（固体力学专业论文）横向裂缝对CRCP路面刚度和强度的影响.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 连续配筋混凝土路面在纵向配置连续钢筋，施工时不设横向胀缩缝，它具有 强度高、整体性好、耐久性强、行车舒适平顺、养护工作量少、维修费用低等特 点，适用于高等级和重交通的道路，在欧美等发达国家的干线公路和机场道路上 得到了广泛的使用。我国c r c p 应用试验及相关的研究相对较晚，到目前为止， 尽管我国也对c r c p 的研究和应用作了一些初步的研究工作，但是相关的理论和 应用技术还很不完善。 c r c p 路面是一种配筋混凝土，由于钢筋混凝土本身的特性，不可避免地会 由于干缩、温度变化等产生一些固有裂缝。当横向裂缝由于各种原因出现后，将 对c r c p 路面产生不利的影响但是路面刚度和承载力的变化规律，开裂后刚度、 承载力的折减，以及是否能满足设计的使用功能要求等这些问题一直未解决。目 前国内对开裂后c r c p 路面分析方法的研究还比较少，还没有形成一种准确可行 的方法去评定这些开裂后的c r c p 路面。 本文在分析总结国内外对混凝土结构裂缝的研究成果的基础上，把c r c p 路 面看成是一种复合材料，提出了一套分析横向裂缝对连续配筋混凝土路面刚度和 承载力影响的有限元方法，把实际裂缝转化为统计意义下的平均裂缝，然后进行 仿真模拟。论文分析了裂缝产生的机理、原因及裂缝的分类，指出了裂缝产生的 不可避免性，突出了裂缝研究的意义，介绍了裂缝分析的基本理论。并针对耒宜 高速路实况，分析了不同裂缝间距、不同裂缝开裂深度对c r c p 路面强度、刚度 的影响。通过对比开裂前后的分析结果，对该路面开裂后的承载能力与现存刚度 进行了评价，得出开裂后结构承载力和刚度的折减系数。同时分析了局部脱空时 c r c p 路面的应力和位移变化情况，为c r c p 路面设计、开裂后性能的研究提供参 考。 关键词：连续配筋混凝土路面；c r c p ；复合材料；横向裂缝；刚度折减系数；承 载能力；空间实体单元 v i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t 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 sak i n do fc o n c r e t e p a v e m e n ti nw h i c ht h el o n g i t u d i n a lr e i n f o r c i n gs t e e li sc o n t i n u o u st h r o u g h o u ti t s l e n g t ha n dh a sn oi n t e r m e d i a t et r a n s v e r s ee x p a n s i o no rc o n t r a c t i o nj o i n t s c r c ph a s m a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g h e rs t r e n g t ho fw h o l ep a v e m e n t ，l o n g e rs e r v i c e l i f e ，b e t t e rr i d i n gq u a l i t y ，l e s sm a i n t e n a n c ew o r ka n ds oo n i th a db e e nw i d e l yu s e df o r t h em a i nl i n eo fh i g h w a ya n da i r p o r tp a v e m e n ti nt h eu n i t e ds t a t e sa n de u r o p e a n c o u n t r i e s t h ea p p l i c a t i o na n dc o r r e l a t i v es t u d ya b o u tc r c pi sr e l a t i v e l yl a t ei no u r c o u n t r y s o m ep r e l i m i n a r yw o r kh a sa l s ob e e nd o n ei no u rc o u n t r y ，b u tt h et h e o r e t i c a l s t u d ya n dc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e i sn o tp e r f e c t c r c pp a v e m e n ti sa nr e i f o r c e dc o n c r e t b e c a u s eo fi t ss e l fc h a r a c t e r i s t i c s ，i ti s i n e v i t a b l et og e n e r a t es o m ec r a c k sf o r 奶，s h r i n g k a g ea n dt e m p e r a t u r ev a r i a t i o n w h e nt h e s et r a n s v e r s ec r a c k sa p p e a rd u et om a n yf a c t o r s ，i tw i l lb eu n f a v o r a b l et o c r c pp a v e m e n t d ot h es t i f f n e s s ，t h el o a dc a r r y i n gc a p a b i l i t y sc h a n g i n gr u l e ，a n dt h e r e d u c t i o no ft h es t i f f n e s sa n dt h el o a dc a r r y i n gc a p a b i l i t y ，a n dc r a c k i n gs i t u a t i o n s a t i s f yt h ea c t u a lr e q u e s t ，a l lo ft h e s eq u e s t i o n sh a sn o tb e e ns o l v e dy e t b u tt h e r e s e a r c ho nc r c pp a v e m e n t 晰t l lc r a c k sd o e sn o tc a r r yo u tv e r yw e l l ，s ot h e r ei sn o a c c u r a t ea n dr e l i a b l em e t h o dt oa n a l y z i n gt h e s es t r u c t u r e si nr e c e n tc h i n a i nt h ep a p e r ，t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di sp r o p o s e do na n a l y z i n gt h es t i f f n e s sa n d t h el o a dc a r r y i n gc a p a b i l i t yw h i c har e i n f l u e n c e db yt h ei n c l i n e dc r a c k si nc r c p p a v e m e n t t h i sm e t h o di sb a s e do nt h er e s u l to ft h ec r a c k si nt h ec o n c r e t es t u d ya l l o v e rt h ew o r l d a n dt h ec r c pp a v e m e n ti sr e g a r da sc o m p o s i t e t h ea n a l y s i si sd o n e b yt h i sw a yt ot h ec r c p t h er e a lc r a c k si sc o n v e r t e di n t ot h es t a t i s t i ca v e r a g e c r a c k s a n d t h e n ，t h et r a n s v e r s e c r a c k si ss i m u l a t e d t h et h e s i sa n a l y z e dt h e m e c h a n i s m ，r e a s o no ft h ec r a c k sc r e a t i o na n dt h ec l a s s i f i c a t i o no ft h ec r a c k s p o i n t so u t t h ei n e v i t a b l e n e s so ft h i sb r e a k sa n do u t s t a n dt h ei m p o r t a n c eo ft h es t u d y t h ea u t h o r i n t r o d u c e st h ef u n d a m e n t a lt h e o r ya b o u tt h ec r a c k s a n a l y s i s b a s e do nl e i - y i h i g h w a y ，t h ea u t h o ra n a l y z e st h el o a dc a r r y i n gc a p a b i l i t ya n dt h es t i f f n e s sc h a n g e s 山东大学硕士学位论文 w h i c ha r ei n f l u e n c e db yt h ec r a c ks p a c ea n dt h ei n c l i n e dc r a c k s h e i g h t t h r o u g h c o m p a r i n gt h ea n a l y s i sr e s u l to ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l si m u l a t i n gt h eu n d a m a g e d p a v e m e n ta n dt h em o d e l si m u l a t i n gt h ec r a c k e dp a v e m e n t , t h ep a p e re v a l u a t e st h e l o a d i n gc a p a c i t ya n dt h ee x t a n ts t i f f n e s sa f t e rc r c pc r a c k a n dg e tt h er e d u c t i o n f a c t o ro ft h el o a d i n gc a p a c i t ya n dt h es t i f f n e s s a tt h es a m et i m e ，t h ea u t h o ra n a l y z et h e c h a n g eo fs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n ta sl o c a ld i s e n g a g i n ga p p e a r s a n dp r o v i d er e f e r e n c e f o r t h ed e s i g no fc r c pp a v e m e n ta n dt h es t u d yo fi t sp r o p e r t i e sa f t e rc r a c k k e yw o r d s ：c r c p ；c o m p o s i t em a t e r i a l s ；t r a n s v e r s ec r a c k s ；t h er e d u c t i o nf a c t o ro f r i g i d i t y ；l o a dc a r r y i n gc a p a b i l i t y ；3 ds o l i de l e m e n t i x 山东大学硕士学位论文 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己经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：垒啦 日期： 劲夸8 5 泌 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签硝逝新签符单日期：巡 山东大学硕士学位论文 1 1 工程背景 第一章前言 改革开放以来，随着国民经济的迅速发展，道路交通量快速增长，重车的比 重越来越大。加之，生活条件的改善，人们对道路舒适性、安全性和快捷性的要 求也日益提高。为此，道路工作者不断努力研究和开发使用性能越来越好的路面 结构。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 称为c r c p ) ，具有整体强度高、平整度好、行车舒适，使用寿命长、养护费用低 的优点，其研究和应用已受到经济发达国家的广泛重视【1 , 5 , 6 , 1 0 , 1 6 】。深入开展c r c p 的研究，对我国高等级公路建设具有重要的现实意义。 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型式。沥青混 凝土路面，具有平整度好、行车舒适、噪声小、易于维修的特点沥青路面对路 基形变的适应性强，面层可以分期铺筑，但是沥青混凝土路面受温度影响较大， 易出现沉陷、车辙、低温缩裂及高温壅包、泛油等现象。不论是半刚性基层还是 柔性基层，沥青混凝土面层均会出现开裂损坏。其开裂问题迄今尚属世界范围内 未解决的问题【引。沥青混凝土路面养护费用高、使用年限较短。1 9 7 9 年美国联 邦公路局报道：用惯用的方法设计的路面使用寿命不会达到所要求的2 0 年，在多 数情况下这些路面的使用寿命在8 - 1 2 年之间l4 | 。此外，由于原油性质和炼制技 术问题，我国沥青含蜡量高，温度敏感性强、热温性和低温抗裂性均较差，难以 用于交通量大、重车多、轴重大、超载车多的高等级公路i l o j 。 为了缓解沥青供应不足和质量差的矛盾，合理利用我国丰富的水泥资源，提 高路面使用质量，我国交通部自1 9 8 9 年开始推广国家科学技术委员会科技工作 引导性项目“我国水泥混凝土路面发展对策及修筑技术研究 成果。车辆在水泥 混凝土路面上行驶时的燃油消耗量比沥青混凝土路面低1 5 - 2 0 ，水泥混凝土路 面的运营经济性优于沥青混凝土路面1 7 j 。一般沥青混凝土路面设计使用年限1 5 年，而水泥混凝土路面可达3 0 年。但是混凝土材料刚度大，脆性也大，对高于 山东大学硕士学位论文 i 一一 i i 量曼曼曼曼皇曼曼量曼曼曼皇曼曼曼皇曼曼量曼曼曼皇量曼舅! 曼曼曼曼曼 设计强度的超载很敏感，易产生断裂破坏，且难以维修，不适用于基层和路基易 产生不均匀变形和不均匀沉降的路段。水混凝土路面施工时设置的接缝很多。到 目前为止，我国普通混凝土路面接缝技术的研究，还不能适应混凝土路面发展的 需要，接缝易渗水到基层而产生唧泥、错台等病害，影响行车的平稳性和舒适性。 国内生产的填缝材料一般使用一年左右，就需要更换【1 3 】，从而影响了水泥混凝 土路面的使用品质。 c r c p 是在混凝土面层纵向配置一定数量的连续钢筋，施工时不设置横向接 缝，仅在与其它路面交接处或邻近结构物处设置胀缝以及视施工需要设置施工 缝，因而克服了普通混凝土路面横向接缝给路面施工及养护所带来的不便和缺 陷。但在温降和干缩作用下会产生许多随机横向裂缝1 7 5 j ，纵向连续钢筋能有效 地约束混凝土的收缩变形，使收缩裂缝分散在更多的部位，通常1 - 4 m 出现一条 细微缩缝，由于钢筋作用，缩缝处仍保持紧密地接触，确保了荷载的传递。它不 至于破坏路面的整体连续性、行车的平稳性，如同无缝的路面一样，路面表面雨 水不易渗入i4 | ，可使钢筋的锈蚀减少到最低程度，并有效地提高缝隙的传荷能力， 减少缝隙处混凝土的剥落损坏，使路面具有较高的整体性和良好的平整度，改善 了汽车行驶的平稳性和舒适性。所以，耐久性好，使用寿命长。其养护费用也少。 虽然c r c p 初期投资较高，比普通混凝土路面高约1 0 ，但使用寿命长，且养护 费用很少，从长远来看是经济合理的。 因此，无论是从造价、维修方面来说，还是从环境、实用方面来说，修建和 研究c r c p 路面都具有重要的社会效益与经济效益。而且，c r c p 在国外已成功地 应用了七十多年，实践表明，c r c p 是重大交通高等级公路路面结构的理想选择。 1 2c r c p 路面发展现状 1 2 1 国外c r c p 路面发展现状 ( 1 ) 美国 美国修筑c r c p 路面已有了几十年的历史。事实上，7 0 年以前，美国在 c o h u n b i ap i k e 靠近w a s h i n g t o nd c 的地方，修建了第一条c r c p 试验路f 2 3 】。投 2 山东大学硕士学位论文 入运营已有了近四十年。随后，美国又修筑了一些c r c p 试验路【2 0 , 2 1 , 2 2 】，如下表 所示： 表卜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 1 1 1 i n o i s n e wj e r s e y t e x a s 在美国州际公路系统中，最具创新意识的路面结构是c r c p 。在上世纪5 0 年 代至6 0 年代，t e x a s 公路局在州际公路系统中修建了几千英里的c r c p 。这种设 计中采用2 0 c m 厚的c r c p 铺在处理或未处理的材料基层之上，路肩采用柔性材料 ( 通常在柔性基层之上加一层磨耗层) 。纵向配筋率，视工程性质而变，采用o 5 或0 6 。 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，直到上世纪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 公里的高速公路作准 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。1 9 7 0 年到1 9 9 0 年间，比利时共修建1 8 0 0 万m 2 的c r c p 路面( 包 括3 5 0 万m 2 的c r c p 罩面) ( 3 ) 法国 在法国，一个半官方的收费机构p a r i s - r h i n e r h o n e 高速公路公司，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。另一个半官方性 质的机构c o t - i r o u t e 公司，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 山东大学硕士学位论文 工程 ( 4 ) 澳大利亚 在澳大利亚，第一条c r c p 路面( t h ep a c i f i ch i g h w a yn e a rk e m p s e y ) 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，澳大利亚的c r c p 路面占2 0 9 6 。 ( 5 ) 亚洲 除此以外，亚洲的一些国家也修建了大量的c r c p 路面。 南北高速公路是北起泰国边界的b u k i tk a y uh i t a m ，经过马来西亚群岛， 南至新加坡公路的一条双向高速公路，全长大约8 5 0 k m 。在b u i tl a n j a n 和r a w a n g 之间修建了约1 4 k m 的双向三车道连续配筋混凝士路面，从r a w a n g 到t a p a h 修建 了约1 1 4 k m 的双向双车道连续配筋混凝土路面。高速公路通过k l a n g 山区地段， 修建了1 5 l ( i i l 的c r o p 路面。 南北高速公路中修建的c r o p 路面的设计采用了英国d o t 规范h d l 4 8 7 ，而 未采用欧美其它设计规范，路面的设计使用年限为4 0 年，厚度为2 3 2 6 c m ，纵 向采用1 6 r n r n 的高强钢筋，配筋率为0 7 2 6 c m 厚的面板，钢筋间距为l l c m ， 2 3c m 厚的面板，钢筋间距为1 2 5 c m 横向采用西1 2 r n m 的分布钢筋，钢筋间距为 6 0 c m ，与路线前进方向成6 0 。交角。 1 2 2 国内c r o p 路面发展现状 我国关于c r o p 的研究开展较晚1 9 8 9 年9 月在江苏省盐城市东郊一级公路 上修筑了我国第一条c r c p 试验路，长5 0 0 米，宽7 米( 2 3 5 m ) ，厚2 0 厘米的 c r o p 试验路，用以长期观测1 6 5 , 6 6 】，具体研究其各方面的性能。试验路铺筑在厚 3 4 c m 的二灰土基层上：同路段的接缝水泥混凝土路面厚2 4 c m ，二灰土基层厚度 3 0 c m 。在3 5 米宽的路面中，采用2 2 根1 6 的i 级螺纹钢筋，实际用量为0 6 3 ， 间距为1 5 5 c m ：横向配筋率为0 1 4 ，采用0 1 2 的i i 级螺纹钢筋，横向间距为 4 0 c m 。钢筋埋置深度分两种：东半幅埋置在1 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横向裂缝的约束效果。 1 9 9 1 年长春市公路规划设计院又在长春市郊区长大公路起点到胡家店路段 修建了两段c r o p 试验路，一段属重型交通车道，长4 0 5 m ；另一段属轻型交通车 4 山东大学硕士学位论文 道，长2 3 4 m 。此后，苏南路网改造工程镇江段的沿江新线上也修筑了宽6 m 、长 l k m 的c r c p 试验路。1 9 9 6 年，西安公路交通大学与陕西铜川公路局在铜川境内 的2 1 0 国道上修筑了一段双幅总宽9 m ，厚2 2 c m ，总长2 2 8 m 的c r c p 试验路。1 9 9 7 年在河南许昌境内1 0 7 国道上修筑了l o k m 的实体工程。严格的说，连续配筋混 凝土路面每段长度要求在l k m 以上，因此，以上工程只有两个达到要求。 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阳至宜章段修建 了宽2 1 1 2 5 m ，厚2 8 c m ，总长4 0 1 k m 的连续配筋混凝土路面，实现了我国高 速公路上连续配筋混凝土路面的“零的突破 。总体来说，连续配筋混凝土路面 在我国的应用，尤其是在高速公路上的应用，才刚刚起步。 1 3 有关c r c p 路面理论的研究 1 3 1c r c p 路面理论的相关理论 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 以往修筑的c r c p 试验路进行详细调查后发现，c r c p 的破坏形式与j c p 不同，主 要表现为局部开裂、横向裂缝、唧泥、折断、钢筋断裂。为解决上述问题，建立 合理的设计方法，国内外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。 ( 1 ) c r c p 力学性能 c r c p 由于配置了纵向钢筋而造成混凝土内力与j c p 不同。c r c p 中混凝土以 挤压应力为主，j c p 中混凝土应力以翘曲应力为主而且c r c p 中钢筋应力对混凝 土应力有很大影响。而且影响钢筋应力和混凝土应力的因素很多。 ( 2 ) 开裂模式与破坏原因 初期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。 c r c p 破坏形式主要有：剥落、折断、钢筋断裂、局部开裂、唧泥【8 9 | 。 ( 3 ) 钢筋可靠性研究 5 山东大学硕士学位论文 1 i 一一 i 一一 i i i 曼曼曼皇曼葛曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇皇曼曼曼曼曼皇曼曼 c r c p 中的钢筋是根据收缩及温度变形来设计、计算的。 i 、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 应保证混凝土的最大拉应力不大于极限拉应力还应保证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【9 | 。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上 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 。 i i 、钢筋类型、位置 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 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为6 c m 。 i i i 、钢筋应力分布 由于影响因素较多，c r c p 中钢筋应力分布较复杂，一般采用经验公式计算， 在这方面有待采用更反映实际情况的理论模型进行研究。 i v 、钢筋与混凝土的共同作用 v e t t e r 假定钢筋与混凝土之间完全粘结，即单位长度内变形相等：粘结力与 混凝土所受的力相等，也与钢筋承受的力的和相等。f r i b e r g ，m c c u l l o u g h ，p u l i t z e r 等人，为了预计裂缝间距而改进了v e t t e r 假定，认为钢筋 和混凝土之间存在粘结一滑移关系。 v 、钢筋的防护 对c r c p 中的钢筋一般不作特殊处理。由于在设计时对c r c p 的裂缝宽度己作 了限制。所以水分不易渗入，不会破坏钢筋周围的碱性环境，因此钢筋一般不会 发生锈蚀。 ( 4 ) 横向裂缝间距与宽度的研究 c r c p 的横向裂缝间距是影响路面性能的重要变量。国外的经验表明，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 期等。 i 、钢筋用量、布置深度 6 山东大学硕士学位论文 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注【1 1 ，1 2 1 i i 、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。 i i i 、施工养生条件 在高温( 3 2 0 。c ) 、低湿度( 5 0 ) 、大风情况下施工。应仔细安排浇筑操作过 程。严格掌握在高温季节浇筑混凝上时正常的预防措施。如使用冷材料、湿路签， 湿模板以及严格的施工进度，以防止额外的收缩开裂。 i v 、混凝土龄期 国外经验表明，c r c p 在施工完成后2 3 年裂缝趋于稳定，但8 0 9 0 的裂缝是 在峻工后2 8 9 0 天内，混凝土收缩显著时产生的。根据对己有c r c p 的调查，横向 裂缝间距在l 2 f t ( 0 3 0 6 m ) 的路段破坏最多：横向裂缝间距4 5f t ( 1 2 1 5 m ) 的路段钢筋锈蚀最小：横向裂缝间距在5 8 f t ( 1 5 2 5 m ) 的路段传荷能力最佳， 弯沉及荷载应力最小：横向裂缝间距大于8 f t ( 2 5 m ) 的路段裂缝宽度较大，传荷 能力减小并发生剥落。所以，美国建议的裂缝间距为0 8 3 0 m 。比利时建议的 裂缝间距为1 0 4 0 m 。裂缝间距以不严重渗水为好，一般认为宽度应小于0 6 m m 。 低温下应不大于l m m 。 五、混凝土材料 连续配筋混凝上路面施工是连续作业，不设缩缝。它的横向裂缝主要是由于 混凝土在凝结过程中产生的体积收缩和温度收缩两方面原因造成的。而竣工后初 期产生的裂缝主要是由于混凝土干缩造成的。因此，在配合比设计时掺入外加剂 可以减小混凝土的干缩特性从而起到减少和控制开裂的作用。能达到此目的的 外加剂包括膨胀剂与减水剂两种。 1 9 9 5 年8 月在镇江试验路上使用了中国建筑材料科学研究院研制的u 型膨 胀剂，首次将微膨胀混凝土应用于c r c p 中。同时还应用了减水剂结果证明其对 控制初期开裂是有效的【圳。 7 山东大学硕士学位论文 1 3 2 国外理论成果 1 9 3 3 年，美国学者维托曾提出过在干缩和温差作用下用于计算裂缝间距的 理论公式【引。公式的建立依据许多假定，其中维托假定，在钢筋与混凝土产生相 对位移的区域，粘结应力沿钢筋均匀分布。资料【1 5 】表明，当混凝土中使用钢筋 时，钢筋与混凝土之间的相互作用关系非常复杂。连续配筋混凝士路面中钢筋与 混凝土的作用关系需要研究。 美国t e x a s a & m 大学的z o l l i n g e r 和k a d i y a l a 采用非线性有限元半离散方 法，分析计算了混凝士路面中由于湿度变化引起的收缩应力分布；同时计算了初 期开裂后计入混凝土蠕变影响的路面应力分布【。在他们建立的模型中，考虑了 混凝土应力沿板厚分布的不均匀性，同时在处理钢筋与混凝土的相互作用关系时 采用了粘结一滑移单元，认为粘结作用沿长度不均匀分布。该方法考虑问题较完 善，符合c r c p 路面初期的实际状态，值得借鉴，但它不能分析裂缝间距与裂缝 宽度的关系，不易解释裂缝开裂的原因及裂缝发展的规律。 一些调查报告【1 1 】和研究资料表明，裂缝间距和裂缝宽度有密切的关系，随 着裂缝间距增大，裂缝宽度也增大。但二者定量的关系中受哪些因素的影响值得 研究。 九十年代初，美国t e x a s a & m 大学的z o l l i n g e rd a n g 和k a d i y a l a s u b r a h m a n y a 提出了c r c p 路面早期裂缝宽度的计算方法【1 4 】，该方法在理论上较 为完善，但在实用上较为繁杂。 1 3 3 国内理论成果 我国引入c r c p 的时间相对较晚，自1 9 8 9 年以后，才开始修建了少量的c r c p 试验路，逐渐开展c r c p 的工程试验研究。1 9 9 4 年交通部在修订后的公路水泥 混凝土路面设计规范( j t j 0 1 2 - 9 4 ) 中将c r c p 列入其中。由于缺乏深入的理论研 究和工程试验作依托，相应的设计规范较为简单，所以有必要对c r c p 进行深入 系统的理论分析研究，为c r c p 的设计和施工提供理论指导。 为探索连续配筋混凝土路面早期裂缝宽度的计算方法，陈云鹤博士等运用流 8 山东大学硕士学位论文 ! i _1 i i 曼曼蔓曼曼曼曼曼! 曼曼量曼曼曼曼曼璺 变力学等理论，对c r c p 早期裂缝开裂过程作了深入分析，建立了c r c p 早期裂缝 宽度的简易计算模型。计算结果表明，配筋率是影响裂缝宽度的主要因素，厚度 对裂缝宽度的影响不明显。 东南大学王小林【“j 等人最早开始对连续配筋混凝土路面基本理论、试验和 设计方法开展了研究，其中王小林以两个原则为依据：以保证混凝土与钢筋之 间共同工作为原则，以混凝土应力达到极限抗拉剧变为原则，分析了最佳裂缝 间距下限的确定：以控制裂缝处混凝土剥落为原则分析了最佳裂缝间距上限的确 定：同时根据水流渗透性和裂缝剥落建立了裂缝宽度的控制标准：最后得到了裂 缝间距和裂缝宽度的上下限范围。 1 9 9 6 年，东南大学唐益民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i 引。通 过计算得出临界荷位、横向裂缝间距与地基模量和配筋率对荷载应力的影响以及 横向裂缝最佳间距的下限值。 2 0 0 1 年，西安公路交通大学王虎根据复合材料结构力学理论，详细地阐述 了c r c p 的弹性特征【3 9 ，加| ，建立了c r c p 的动静态控制微分方程，求得了c r c p 在 静荷载作用下的位移和应力的解析解，通过有限元法和解析退化法分析了所得解 析解的可靠性和合理性：运用行波原理、振型叠加和傅立叶变换法，求得了移动 荷载作用下c r c p 的动态响应解：考虑地基变形过程中的能量耗散效应，根据粘弹 性理论，研究了粘弹性地基上c r c p 在冲击和运动荷载作用下的动态响应，求得 了相应的解析解。并针对各类动态解答编制成了微机计算程序。 2 0 0 1 年，西安公路交通大学曹东伟假设钢筋和混凝土之间的粘结滑移为线 性关系【1 7 】，获得了钢筋应力、混凝土应力和相对滑移等的解析解。同时，将c r c p 中纵向钢筋作连续化处理，建立了正交各向异性薄膜单元，对考虑裂缝条件下的 c r c p 荷载应力进行了三维有限元分析，通过计算与分析，得到了不同裂缝间距 时c r c p 两种临界荷位分别为轴载作用于纵缝中部和轮载作用于板横缝中部一侧： 根据地基摩擦力的不同模型，采用解析法和分段叠代法计算了由于升温产生的端 部锚固力。分别采用有限元法和矩阵位移法计算分析了凸形地锚梁的应力和位 移，给出了端墙部分设计参数的建议值及位移、路面板设计弯矩和端墙设计弯矩 9 山东大学硕士学位论文 计算诺谟图。 2 0 0 2 年，长沙交通学院苏清贵在对c r c p 横向开裂进行分析时【1 8 】，考虑了混 凝土与钢筋之间粘结的非线性本构关系，以及路面板与地基之间摩阻的非线性关 系。在建立连续配筋混凝土路面宽翼缘工字梁接缝端部位移的分析模型时，考虑 了板内纵向钢筋对端部位移的贡献。 1 4 本文研究的主要内容及意义 1 4 1 本文研究的主要内容 c r c p 与一般钢筋混凝土结构的不同点在于配筋率低，非荷载因素( 环境因素) 影响大，破坏方式与承载原理不同，因此不能直接按普通混凝土结构进行设计。 c r c p 作为一种混凝土路面，其主要特点在于连续设置的钢筋与间距随机变化的 裂缝，设计中除考虑结构承载能力外，耐久性也是重要问题之一。c r c p 钢筋一 般配于板中位置，对板的抗弯刚度贡献很小，因此承载能力主要与板厚有关，耐 久性与裂缝间距裂缝宽度有关，其实质是通过合理配筋设计来控制c r c p 的裂缝。 板厚计算、配筋设计等是c r c p 设计的主要内容，虽然我国现行规范在参考国外 设计方法的基础上给出了c r c p 路面配筋率的计算公式，但考虑的因素还不完善， c r c p 路面的设计、施工等还有待于深入研究。 固有裂缝的存在对c r c p 路面板刚度和强度的影响较大，但目前国内研究没 有就横向裂缝的存在对板面强度、刚度的影响大小给出一个确切的数据。因此， 本文针对耒宜高速路连续配筋混凝土路面工程实际需要，在对该连续配筋混凝土 路面进行实地调查的基础上，开展如下几个方面的研究工作： 利用有限元法研究c r c p 路面在无裂缝时的应力状态，并与理论值相比较； 建立c r c p 路面存在裂缝缺陷时的力学模型，进行力学分析； 对比有裂缝和无裂缝c r c p 路面应力的变化，得到刚度和强度的折减系数，并 对裂缝处理提出相应建议； 研究c r c p 路面在局部脱空状态下的应力变化： l o 山东大学硕士学位论文 1 4 2 本文研究的意义 裂缝控制在允许范围之内时，会引起路面刚度的下降，使其整体性降低，但 对承载力的影响也许不是很大，随着使用年限的增长，裂缝继续扩展达到一定宽 度将大大降低路面的承载力，这时就要对路面进行维修处理。 通过本论文的研究，对开裂后c r c p 路面的工作状态特别是承载力做出科学 的评判，将其与设计应力相比较，计算应力折减系数，对开裂的c r c p 路面进行 评估，真正了解c r c p 路面的实际状态( 包括损伤状况、实际承载力、实际刚度等) ， 以期为c r c p 开裂后性能的研究提供了参考；为c r c p 路面设计提供可靠的安全系 数，使得设计更加合理、经济；为c r c p 路面的修护提供依据。 山东大学硕士学位论文 第二章连续配筋混凝土路面基本理论及有限元分析 c r c p 与普通混凝土路面的区别在于：纵向连续配筋，裂缝处传荷能力强，裂 缝间距( 板长) 随机变化，因此c r c p 的车辆荷载应力与普通混凝土板有很大不同， 需开展研究，为板厚设计提供依据。 c r c p 路面实质上是一种钢筋混凝土结构，然而人们对钢筋混凝土结构力学 性能依然没有很全面地了解。特别是混凝土，成分复杂，表现出明显的非线性行 为。长期以来的设计方法是用杆系的或平面的线弹性理论来研究钢筋混凝土结构 的应力或内力，显然，这是不太合理的。尽管有些理论是基于大量试验数据上的 经验公式，还是没法满足人们对钢筋混凝土结构深入认识的需要，必须通过三维 实体的非线性分析才能很好地掌握其力学性能。钢筋混凝土有限元分析是研究混 凝土结构性能的有力工具，可以对结构自开始受荷载直到破坏的全过程进行分 析，获得不同阶段的受力性能。此外，有限元分析还能够帮助改进甚至取代一部 分试验。但是用于三维钢筋混凝土非线性分析的有限元方法，单元较多，程序复 杂，不易编制。而a n s y s 软件是当今国际主流的有限元分析工具，它有众多的单 元可供选择，以及非常完备的前处理和后处理功能。a n s y s 在钢筋混凝土分析中 的应用使得工程师们得以从繁琐的程序编制中解脱而实现其应用的目的。本文分 析中应用有限元法分析了c r c p 的荷载应力。 2 1 复合材料层合板理论 2 1 1 复合材料理论 c r c p 是在水泥混凝土内配置连续钢筋的板状构造物，其物理和力学特性呈 现各向异性的性态。况且，水泥混凝土本身是由水泥、粗集料和细集料等材料组 成并存在有微孔、微裂缝的多相复合材料。混凝土在结硬过程中，由于失水干缩 和温度变化，本身容易形成微观裂缝和微孔。微观裂缝包含有砂浆裂缝、粘结裂 缝、骨料裂缝及干缩裂缝等。砂浆裂缝存在于水泥砂浆之中，粘结裂缝存在于砂 浆和粗骨料的界面上，骨料裂缝存在于粗骨料的自身内部。而且混凝土干缩固结 变形易导致混凝土固体形成宏观裂缝。因之，要建立包括诸多因素的完善而精确 1 2 山东大学硕士学位论文 的c r c p 力学分析模型，将使问题过于复杂化，增加数学力学分析及其工程实践 应用上的难度。倘若完全采用经验的方法确定其结构尺寸，又将过于粗略而且具 有局限性。所以，采用合理的计算假设，忽略某些次要的影响因素，从宏观和工 程应用角度对问题进行简化，建立适当的分析模型，并使问题获得理论解答。通 过实验对理论结果进行修正，取得理论与实际的统一，从而达到应用力学理论解 决工程实际问题的目的，这是众所公认的可行方法1 1 9 j 。 2 1 2 分析计算模型 国外用梁式模型模拟配筋混凝土路面，理论上比较简单易于求解。但是这种 单向( 纵向) 结构模型。主要描述路面结构的一维特征，不能描述其横向效应，即 不能描述路面的二向力学特性。将c r c p 看作是钢筋增强型复合材料层合板不仅 可以反映路面纵向和横向变形特性，也可以描述钢筋对路面板受力变形特性的影 响。c r c p 板中的素混凝土层，视为均质各向同性层，配置钢筋的混凝土层视为 正交各向异性层( 见图2 - 1 ) c r c p 板的总厚度与横向和纵向尺寸相比要小得多。 因而其结构属于非均质的各向异性层合薄板。根据配筋情况，将其分成多个单层 板。对于纵横向配筋的c r c p 板可看成为4 层复合层合结构。本文分析采用笛卡 尔直角坐标系o x y z ，o x y 坐标面位于路面层合板的几何中面内。当纵横向配筋时， 纵向钢筋和横向钢筋的轴向分别与x 轴和y 轴平行。若将横向钢筋与纵向钢筋层 进行叠合简化为一个单层位于路面板几何中面，或将纵向钢筋位于几何中面位 置，忽略横向钢筋的作用，则层合板转化为正交各向异性对称结构，其计算分析 转变成为正交各向异性板问题1 2 5 | 。 图2 1c r c p 层合板结构图和分析坐标系 山东大学硕士学位论文 2 1 3 配筋混凝土板计算假定 ( 1 ) 钢筋与混凝土之间完全粘接、规则排列、完全成直线。混凝土呈均匀各向 同性特性，各单层之间粘接牢固，不产生滑移，层间是完全连续的。 ( 2 ) 变形前垂直于层合板中面的直线段，变形后仍为垂直于变形后的层合板中 面的直线段，并且长度不变，即符合直法线不变假设。 ( 3 ) 平行于中面的诸截面上的应力与其它应力相比很小，可以忽略不计。 ( 4 ) 板的挠度远小于其厚度，即属于小