路面施工期温度场 模拟中，温度场沿混凝土板厚度方向呈现出两边低中间高的凸形分布规律。 关键词：c r c p + a c 复合式路面；传热学原理；温度一结构耦合原理；水化热；温 度场；温度应力 温度简载作用下c r c p + a c 复合式路面，j j 学件能研究 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fm a x i m i z a t i o n i n d u s t r i a l i z a t i o na n dh e a v y i n d u s t r i a l i z a t i o n t r a n s p o r t a t i o n ，h i g n - p e r f o r m a n c ep a v e m e n ts t r u c t u r ew a sd e m a n d e d r e c e n t l y c r c p + a cc o m p o s i t ep a v e m e n t ，ah i g hp e r f o r m a n c ep a v e m e n t s t r u c t u r e s ，w a sp r o v i d e d w i t ht h ep e r f o r m a n c eo fl a r g el o a dc a p a c i t y ，t r a v e l i n gc o m f o r t ，l o n gs e r v i c et i m ea n d l o wc o s to fl a t e rm a i n t e n a n c e ，w h i c hi sw i d e l yp o p u l a r i z e da n du s e di nt h ep r o je c to f n e w l y 。b u i l ta n dr e b u i l d i n gp a v e m e n ta th o m ea n da b r o a d t h r e ed e s i g np a r a m e t e r si n ( ( s p e c i f i c a t i o n so fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n td e s i g nf o rh i g h w a y s w h i c ha l l r e l a t et ot h e r m a ls t r e s sw e r eu s e di nc r c pd e s i g h t h e r e f o r e t h er e s e a r c ho f t e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ls t r e s so fc r c p + a cc o m p o s i t ep a v e m e n ta r en e c c e s s a r y a n o t h e rm o r e ，t h er e s e a c hr e s u l t sw i l lt a k eg r e a ta d v a n t a g e o u st ot h ed e s i g no fc r c p a n dt h ed e v e l o p m e n to fl o n g - t e r mp e r f o r m a n c e f i r s t ，i ti sr e v i e w e dt h es u m m e r yo ns t u d yo ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dt h e r m a l s t r e s so fc r c pi nt h i s p a p e r a n dt h e n ，h e a tc o n d u c t i o nt h e o r y ，t h e m a l s t r u c t u r e c o u p i n gt h e o r ya n dl a wo fe a r l ye x o t h e r m i ch y d r a t i o no fc o n c r e t ew e r ei n t r o d u c e d t h r e ed i m e n s i o n sf i n i t ee l e m e n tm o d e lw a sb u i l d e dt oa n a l y s et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n a n dt h e r m a ls t r e s so fc r c p + a c c o m p o s i t ep a v e m e n t a n s y s10 0 as o f t w a r eo ff i n i t e e l e m e n t ，w i t ht h ef u n c t i o no ft h e r m o d y n a m i ca n a l y s i sw a si n t r o d u c e db r i e f l y b a s e do n a n s y sp l a t f o r m ，a p d lp r o g r a mw a se d i t e d t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o np r i n c i p l e s o fc r c p + a cc o m p o s i t ep a v e m e n to no p e r a t i o np e r i o dw a ss i m u l a t e du n d e rt h e c o n d i t i o no f h i g ht e m p e r a t u r ei ns u m m e r , t h el a wo ft h e r m a ls t r e s sv a r i a t i o no f c r c p + a cc o m p o s i t ep a v e m e n tu n d e rt h ec o n d i t i o no fn o n u n i f o r m t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o nw a sa l s os t u d i e d a n o t h e r m o r e ，t h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ls t r e s so f c r c pd u r i n gc o n s t r u c t i o nw a ss t u d i e d f i n a l l y ，t h ei m p a c tf a c t o r so fs t r e s si n t e n s i t yt o r e f l e c t i o nc r a c ko fa c l a y e ri nc r c p + a c c o m p o s i t ep a v e m e n tu n d e rt e m p e r a t u r ew a s a n a l y s e db ya n s y s 10 0 a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，t h ec h a n g eo ft h i c k n e s so f c r c - l a y e rh a sl i t t l ei m p a c to nt h e r m a ls t r e s so fc o n c r e t ew h e nt h et h i c k n e s so fa s p h a l t o v e r l a yi sl e s st h a n6 c m i nt h es i m u l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l do fc r c pd u r i n g c o n s t r u c t i o n ； a l o n gt h ed e p t h so fc o n c r e t e ，t h et e m p e r a t u r ef i e l ds h o wc o n v e xt y p e d i s t r i b u t i o n 。 硕 ：学位论文 k e y w o r d s ：c r c p + a cc o m p o s i t ep a v e m e n t ；h e a tc o n d u c t i o nt h o r y ；t h e m a l - s t r u c t u r ec o u p i n g t h o r y ；e x o t h e r m i ch y d r a t i o n ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；t h e r m a ls t r e s s l v 温度衍载作用下c r c p + a c 复合弋路面j 学件能研究 插图索引 图2 1 钢筋一混凝土问的分段线性粘结一滑移关系曲线l6 图2 2 混凝土与基层之间的分段式粘结一滑移关系l7 图2 3c r c p 微分单元图1 9 图3 1a n s y s 问接耦合热分析流程图2 8 图3 2 路面模型边界条件2 9 图3 3 温度应力计算有限元模型3 0 图3 4 线性与非线性分布下温度应力对比曲线3 l 图3 5 路面沿不同深度方向温度周期性变化凿线3 l 图3 6 温度应力周期性变化曲线3 2 图3 7 不同深度下路面温度随时间变化曲线3 2 图3 8 不同时刻路面温度沿深度变化曲线3 3 图3 9 温度梯度一时f a j 变化曲线3 3 图3 10 不同风速下路表温度一时间变化曲线3 3 图3 1 1 日辐射总量对路表温度影响曲线3 4 图3 12 日照时数对路表温度影响曲线3 4 图3 13 不同时刻温度应力随时间变化曲线3 5 图3 1 4 混凝土温度应力随a c 层厚度变化曲线3 5 图3 1 5 温度应力随c r c 层厚度变化曲线3 6 图3 1 6 基层摩阻系数对温度应力影响曲线3 6 图4 1 不同标号水泥水化热时效曲线图4 3 图4 2 路面内部温度场随龄期变化曲线4 6 图4 3 不同龄期下路面内部温度场沿路面深度变化曲线4 6 图4 4 不同水泥品种下板中温度随龄期变化曲线4 7 图4 5 不同水化放热速率下板中温度变化曲线4 7 图4 6 路表温度应力变化曲线4 7 图5 1 裂纹体受衙和变形类型4 9 图5 2 降温引起的张开型反射裂缝5 0 图5 3 板翘曲引起的张开型反射裂缝5 0 图5 4 裂缝尖端坐标系统5 l 图5 5 裂缝尖端奇异单元( 三维) 5 2 图5 6 裂缝尖端单元网格划分5 3 v i i 硕i ：学位论文 图5 7a c 层厚度对应力强度因子的影响5 3 图5 8a c 层模量对应力强度因子的影响5 4 图5 9 基层模量对应力强度因子的影响5 4 温度荷载作用下c r c p + a c 复合式路【f f i 力学件能研究 附表索引 表2 1 路用材料热学参数建议值9 表2 2 混凝土线膨胀系数建议值( 10 - 5 。c ) 17 表3 1 路面各结构层材料参数2 7 表3 2 路面材料热学参数2 7 表4 1 水泥水化累计最终放热量4 2 i x 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的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。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后果由本人承担。 作者签名：拟协 日期。1 年月日 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。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分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。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“) 日期：洲7 年月21 7 t 同期：叼年厶月万同 温度荷载作用下c r c p + a c 复合式路面力学件能研究 1 1 研究的背景及意义 第1 章绪论 自1 9 8 8 年10 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， 我国公路进入了以高速公路和高等级公路为主的崭新时代，到2 0 0 8 年底，高速公 路通车总里程达到了6 3 万公里，仅次于美国，居世界第二位。经过近2 0 年的建 设和发展，高速公路在我国干线公路网中所站的比重也越来越大，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。我国高速公路取得的成就有目共睹，但在取得成就的同时也暴露了 一些问题。许多高等级公路远没有达到设计年限就发生了破坏，如沥青混凝土路 面的开裂、沉陷、车辙、泛油、水破坏、抗滑能力不足，混凝土路面的断板，错 台、局部脱空、接缝损坏等。路面早期破坏的发生严重影响了路面的使用性能。 问题出现的原因是多方面的，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指导，特别是对长期的交通荷载和环境因素作用下 路面性能变化规律缺乏足够深刻的认识i lj 。 连续配筋水泥混凝土路面( c o n t i n u i o u s l yr e i n f o r c e dc o n c r e t e + a s p h a l tc o n c r e t e p a v e m e n t 简称c r c p ) 是一种纵向配置足够数量的钢筋，不设置接缝的高性能路 面结构形式。连续配筋混凝土路面在国外己有7 0 多年发展历史。最早的c r c p 于 19 2 1 年在美国修筑，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， 并对不同纵向配筋率下裂缝的间距进行了调查研究，得出了以下的基本结论：纵 向配筋率越大，路面横向裂缝的问距也会随之增大。为了研究c r c p 在交通倚载 下路面的性能，1 9 3 8 年又在印篼安纳州修建了试验路，1 9 7 2 年对这些试验路进行 调查，调查数据显示配筋率在1 以上的路面使用性能良好。1 9 4 7 年，美国在伊利 诺斯州、新泽西州开始修建连续配筋混凝土路面试验路，从此c r c p 在美国得以 大力推广，至今全美已在3 5 个州共修建了连续配筋混凝土路面总里程约4 5 0 0 0 k m ， 并制定了详细的技术规范。比利时于1 9 6 0 年丌展用连续配筋混凝土路面作为旧路 面的罩面结构研究，19 7 0 年丌始将连续配筋混凝土路面广泛应用于汽车专用公路 及其它重交通道路上，证明其有良好的使用效果。由于连续配筋混凝土路面优良 的性能，从2 0 世纪7 0 年代以后，许多国家丌始将c r c p 应用于汽车专用车道、 城市道路及高速公路上。英国、德国、同本、澳大利亚、瑞典、荷兰、西班牙等 国也相继丌展连续配筋混凝土路面系列研究，并成功应用于新建及改建路面工程 中，连续配筋混凝土路面己大量应用于干线道路和机场道面。我国对连续配筋水 硕i ：学位论文 泥混凝土路面的研究与应用起步比较晚，1 9 8 9 年江苏盐城修筑了第一条试验路， 随后相继在苏南路网改造工程颠江段、陕西铜川i 境内的2 0 l 国道、河南许昌境内 的1 0 7 国道以及湖南末宜高速公路、长潭高速公路改建工程中得以应用，大面积 的实体工程的运用是在京珠高速主干线未宜高速公路上采用了连续配筋混凝土路 面进行路面补强。与普通水泥混凝土路面相比，其具有以下优点1 2 】： ( 1 ) 消除了横向接缝，大大提高了混凝土路面的平整度，改善了行车舒适性。 国外曾用a p l 仪对不同类混凝土的平整度进行了对比试验研究，结果表明有接缝 的混凝土路面平整度远不如c r c p 好。 ( 2 ) 纵向配置的连续钢筋提高了裂缝处的传荷能力，改善了板角与板边的工作 状态，减弱了荷载冲击对板的破坏作用，增加路面整体性，提高了路面的承载能 力。 ( 3 ) 由于连续配筋水泥混凝土路面不设置接缝，避免水的渗入对基层的冲刷， 侵蚀。接缝类破坏比普通混凝土路面也大大的减少，后期的养护和维修费用降低。 c r c p 除了具有行车舒适性好，承载能力高，使用寿命长，养护维修少等优势 外，在某些特殊条件下更能显示出其它路面结构无法比拟的优势【2 1 。当前，随着国 家加大交通基础设施的投入，高速公路的发展迅猛，公路交通运输同益呈现大型 化、重型化、大交通的发展趋势，重载，超载现象同趋频繁，国内许昌是晋煤南 运的必经路段，由于超载现象，原有路面出现了严重损坏，9 7 年改建为c r c p 后， 路面病害得到彻底根除。铜川试验路水文地质较差路段，原路面形式为沥青混凝 土路面，使用后短期内便出现了严重破坏，改建成c r c p 后，路面的的使用良好， 路面病害得以缓解。 我国现行的公路水泥混凝土路面设计规范( j t gd 4 0 2 0 0 2 ) i3 1 ，采用3 项设计指标米进行连续配筋水泥混凝土路面的配筋设计：横向裂缝的平均间距 1 0 m 2 5 m ；裂缝宽度不大于l m m ；钢筋拉应力不超过钢筋屈服强度。这三项指 标的确定均与温度应力的计算有关，其中裂缝的间距和裂缝的宽度为考虑混凝土 的干缩与温缩计算得来，而在钢筋应力的计算中，也没有考虑荷载应力的影响， 同样是收缩应力分析的结果。由于混凝土的干缩经过一段时间后会基本稳定，而 温度始终呈周期性变化，因此，收缩应力的分析中最主要的是温度应力。虽然国 内外很多学者对连续配筋水泥混凝土路面的温度应力进行了大量研究，但从研究 成果上来看，主要存在以下几方面的缺陷： ( 1 ) 分析中大多采用了平面应力或平而应变假定，选用二维平面有限元模型， 没有考虑路面宽度方向上的约束对温度应力的影响。 ( 2 ) 研究对象的选取过于简译，一般仅对一定裂缝f t t j 距的单块短板进行了分 析，忽略了相邻混凝土板对温度j 衄力的影向。 ( 3 ) 在实际建模或分析过程中，没有考虑路而其它结构层( 罩而层、基层、 珏矗度简投作用下c r c p + a c 复合式路面力学性能研究 底基层、土基) 对温度应力的影响。 ( 4 ) 在进行温度应力计算过程中，假定温度沿路面厚度方向线性分布，没有 考虑非线性分布对温度应力的影响。 ( 5 ) 温度应力计算时取某一定值温度( 最大温度) 作为参考温度，并假定该 温度下路面内部的温度应力值为零，没有考虑初始参考温度的非均匀性，无法反 映温度的周期性变化。 不管是在路面旋工养护阶段还是在运营阶段，周期性环境荷载对路面性能的 影响都是至关重要的。路面结构设计不仅要满足行车荷载的要求，还应适应所处 的自然环境。只有满足了以上两种要求，路面结构才能充分发挥作用，更好的服 务于交通运输行业。道路环境场诸多因素中，对道路结构影响最大的是温度和湿 度，就不同的区域而言，温度的影响更为广泛。因此，本文以连续配筋水泥混凝 土路面施工期和运营期的温度场和温度应力为研究对象，应用热力学有限元方法， 建立路面结构内部温度场和温度应力与所处自然环境之间的关系，并考虑非均布 温度条件下路面内部温度场和温度应力的分布规律。为连续配筋水泥混凝土路面 的设计及长期性能的研究提供理论基础。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 路面温度场的分析研究始于上世纪二十年代。早在19 2 6 年，美国就在a r l i n g t o n 地区对自然条件下沥青路面中的温度状况进行了现场检测。随后，美国、前苏联、 德国、日本等国均对沥青路面或水泥混凝土路面的温度状况进行了大量的试验研 究。从已有的研究成果来看，其研究方法大致可分为统计分析法或半理论分析法 两种1 4 1 。 统计分析法是指：在大量的试验数据的基础上采用概率统计方法对试验数据 进行处理后提出经验公式，并用以进行路面温度场预测的方法。同本的近腾徒宏 等人曾对两种不同厚度的沥青混凝土路面的温度分布与变化特征进行了一年的实 测，并采用统计分析方法进行了分析研究，其结果表明，路面结构内部的最高温 度，最低温度与路表温度及气温成线性关系。j t c h r i s t i o n 等人则对四种不同结构 的沥青混凝土路面的路表最高温度与最低气温，以及路面变温幅度与气温变温幅 度之间的相关关系分别进行了不同分析，亦得到了线性关系。理论分析法是指采 用热传学和气象学基本理论来确定路面温度场的方法。1 9 5 7 年，b a r b e r 首先采用 半无限表面的介质周期变化时的热传导方程求解了路面的温度场，提出了不同沥 青路而结构中最高气温的计算公式。b a r b e r 假定路面为半无限体，把影响温度的 主要气象因素一气温和辐射热，综合成为一种有效的当量温度，并假定它随时问 硕 ：学位论文 呈正弦变化。基于该假定，b a r b e r 推导出了路面温度场的计算公式，但该公式不 能用来计算路面的最低温度。前苏联的戈雷茨基曾对水泥混凝土路面温度场进行 了较为全面的研究，在1 9 5 2 年至1 9 6 2 年问，通过对苏联的莫斯科等6 个不同气 候区水泥混凝土路面温度变化规律进行现场检测和分析，将问题归结为边界温度 按周期变化的半无限体的热传导问题。为了使基层和路基的导热性能在沥青路面 温度场的理论方程中有所反映，近几十年来，半无限层状结构的力学模型在路面 的温度场分析中得以广泛应用，考虑到难以得到解析解，故大多采用有限元等数 值方法来求解路面结构温度场问题。p c 一p r e t o r i o u s 曾采用有限元方法对层状结 构的温度场进行了分析。 水泥混凝土路面直接暴露于大气中，承受周期性年气温与昼夜气温的变化， 混凝土路面的温度分布也相应呈现出周期变化。温度的变化使得混凝土体积变化， 混凝士路面产生膨胀、收缩变形。路面是一种带状结构，路面端部不能自由变形， 温度的改变引起路面纵向变形受到约束，路面将产生很大的内应力。早在2 0 世纪 2 0 年代，温度应力的研究便已开始。l9 2 7 年，威斯特卡德提出了混凝土路面由于 温度变化引起的应力分析方法。1 9 3 1 年至1 9 3 8 年，为了研究混凝土路面板上下温 差引起的翘曲应力，美国在阿灵顿进行了大型试验。实验结果表明，最大温差随 着路面板的厚度而改变，厚板的温差比薄板的温差大。夏季在白天产生的最大正 温差比冬季最大正温差大。夜晚产生的最大负温差不论夏季还是冬季均比较接近。 阿灵顿试验推荐的最大正温度梯度为6 6 m ，最大负温度梯度为2 2 m ，在很多 国家沿用至今。1 9 3 3 年v e t t e r 针对c r c p 因混凝土干缩和温缩所引起的钢筋受力 状况的变化问题，进行了近似解析分析。研究钢筋和混凝土应力时，不考虑车轮 荷载的影响，主要对混凝土硬化过程中水分降低而产生的自身收缩和温度下降所 引起混凝上和钢筋体积变化这两种情况进行了研究。给出了两种状况下最小配筋 率公式。该公式是c r c p 纵向配筋设计的基础。美国t e x a sa & m 大学的z o l l i n g e r t 5 j 等，采用非线性有限元的半离散方法，分析计算了混凝土路面中由于湿度变化引 起的收缩应变及初期开裂后，计入混凝土蠕变影响后的应力分布。在所建的模型 中，考虑了收缩应力沿板厚的不均匀性，同时在分析中采用混凝土与钢筋问的粘 结一滑移单元，并认为粘结作用沿长度方向不均匀分布，从而改进了v e t t e r 模型 及其假定，使模型更符合c r c p 初期的实际情况。美国p u r d u e 大学的m a r t i n j g u t z w i l l e r 和j o s e p hl w a l i n g 对c r c p 进行了室内模拟试验研究。试件长8 5 m 、 宽0 9 m 、厚0 2 m 。放置在弹性基础上，用呸向荷载模拟车辆荷载，用横向水平荷 载模拟温度变化所产生的应力。分析了不i 司配筋牢和竖向荷载对路面板裂缝问距、 裂缝宽度、路面挠曲变形和钢筋应力变化的影响。并且指出足量的纵向钢筋能使 横向裂缝保持紧密接触。室内试验所获得的裂缝宽度变化规律与室内现场路而实 体工程观察到的裂缝变化规律一致。1 9 9 2 年美国的d a p e n gx i n d a ng z o l l i n g e r 温度衙载作用下c r c p + a c 复合式路面力学件能研究 等1 6 j 为了分析温度上升和路面材料碱骨料反应引起的c r c p 纵向变形，提出了一 维纵向分析模型，假定路面下卧基层刚性，在水平摩擦力作用下不产生弯曲变形； 所有的膨胀变形沿着c r c p 厚度和宽度方向上的分布都是均匀的；忽略混凝土材 料的干缩、翘曲和蠕变。采用半无限场路面结构边界条件，考虑混凝土与钢筋之 间的滑移及混凝土与基层材料的摩擦系数，推出了控制微分方程，并求得了混凝 土及钢筋沿路面纵向所产生的位移解。j e o n g h e en a m 2 0 2 1 】对环境因素作用下 c r c p 早期混凝土应力和应变测定方法进行了研究，在其博士论文中对裂缝开展阶 段进行了总结；为了更为有效的控制c r c p 中裂缝的间距，j e o n g h e en a m 还提出 在实际连续配筋混凝土路面中引入裂缝诱导装置。j z h a n 9 1 3 3 】等对温度非线性分布 下路面温度应力进行了分析，基于薄板理论，他推导出了由温度非线性引起的温 度内应力解析公式，并用实例分析了温度非线性分布对路面板温度应力的影响。 1 2 2 国内研究现状 1 9 8 3 年，同济大学严作人【l5 j 在采用层状体系的基础上，应用传热学和气象学 理论，对一维水泥混凝土路面温度场进行了分析，得出了一维水泥混凝土路面温 度场分布函数，并从理论上分析了不同基层对路面温度场的影响。另外，还分析 了水泥混凝土顶面温度与气温、顶面温度与气温和辐射热、顶面温度与地温等的 关系，得到了计算水泥混凝土路面的温度经验公式。其研究成果可以用来计算路 面结构内部的最高温度和最低温度，以及水泥混凝土的最大温度梯度等。吴赣昌 睇扣删j 对半刚性基层沥青混凝土路面的温度场进行了较为深入的研究，建立了非线 性二维沥青路面不稳定场的计算理论和二维粘弹性层状体系沥青温度松弛应力计 算公式。分析了外界气候条件和路面材料特征参数与沥青路面温度场和温度应力 之问的内在联系。郑健龙、周志刚等人【4 】对周期性变温条件下和持续降温条件下沥 青路面的温度应力进行了数值分析，考虑了沥青面层厚度、不同降温速率等因素 下沥青混凝土层温度应力的变化情况。东南大学顾兴宇等【7 】根据传热学基本原理， 利用有限元方法对c r c p + a c 复合式路面结构瞬念温度场进行了模拟，分析了气 温，太阳辐射、长波辐射、路面面层厚度及路面各层的热学参数等因素下，路面 温度场的变化规律。文中指出由于沥青混合料吸收太阳辐射能力要高于水泥混凝 土，a c 层较薄时，水泥混凝土顶面的温度可能会高于无沥青面层时混凝土顶面的 温度，指出了存在a c 层临界厚度。 作为一种板状、几乎无限长的结构，c r c p 与常见的钢筋混凝土结构有较大的 区别，但是普通钢筋混凝土结构的温度应力分析理论与方法仍可为c r c p 的温度 应力提供参考。刘兴法分析了混凝土结构的温度分行与温度衙载，对混凝土桥梁 与烟囱等结构的温度应力计算方法进行了分析，并对影响计算结果的混凝上弹性 模量、水化热、裂缝与温差应力、混凝土的塑性变形、温差荷载的反复作用等 硕i j 学化论义 问题作了分析。吴胜兴、任旭华分析了混凝土结构温度裂缝的特点，认为温度作 用产生的裂缝与荷载作用产生的裂缝有如下不同：与材料的韧性有关；具有时间 性；裂缝处钢筋的应力较小；分浅层、深层和贯穿性三种裂缝；温度作用时应力 和应变不再符合简单的胡克定律。混凝土配筋的目的就是增加裂缝的条数，减小 裂缝开展宽度。董福品等考虑混凝土旌工期和运营期，用编制的混凝土结构温度 应力有限元程序计算了压力管道混凝土开裂和不开裂两种情况下的温度徐变应 力，揭示了管道混凝土开裂和不丌裂时钢筋中的应力变化情况。另外还计算和比 较了考虑和不考虑钢筋在计算管道混凝土温度应力时的差异。高俊启1 8 】分析了 c r c p 路面横向裂缝的开裂原因、开裂模式。利用v e t t e r 假定，结合国内粘结应力 的相关研究结果，推出了温度、湿度荷载作用下裂缝间距和裂缝宽度的计算公式。 陈云鹤【9 】用层合板理论分析了c r c p 的温度应力，由于没有考虑裂缝的影响，所 以实际改变了c r c p 板段两端混凝土处于自由状态的边界条件，与实际情况相比 存在较大误差。曹东伟【lo j 对c r c p 在降温，干缩和翘曲变形条件下混凝土和钢筋 的应力及位移进行了计算，得到了配筋率等计算参数与c r c p 内部应力状态及裂 缝宽度等外部使用性能之间的关系。考虑温度线性变化和正弦变化两种情况，求 出了以年为周期变化的温度松弛应力与干缩应力计算公式。苏清贵【i l j 考虑混凝土 徐变，根据钢筋与混凝土之问的粘结滑移关系及地基摩阻系数作用的非线性分布 假定，分析了c r c p 在降温和干缩作用下的收缩应力，建立了c r c p 路面宽翼缘 工字梁接缝部位位移的分析模型，分析了端部位移随温差和配筋率的变化规律。 陈志良【1 2 】考虑钢筋与混凝土的非线性粘结滑移关系及地基摩阻作用下的非线性假 定，考虑混凝土徐变，采用有限元法分析了c r c p 在降温和干缩作用下的收缩应 力。通过计算分析了温度场，粘结滑移本构关系、纵向钢筋参数及混凝土参数对 裂缝间距、裂缝宽度、裂缝发展时间、钢筋应力和混凝土应力的影响规律。长安 大学申爱琴等人( 1 3 】利用有限元方法对聚合物改性水泥混凝土( p m c c ) 与硅酸盐 水泥混凝土( p c c ) 新型复合式路而的温度应力进行了有限元分析，考虑了温度 沿路面深度上非线性分析j 特征、面层厚度、混凝土模量和材料线膨胀系数等对温 度应力的影响。文中指出，当将路面板细化为2 c m 时，可以不考虑温度非线性分 布的影响，当薄层厚度大于2 c m 时，应该考虑非线性对路面温度应力的影响。谈 至明、姚祖康1 2 9 引】等对水泥混凝土路面的温度应力进行了较为系统的研究，研究 结果表明，在进行路【面温度应力计算时，由温度非线性引起的内应力十分可观( 在 常见路面厚度范r 内，温度内应力系数约为2 5 - 3 0 ) ，温度内应力不容忽视。 研究中还给出了线性温度梯度与非线性温度梯度的计算方法。李国胜f 2 4 l 对复合式 路面温度场和温度应力分析方法进行了探讨，应用有限元方法对p c c + a c 复合式 路血的温度场和温度应力进行了研究，研究巾主要刈温度梯度变化规律进行了总 结。张兴巧i 1 2 2j 运用a n s y s 软f t - x , j j 沥青路面温度应力进行了有限元分析，考虑冬 6 温度俯载作用下c r c p + a c 复合式路面j 学件能研究 季寒冷气候下，对典型沥青路面结构的温度场和温度应力进行了模拟，但在分析 中建模过程基于平面应变假定基础上，无法反映路面真实的应力情况。刘寒冰1 3 2 】 根据接触理论原理推导了连续配筋混凝土路面温度应力有限元刚度矩阵，得出了 考虑钢筋与混凝土之问粘结滑移线性和非线性本构关系的有限元数值解，分析了 降温荷载作用下路面应力、位移的分布规律，按接触有限元方法进行了温度应力 的非线性分析。 1 3 论文研究的主要内容 刚性路面温度变形与温度应力不仅是无筋素混凝土路面设计的重要因素，而 且对于钢筋混凝土路面、连续配筋混凝土路面，以及配筋预应力混凝土格外重要， 它直接影响了钢筋的配置及其路面的受力状况。由于连续配筋水泥混凝土路面的 优良性能，c r c p 已广泛应用到新建和改建路面工程中。本文基于传热学原理和热 应力有限元分析原理，建立了三维带裂缝路面有限元模型，对连续配筋水泥混凝 土路面温度荷载作用下路面的力学性能进行了研究。本文主要研究内容包括以下 几个方面： ( 1 ) 路面热力学分析。在温度场方面，简要介绍了传热学基本原理，路面自 然边界条件，路面内部温度场分布热量来源形式即：太阳辐射，气温、长波辐射。 并在此基础上推导了路面结构温度场的解析解。在温度应力方面，主要介绍了在 当前基于单块板理论上连续配筋水泥混凝土路面温度应力的解析方法。在分析中 考虑了钢筋与混凝土之间的粘结滑移本构关系及c r c 与基层层间摩阻力本构关 系。本章的最后介绍了温度一结构耦合原理，为后面章节的有限元分析提供理论 基础。 ( 2 ) c r c p + a c 复合式路面瞬念温度场和温度应力有限元分析。首先介绍了 a n s y s 热力学分析功能及相关原理，对c r c p + a c 复合式路面结构进行了瞬态温 度场分析，在此基础上，采用| 日j 接耦合方法求得出了c r c p + a c 复合式路面的温 度应力。另外，还分析了日照时数、r 辐射总量，风速等外界环境因素下路面温 度场的变化规律；考虑温度沿路面深度方向上的非线性分布及初始温度的非均匀 性，通过编写a p d l 程序，求取了复合式路面的温度应力，并分析了沥青混凝土 面层厚度、c r c 层厚度，层间接触条件等因素下，混凝土温度应力的变化情况。 ( 3 ) 对连续配筋混凝土路面施工期间温度场和温度应力进行有限元分析，首 先对c r c p 裂缝的发展过程进行了总结，认为c r c p 裂缝的发展主要可以分为以 下三个阶段：裂缝开裂阶段，温缩和干缩共同作用过渡开裂阶段及裂缝稳定阶段。 接着对影响裂缝开裂与扩展的主要因素进行了定性分析，混凝士的干缩、温缩、 徐变、钢筋对混凝土的约束、基层顶面对混凝土板的约束、摊铡温度，外界气候 硕i ：学位论文 条件等因素足导致c r c p 开裂的主要原因。最后，对c r c p 施工期，路面的温度 场和温度应力进行了有限元仿真分析。 ( 4 ) 温度型应力强度因子有限元分析。在温度型反射裂缝的主要扩展形式总 结的基础上。运用有限元软件，对温度型应力强度因子影响因素进行了分析。 8 温俊倚载作用下c r c p + a c 复合式路面力学性l 】匕, - 研- 究 第2 章路面结构热力学分析 2 1 路面温度场解析解 2 1 1 热传导微分方程 直角坐标系下，无内热源均匀介质的热传导方程可以用下式表示： 瓦o t = a ( 窘+ 窘+ 窘) ( 2 1 )2 ( - i + _ + _ ll ：z 1j 8 f、a x za v 2a z p 式中a 为导温系数，与热流在介质中的传播速度有关，a 越大，热流在介质中的传 播越快。考虑到路面结构沿着深度z 方向上的温度梯度要远大于其它两个方向的 温度梯度，x , y 方向上的温度变化可以忽略不计。故匀质半空间体系下路面结构的 热传导方程可以简化为以下形式： 一o t ：口氅 ( 2 2 ) 8 t a z l 路面是由多种不同材料组成的层状体系结构，各种材料的热学参数存在差异。 因此，不能将路面结构内温度传布简单的按照匀质半空间体系来分析。各结构层 应建立独立的热传导方程。层状路面体系热传导方程表示如下： 0 z h l 2 h l z h ， ( 2 3 ) ，一l 百a t , ：a 粤妇4 z 缸h = ，j ，z ， a t l 8 2 2i鲁l 式中：a i 一第i 层路面结构材料的导温系数( m 2 h ) z 一第i 层路面结构材料的温度( ) 日一第i 层路面结构材料的厚度( m ) 2 1 2 热传导问题的定解条件 对于具体的实际问题而言，要确定温度场，热传导方程还必须满足导热过程 的一些特定条件，此类条件称为热传导问题的定解条件。热传导的定解条件主要 包括以下四种：几何条件，物理条件，时间条件和边界条件。几何条件确定了所 要研究物体的空间范围和几何形状，几何条件中坐标系的选取至关重要，选取合 9 塑酽堕铲 q 口 = = 盟研堕西 硕l ：学化论文 适的坐标系，可以简化热传导微分方程，便于方程求解。物理条件包括材料的热 物理特性和有无内热源，层状路面体系中，由于各层材料不同，材料热学参数存 在差异。路面结构温度场分析中，材料的热物理特性在所研究的温度范围内变化 不大，材料的热物性，如比热c ，导热系数五、导温系数a 、热膨胀系数口，对流 换热系数b 等，在分析中均可以取为一个特定值。路面常用材料的热学参数建议 取值见表2 1 。 表2 1 路用材料热学参数建议值1 1 4 1 有了几何条件和物理条件，微分方程的形式就确定了下来。按时f h j 条件来分， 温度场可以分为稳态温度场和瞬态温度场。由于气温、太阳辐射等自然条件的时 问性，路面结构内部温度也随之表现为随时间变化的场函数。路面内部温度场分 析可以归结为瞬态热分析问题。 物体和外界之问换热条件称为边界条件，导热问题常见的边界条件可以归纳 为以下三类： 2 1 2 1 第一类边界条件 第一类边界条件直接作用于边界面上的温度分和及其随时间变化规律，可以用 下式表示： 瓦羿= f ( r ，f ) ( 2 4 ) 2 1 2 2 第二类边界条件 给出通过物体任意位置的热流密度随时f h j 的变化关系，第二边界条件可用下 式表示： 一五警- g ( 州) ( 2 5 ) 式中：”为物体边界外法线上的单位向量，q ( r ，) 为任意时刻通过物体内部r 位置上的热流密度。 1 0 温度荷载作用下c r c p + a c 复合式路面j 学忡能研究 2 1 2 3 第三类边界条件 已知物体周围流体随时问变化的温度t ，以及物体与周围流体之间的对流换 热系数b ，它们之间的热量交换称之为第三类边界条件。可表示为： 一兄孥= b ( t 一界) ( 2 6 ) on。 路面结构温度场分析中，边界条件均包括了第二类和第三类边界条件，综合考 虑热流密度和外部气温的影响，路表与外界的热量交换可以用下式表示： 一五警：q ( r , t ) + b ( t 一