（道路与铁道工程专业论文）双层钢筋混凝土路面应力分析与结构设计研究.pdf

摘要 双层钢筋混凝土路面是在面层板内配置上下两层纵向和横向钢筋，以防止可能产生 的裂缝缝隙张开的一种设接缝混凝土路面结构。该结构具有耐久性好，养护费用少，综 合成本低，适用重载交通等显著优点。论文在山西省混凝土路面使用状况调查与分析的 基础上，进行双层钢筋混凝土路面荷载及温度等应力分析，结合特重交通的要求，对路 面配筋进行优化设计。此外，结合试验路实体工程，解决钢筋混凝土路面施工的关键技 术。 论文将双层钢筋混凝土路面中混凝土和钢筋进行分离式建模，运用a n s y s 有限元 软件分析钢筋混凝土路面的荷载应力。通过计算，得到双层钢筋混凝土路面的临界荷位， 分析了面板平面尺寸、配筋率、配筋位置、模量等参数对板底应力的影响规律。对设置 与未设置层间功能层的路面结构在车辆荷载作用下的应力进行了对比分析，体现出层间 功能层的弹性缓冲和应力吸收等作用。研究了板底脱空的形成机理和分布形态特征，分 析了脱空和各结构参数对板角应力的影响。 建立了双层钢筋混凝土路面温度应力的计算模型与应力平衡微分方程，并求得在降 温、干缩和翘曲变形条件下混凝土和钢筋的应力和位移计算公式。分析了配筋率、材料 线膨胀系数、温度梯度等参数变化对混凝土和钢筋应力与位移的影响规律，对双层钢筋 混凝土路面结构进行配筋优化设计计算。 对基于层间功能层的双层钢筋混凝土路面结构进行协调设计，主要包括板厚设计、 平面设计、接缝设计和配筋设计。根据论文研究成果，设计出双层钢筋混凝土试验路路 面结构，结合试验路实体工程的铺筑，探寻其科学的施工技术。 关键词：双层钢筋混凝土路面，荷载应力，温度应力，结构设计，施工技术 ab s t r a c t d o u b l e - l a y e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ep a v e m e n ti so n eo f j o i n t e dp o r t l a n dc o n c r e t ep a v e m e n ts t u r c t u r e s w i m 似od o u b l el a y e rs t e e lb a r si nt l l el o n g i t u d i n a ld i r e c t i o ni no r d e rt op r e v e n tt h ep o s s i b l es p r e a do f c r a c k so nt h es u r l e nh 丛m o r ea d v a n t a g e si n c l u d i n gb e t t e rd u r a b i l i 劬h i 曲e r b e 撕n gc a p a c i 吼l e s s m a i n t e n a n c ew o r k 锄dl o wc o m p r e h e i l s i v ec o s t t h i sp 印e ri sc a r 咖n go u tt h ev e h i c l e l o a ds 仃e s s 锄d t 1 1 e m a ls 仃e s sa i l a l y s e so ft h ed o u b l e - 1 a y e r 陀i n f o r c e dc o n c r e t ep a v e m e 鸭m a k i n go p t i m u md e s i 印f o r p a v e m e n tr e i n f o r c e m e n t e s p e c i a l l yc o m b i n i n gt 1 1 es p e c i a lw e i g h t 舰f f i c ，b a s i n go nt h ea p p l i c a t i o n 锄d i n v e s t i g a t i o no ft h e c o n c r e t ep a v e m e mi ns h a i l x ip r o v i n c e b e s i d e s ，t h ep a p e ri s s o l v i n gt h ek e y c o n s t m c t i o nt e c h n i q u e so fr e i n f o r c e m e mi n s t a l l a t i o n ，c o m b i n i n gw i t ht e s tr o a d mt 1 1 ep 印e r b u i l d i n gi s o l a t e dm o d e l i n go fc o n c r e t e 锄ds t e e lb a r ，b yu s i n gf i n i t ee l e m e ms o f t w a r e a n s y s ，c a 吖i n go u tt 1 1 ev e h i c l e - l o a ds t r e s sa j l a l y s i s t h r o u g hag r e a td e a lo fc a l c u l a t i o n 锄da n a l y s i s ，t h e c r i t i c a l l o a dp o s i t i o ni sf o u n do u t ，t h er e l a t i o no fp l a n ed i m e n s i o n ，r e i n f o r c e m e mr a t i oa n di t sl o c a t i o na r e s t u d i e d t h ep 印e rh 硒as t r e s sc o m p a r i s o na n a l y s i sb e 似e e ns e 仕i n g 锄du 1 1 s e n i n gi i l t e r l a y e rm n c t i o n p a v e m e n t i ts h o w st h ei m e r l a y e rh a v et h ef u n c t i o no ff l e x i b l ec u s h i o n i n ga n ds t r e s sa b s o r p t i o n t h e f 0 珊a t i o np r i n c i p l ea n dd i s 劬u t i o nc h a r a c t e r i s t i co fv o i da r er e s e a r c h e d t h ei n n u e n c eo fd i 仃e r e n tv o i d a r e aa n de a c hd e s i 朗p 硼l i l l e t e rt o1 0 a ds 仃e s si sa n a l y z e d t h el i n e a rc 甜c u l a t i o nm o d e lb e t w e e nt i l e s u b 黟a d ea n dc o n c r e t e ，t h ee q u i l i b r i u m d i f r e r e n t i a l e q u a t i o n sa r ee s t a b l i s h e df o rt h ea n a l y s i s t h ea n a l ”i cs o l u t i o ni sd e r i v e d 锄dt h ef 0 肌u l ai sp r 0 v i d e dt 0 c a l c u l a t et h ep a v e m e n ts t l 陀s sa i l dd i s p l a c e m e n ta tt h ec r i t i c a lp o s i t i o nu n d e rt l l et e m p e r a t u r ed r o p 锄d s h r i n k a g e t h ei n f l u e n c e so fr e i n f o r c e m e n tr a t i o ，m a t e r i a ll i n e a re x p a n s i o nc o e 伍c i e m 锄dt e m p e r a t u r e g r a d i e mo nt h ec o n c r e t ea n ds t e e l s n - e s s e sa r e 锄a l y z e d ，甜l dt h eo p t i m a lr e i n f o r c e m e n td e s i g no ft h e d o u b l e l a y e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ep a v e m e n ti ss t u d i e d t h ep 印e rm a d es t l l j c t u r a lc o o r d i n a t e dd e s i g no ft h ed o u b l e l a y e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ep a v e m e n tw i t h t h e i m e r i a y e r 如n c t i o n ，m a i n l yi n c l u d i n gp l a t e t h i c l ( i l e s s d e s i g l l ，p l a l l ed e s i 印，j o i n td e s i g i l a 1 1 d r e i n f o r c e m e n td e s i g n a c c o r d i n gt om ea c h i e v e m e n t so ft l l ep 印e r 锄dt h et e s tp a v e m e n tp r a c t i c a l c o n s t r u c t i o ne x p e r i e n c e ，c a j l y i n go u tt h ed e s i g na n dt h ec o n s t n j c t i o no ft h ed o u b l e l a y e rr e i n f o r c e d c o n c r e t ep a v e m e n t ，s e e k i n gf o rs c i e n t i f i cc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o 夥 k e yw o r d s ：d o u b l e - l a y e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ep a v e m e n t ，l o a ds t r e s s ，t h e 眦a ls t r e s s ，s t r u c t u r a ld e s i g n ， c o n s t r i j c t i o nt e c h n o l o 科 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 2 乖6 其| b 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 叫年6 月日 讯帚f2 卞舌月二日 仉c r 。呵耷明加 * 女 学硕学位论文 第一章绪论 11 问题的提出 近一百多年来，水泥混凝土路面修筑技术不断完善，为世界各国的交通运输做出了 巨大的贡献。它之所以能经久不衰，主要取决于它本身的优势：具有较高的抗j = i 三强度、 抗弯拉强度，以及较强的抗磨耗能力；具有良好的温度稳定性和水稳定性；材料不易老 化衰变，具有优良的耐疲劳特性：承载能力高，适用于重载交通、港口集装箱和大件运 输，因此工矿道路、停车场、机场均优先选用水泥混凝土路面。 我国水泥工业的发展以及在设计、施丁、设备等方面取得的研究成果和积累的实践 经验，为发展水泥混凝土路面创造了有利条件。我国水泥资源非常丰富，叶1 国国家统计 局最新消息显示：2 0 0 7 年全国大中规模以上水泥企业总产量1 35 亿吨，增速高达 1 3 4 8 。在国内水泥的最远运距不会超过3 0 0 k m 。水泥路面的使用不仅能满足使用要求， 还可就地取材，带动当地经济的发展。 但是，目前国内许多水泥混凝土路面由于设计不当而产生各种病害，如断板、破碎、 错台、唧浆等，严重影响了路面的使用性能，甚至造成了严重的交通事故，极大地制约 了我国经济的进一步发展。所以，针对目前交通实际情况，针对特殊功能道路大力推广 钢筋混凝土路面具有重大的意义。 钢筋混凝土路面是在混凝土面层板内配置纵向和横向钢筋，以防止可能产生的裂缝 缝隙张开的一种设接缝混凝土路面结构。其耐久性好，养护费用少，综合成本低。面层 中的钢筋可以限制裂缝的发展，使路面板的接缝间距延长，减少接缝数量，从而减少园 接缝设置不当而产生的唧泥、错台等病害，提高路面行车的舒适性。此外，由于板内纵 横向钢筋的配置，使得这种结构更适用于重交通及特重交通路面。 圉1 1 排成长龙的遥煤车 第一章绪论 针对目前道路交通量大，重载和超载现象严重( 图1 1 和图1 2 ) ，本文提出基于层 间功能层的双层钢筋网混凝土路面结构。对双层钢筋混凝土路面荷载及温度等应力进行 分析，结合特重交通的要求，对路面的配筋进行优化设计，提出双层钢筋混凝土路面的 结构设计方法。此外，结合试验路实体工程，解决钢筋混凝土路面施工的关键技术。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 钢筋混凝土路面的应用与发展 根据路面结构特性及所用材料的不同，混凝土路面包括普通素混凝土路面( j p c p ) 、 钢筋混凝土路面( 瓜c p ) 、连续配筋混凝土路面( c r c p ) 、钢纤维混凝土路面( s f r c p ) 等多种类型。 水泥混凝土路面作为一种筑路材料用于铺筑路面最早是在英国。1 8 2 8 年在伦敦郊 外，英国用水泥混凝土铺筑了道路基层。1 8 5 8 年，法国巴黎，用水泥混凝土铺筑了薄 层沥青路面的基层。1 8 8 8 年，美国纽约也用水泥混凝土铺筑基层。第一次世界大战后 ( 1 9 1 4 年) ，水泥混凝土路面得到了广泛的应用。 早期的水泥混凝土路面直接铺设在土基之上，并做成中间厚两边薄的横断面。2 0 世纪3 0 年4 0 年代，水泥混凝土路面由于它具有高强、耐久、行车性能好等一系列优 点，在欧美各国发展很快。1 9 3 3 年开始德国大规模采用机械化施工，每年投入使用的 水泥混凝土路面超过1 0 0 0 l 。而战前修建的水泥路面，直到2 0 世纪5 0 年代末期，除 了少数路段，因战乱破坏之外，大部分路面在极少养路费用的情况下，都使用2 0 年以 上。 第二次世界大战后，全世界汽车工业迅猛发展，特别是货运车辆载重量与轴重迅速 增加，在美国和欧洲普遍出现了大范围的水泥混凝土路面破损，主要破坏形式为唧泥、 沉陷和破碎。这引起了道路工程者的重视，通过大规模调查研究证实，发现在重车作用 下，混凝土板下的土基或基础失去稳定是造成破坏的重要原因。2 0 世纪6 0 年代，美国、 欧洲、日本小汽车工业飞速发展，发达国家争相修建高速公路，水泥混凝土路面有一定 的发展，但是沥青路面的发展更快。这主要是由于沥青路面结构与材料的研究取得了新 的突破。因此，各国的高速公路中，沥青路面占了很高的比例，如德国，战前高速公路 几乎全部为水泥混凝土，至2 0 世纪7 0 年代，沥青混凝土路面所占比例达到8 0 ，而水 泥混凝土路面仅为2 0 。美国在完善道路网的过程中，对于交通繁忙、汽车轴重增大的 道路，更多地选择了水泥混凝土路面，近几年新建的承受重交通的高速公路中有5 3 2 长安大学硕士学位论文 的州际公路和1 5 的一级联邦资助道路采用了水泥混凝土路面。英国自1 9 7 0 年以来修 建的主要干道中约有2 2 为水泥混凝土路面。加拿大水泥混凝土路面占高速公路的比重 1 9 7 5 年为5 5 ，1 9 8 2 年为1 0 以上。2 0 世纪9 0 年代以来，美国和欧洲一些国家提出， 对于交通特别繁忙的公路应按照长寿命道路的概念来设计路面，有的提出按5 0 6 0 年 的寿命来设计路面结构，其中很大一部分国家正在构思修建钢筋混凝土( 包括连续配筋 路面在内) 特强基层，5 0 年不维修，必要时5 8 年更换上面沥青混合料功能层的设想， 这样水泥混凝土路面在新的持续发展战略地位中又能够发挥其独到的优势【6 】。 我国水泥混凝土路面起步较晚，至1 9 7 0 年，全国公路水泥混凝土路面的里程仅为 2 0 0 k m ，占高级和次高级路面总里程的o 8 7 ；至1 9 8 0 年，混凝土路面的里程为1 6 0 0 l ， 约占高级和次高级路面里程的1 0 1 。随着高等级公路的发展，混凝土路面也得到了相 应的发展，至1 9 9 0 年，水泥混凝土路面总里程增加到1 1 7 7 3 l ( n l ，占高级与次高级路面 总里程的4 3 7 ；至2 0 0 7 年，水泥混凝土路面总里程增加到8 4 8 8 万公里，约占高级与 次高级路面总里程的7 0 。3 0 多年来，水泥混凝土路面所占的百分比增长了8 0 倍蒜 随着我国经济实力的增强和公路上特重、重交通量超载运输条件的恶化，以及公路 建设速度的加快，基础和路基稳定性不足和脱空情况增多。预计今后，适应特重、重交 通量的钢筋混凝土路面在我国公路上的应用将越来越广泛。 1 2 2 钢筋混凝土路面设计理论的发展 水泥混凝土与其他筑路材料相比，具有较高的强度与刚度，板体性好，所以水泥混 凝土路又称刚性路面。刚性路面在车轮荷载作用下，作为承重结构主要以板体的抗弯拉 强度与刚度保持路面的正常工作状态，因此，长期以来刚性路面面板厚度设计一直以路 面板的抗弯拉应力达到极限强度、路面板产生开裂作为设计的破坏标准。最早的设计方 法以欧尔德( c 0 l d e r ) 和哥尔德贝克( a t g o l d b e c k ) 1 9 2 0 年提出的计算方法为代表。 他们假设路面板底下局部发生脱空，板体处于悬臂状态，利用材料力学方法计算得到板 体最大弯拉应力，以此作为板体厚度设计的依据。这是一种比较保守的观点与方法，在 实际工程中，局部脱空是不允许出现的状态。 由于刚性路面板的最不利荷位一般情况位于板角或板边，新的地基假定推导的公式 虽然可以计算无限大板的厚度，但是无法确定最不利荷载位置时的弯拉应力。为此，梅 特尼科夫等人运用应力等效法则，将两种地基假定下，两个板中应力计算公式取相等， 导出了两种地基参数的等效换算公式，得出了以弹性半空间地基假设的参数表达的、三 第一章绪论 个典型荷载位置的弯拉应力计算公式，尽管尚有诸多不合理之处，但是作为一种近似的 方法也是可以的。俄罗斯早期的设计方法，以及我国1 9 5 8 年、1 9 6 6 年的刚性路面设计 规范，均以梅特尼科夫公式为基础。 1 9 4 3 年波米斯特( d m b 咖i s t e r ) 最先发表了双层弹性体系的解析解，柯岗 ( b m k o r a h ) 等人于1 9 5 3 年将弹性层状体系理论用于刚性路面设计。这样人们完全可 以摆脱弹性薄板的假定和层间滑动的接触条件，完全可以按照路面板的实际结构厚度及 接触条件来建立方程式，求得解析解【5 】。 除了荷载应力之外，温度变化会引起刚性路面产生温度变形，若温度变形受阻刚性 路面还将发生与荷载无关的附加温度应力。威斯特卡德提出了由于路面板上、下顶面温 差引起发生翘曲变形，当变形受到约束时，将产生附加翘曲应力的概念，并由布拉德伯 利通过阿灵顿试验路和数值推理提出了刚性路面翘曲应力的计算公式和计算曲线。该计 算方法一直延用至今。 2 0 世纪6 0 年代以后，汽车工业与航空工业有较快的发展，重型载货汽车和大型越 洋飞机在交通运输中大量应用，大型的多轮载的复杂性使得早期提出的威氏公式为基础 的设计方法已无法适应，尽管许多学者提出了用当量单轮荷载取代多轮荷载，但是实际 效果仍不够理想。1 9 6 5 年张佑启和森克维琦( z i e i l l ( i e w i c a ，d c ) 最先应用有限元分析 刚性路面应力。1 9 7 0 年以后，沙捷斯( s a r g i o u s ，m ) 和张佑启；黄仰贤( y h h 啪g ) 和王光俊( s t w - 觚g ) 等应用有限元方法对刚性路面开展了多方面的研究，他们不仅提 出了温克勒和弹性半空间两种地基假定的有限元分析研究成果，而且对温度应力计算， 板底有脱空现象、对称性的利用，板与板之间接缝的不同方式等相关的计算方法均提出 了重要的成果。 我国系统开展刚性路面结构理论与设计方法的研究起步较晚。2 0 世纪7 0 年代中期， 东南大学和浙江省交通厅在浙江省台州地区修筑试验路，进行荷载应力和扰度测定和疲 劳试验，通过研究论证了设计理论的可靠性，提出了板下地基模量的非线性特性，以及 路面设计时确定地基模量的方法，探讨了路面板在荷载反复作用下疲劳损伤发展过程和 估算方法。至2 0 世纪9 0 年代初，在荷载应力和温度应力的计算分析、疲劳性能和轴载 换算、结构评定及设计方法、地基强度及基层顶面模量的确定、可靠度理论与设计方法 等方面取得了大量的理论和实用性科研成果，为推动我国混凝土路面的发展，初步建立 我国刚性路面设计理论体系奠定了坚实的基础。 随着钢筋混凝土路面结构加筋技术的发展和完善，在混凝土路面中能否用加筋的办 4 长安大学硕士学位论文 法以提高承载能力和减薄路面，成为相当长时期内人们探讨的方向。钢筋混凝土路面有 3 种：局部补强使用的间断( 带接缝) 钢筋混凝土路面；连续配筋混凝土路面；预应力 钢筋混凝土路面。规范中对前2 种路面情况进行了介绍，东南大学黄卫教授等已经进行 过预应力钢筋混凝土路面的设计理论分析和试验工作，在江苏省做过2 段各1 0 0 m 的预 应力钢筋混凝土路面试验路。预应力钢筋混凝土路面受到2 方面的制约：一是路面里程 很长，大量路面的预应力张拉极为麻烦，难度很大；二是3 0 0 m 以上路面的预应力超张 拉度的控制难度较大，路面结构厚度较薄( 2 2 0 3 0 0 i m n ) ，阳光曝晒下，温度应力提升幅 度很大很快，英法等国的试验表明，长距离的预应力混凝土路面夏季热天会产生暴裂现 象，因此，在机场路面的跑道上推荐采用可调控预应力。可调控预应力要有按温度应力 的大小自动调控预应力度的特殊装置和控制系统。国际上仅有法国人在阿尔及利亚的一 个军用机场跑道上实现了这种方案，几十年使用下来情况良好。但目前在我国高速公路 上实现有相当大的困难。 在间断钢筋混凝土路面的设计上我国参照国外规范和我国的经验，进行了偏保守的 设计，给出了最小配筋率供设计采用，间断补强钢筋混凝土路面的设计依据显得不足。 交通部公路科学研究所已经开始了此方面的研究，将来我国可根据交通荷载，特别是路 基预计脱空变形量的大小，由脱空附加应力及其疲劳来进行间断补强钢筋混凝土路面的 配筋计算。但是目前还做不到这一点，主要依据经验在控制最小配筋率的条件下进行配 筋补强l l 。 配筋混凝土路面，在路面板纵向配置0 4 o 8 的钢筋，以约束混凝土板，使之 产生裂缝之后仍保持紧密接触状态。这种路面结构通常可以在8 1 5 m 范围内不设置伸 缩缝。钢筋与混凝土的粘结是钢筋与其周围混凝土之间的一种相互作用，使二者之间的 应力及变形协调，是钢筋与混凝土两种材料共同工作的基础。而粘结应力通常就是指钢 筋与混凝土接触面上的剪应力。钢筋与混凝土之间的粘结力由三部分组成：( 1 ) 混凝土 中的水泥凝胶体在钢筋表面产生的化学粘着力或吸附力，其粘结强度取决于水泥的性质 和钢筋表面的粗糙程度；( 2 ) 混凝土对钢筋的摩阻力。当混凝土的粘结力破坏后发挥作 用，其大小取决于混凝土发生收缩或荷载和反力等对钢筋的径向压应力，以及二者间的 摩擦系数等；( 3 ) 由于钢筋表面粗糙不平，或变形钢筋存在凸肋，钢筋和混凝土之间存 在机械咬和作用。混凝土中钢筋的存在，使得钢筋混凝土面层裂缝不会太宽，裂缝一般 不能穿过钢筋层而发展成为上下贯穿的通缝，也不会延伸到钢筋表面，结构钢筋不会受 到锈蚀，因此使用寿命会延长。 第一章绪论 随着钢筋混凝土路面结构的广泛应用，其路面结构优势得到认可的同时，路面结构 形式也在不断的完善。对于单层纵向钢筋在断面上的位置存在着不同的观点，室内试验 表明，钢筋放在板的下部时产生的混凝土板底拉应力小于钢筋放在板的上部。另一些室 内试验表明，纵向钢筋如设置在板的上部，其防止路面开裂和剥落方面的性能要优于钢 筋放在板的下部。故对设置单层钢筋混凝土路面，大多数情况是将钢筋设置在板的中部， 主要是从防止路面开裂的角度考虑。因此，对于采用双层钢筋网的路面结构形式，充分 发挥上下层钢筋的作用，从而提高路面的使用性能。然而，由于施工技术和经济成本等 原因，双层钢筋混凝土路面结构形式在我国使用并不多，只是在一些专用道路或特殊路 段铺筑了试验路段，通过多年的使用效果表明，双层钢筋混凝土路面结构形式合理，路 用性能优良。可以预计双层钢筋混凝土路面由于其优良的使用性能必将在我国逐步得到 推广，所以开展对该路面结构的研究具有重要的意义。 1 3 主要研究内容 综合前述分析，本文旨在研究双层钢筋混凝土路面结构的形式和受力特点，探讨适 合于重载和特重交通的新型路面结构形式。 为达到上述目标，论文拟从以下几方面开展研究工作： 1 双层钢筋混凝土路面荷载应力分析 为研究设置钢筋对混凝土路面面板荷载应力的影响，通过有限元软件模拟钢筋混凝 土路面结构并计算其荷载应力，通过计算结果与普通混凝土路面荷载应力计算结果的比 较，得出钢筋对混凝土面板荷载应力的影响。同时计算施加功能层的钢筋混凝土路面的 荷载应力，分析功能层所起作用。 2 双层钢筋混凝土路面板底脱空受荷分析 研究面板底部存在脱空的情况下，双层钢筋混凝土路面的荷载应力情况，分析各结 构参数对面板荷载应力的影响。同时分析不同的轴载作用形式下，双层钢筋混凝土路面 的应力和位移情况。 3 双层钢筋混凝土路面温度应力分析 研究钢筋混凝土路面板的温缩和干缩变形受到钢筋的约束作用而减少，温度应力分 析是配筋设计的依据。通过对双层钢筋混凝土路面微分单元的理论分析和a n s y s 有限元 分析，建立温度荷载作用下配筋率等设计参数与混凝土位移和应力的关系。对于施加功 能层的有限元模型结构进行对比分析，得出功能层在温度荷载作用下对结构的影响。 6 长安大学硕士学位论文 4 双层钢筋混凝土路面配筋设计研究 解决双层钢筋混凝土路面的配筋设计等关键问题，包括设计参数、设计方法和计算 等。选取不同的配筋率进行计算并在相同配筋率情况下变换钢筋直径和间距进行对比分 析，得到合适的配筋设计。 5 双层钢筋混凝土路面结构协调设计 对于设置功能层的钢筋混凝土路面进行结构协调设计，提出合理的双层钢筋混凝土 路面结构设计方法，推荐合理结构形式。 6 双层钢筋混凝土路面施工技术 总结试验路现场铺筑经验，探索双层钢筋混凝土路面施工技术。 7 第二章双层钢筋混凝土路面荷载应力分析 第二章双层钢筋混凝土路面荷载应力分析 2 1 双层钢筋混凝土路面结构概念的界定 双层钢筋混凝土路面结构是指按照设计要求形成双层钢筋网骨架，再通过浇筑、振 捣形成的钢筋混凝土路面结构。该路面结构具有较高的刚度，适用于重载和特重交通的 要求。 双层钢筋混凝土路面与普通钢筋混凝土路面的区别在于：设置有上下两层钢筋网， 下层钢筋设置在面层底部承受弯拉应力的位置，上层钢筋可像普通单层钢筋一样放在面 板的中上部。设置上层钢筋的目的主要是限制裂缝的发展。 随着汽车轴重和交通量的增加，钢筋混凝土路面普遍产生唧泥，最终导致路面板断 裂破坏。目前，大多数国家的高速公路及通行重交通的道路，普遍采用水泥稳定粒料、 沥青稳定粒料基层，或采用低标号混凝土，即贫混凝土基层。采用强度高、稳定性好的 贫混凝土基层可以减小在有雨水渗入时，基层表面产生唧泥和冲刷的可能。同时也能确 保路面板应力分布均匀，表面平整。基层的厚度一般取2 0 c m 左右，最小厚度为1 5 c m ， 最大厚度一般不超过3 0 c m 为宜。 为了研究钢筋混凝土路面的结构和配筋量，在山西省大同市铺筑了运煤专线试验路 工程，路面结构及参数如表2 1 所示。 表2 1 双层钢筋混凝土路面实体结构及参数 结构组合厚度( m )弹性模量( m p a ) 弯拉强度( m p a ) 水泥混凝土面层 o 3 0 3 0 0 0 05 5 沥青混凝土功能层 0 0 51 2 0 0 贫混凝土基层 0 2 0 2 0 0 0 01 8 水泥稳定砂砾底基层 0 3 01 5 0 0 0o 4 天然级配砂砾垫层 0 3 0 6 0 00 2 面板钢筋布置形式，纵向钢筋采用h i u 1 8 h u n 螺纹钢筋，横向钢筋采用 h r b 1 6 m m 螺纹钢筋。下层钢筋网距板底1 0 c m ，上层钢筋网距板顶1 0 c m ，两层钢筋 网间距l o c m 。纵向钢筋间距3 0 c m ，横向钢筋间距7 5 c m 。拉杆为h r b 西1 6 m m 螺纹钢 筋，间距6 0 c m ，长度8 0 c m 。传立杆为3 8 光圆钢筋，长度5 0 c m ，间距3 0 c m 。纵向钢 筋配筋率为o 5 7 ，横向钢筋位于纵向钢筋之下，如图2 1 所示。 8 长安大学砸 位论文 图z i 双层钢筋同布置形式 对于层间功能层，采用a c 1 6 型沥青涫凝土，按照规范中对密级配沥青混凝土的 要求，进行沥青混合料的拌和、运输、摊铺、压实与成型。严格控制沥青混合料中大料 含量，保证沥青功能层的厚度与平整度。 2 2 钢筋混凝土路面有限元计算 钢筋混凝土路面是在混凝上面层板内配置纵向和横向钢筋，咀防止可能产生的裂缝 缝隙张开的一种设接缝混凝土路面结构。面层中的钢筋可以限制裂缝的发展，使路面层 板的接缝间距延长，减少接缝数量，提高路面行车的舒适性。在建立模型时须考虑钢筋 对路面性能的影响。钢筋混凝土有限元分析中，一般把钢筋作为线性杆单元考虑，混凝 土采用正六面体空间单元，将混凝土和钢筋各自划分为足够小的单元，考虑钢筋和混凝 土完全粘结的情况，实际上是混凝土和钢筋作为不同单元处理的分离式模型。这种模型 能较自然地描述钢筋与混凝土之间的作用。 2 2 l 计算模型 为了简化模型，采用扩大地基模拟，边界条件为：地基底面完全约束，侧面施加法 向位移约束：钢筋混凝土面层和沥青混凝土功能层考虑四周自由情况。并作如下假设： 各结构层为各向同性的弹性体水平、竖向位移连续； 不计自重影响： 裂缝旦形成，便假定其完全贯通，在裂缝处混凝土不承受拉应力； 混凝土与钢筋完全粘结，无相对滑移； 裂缝分布均匀且形状规则。 第二章双层钢筋混凝土路面荷载应力分析 为了便于考虑混凝土与钢筋的相对滑移，并反映钢筋的实际工作情况，本研究建立 了分离式模型，采用八节点各向同性单元模拟水泥混凝土，运用三维杆单元模拟钢筋作 用。对于考虑层间作用的模型，在钢筋混凝土面层和贫混凝土基层之间设置了反映层间 接触的沥青功能层，假定贫混凝土板和地基之间完全光滑，耦合地基和贫混凝土板之间 对应节点的y 方向的自由度。荷载采用单轴双轮组标准轴载b z z 1 0 0 ，作用位置在临 界荷位。为了有限元计算的方便，荷载作用面取为正方形，面积为o 2 0 2 i n 2 ，轮胎接 地压力取为o 7 m p a ，轴长1 8 m ，双轮中心距0 3 m 。 2 2 2 计算参数 用有限元法对弹性半空间地基上双层板进行分析时，计算结果的收敛性不仅与单元 的合理划分有关，而且与计算所选取的区域大小有关。当计算范围足够大，单元划分的 疏密程度与应力的场变梯度相适应时，计算结果趋于精确解。 1 模型尺寸的收敛性分析 固定面板的平面尺寸是1 2 3 m 5 6 m ，因此模型尺寸的影响主要是地基深度和其平 面扩大尺寸。有限元分析结果见表2 2 ，其中，o 。表示面板板底最大拉应力。 表2 2 地基深度和扩大地基尺寸的收敛性分析 地基深度( m ) 555678 扩大尺寸( m ) 0121l1 o 。( m p a ) 0 8 8 6 2 lo 8 9 3 3 70 8 9 9 1 5 0 8 9 5 9 2 o 8 9 6 1 70 8 9 7 5 3 从表中可见，当地基深度达到5 m 时，深度增加对面层底部的最大拉应力基本上无 影响，而地基平面尺寸的扩大与否对应力还是稍微有些影响，但不大。因此有限元模型 中地基深度取5 m ，平面扩大尺寸为1 m 。 2 模型单元划分的收敛性分析 有限元模型的网格密度对计算精度的影响很大，所以要确定合适的单元划分密度。 三维有限元模型的单元划分主要包括平面网格和竖向网格密度两部分。单元密度表示为 a b c 的形式，其中a b 表示平面网格划分密度，而c 表示板竖向网格密度。有限元 分析结果见表2 3 ，其中，u 。表示钢筋混凝土面板的竖向位移，o 。表示面板板底最大拉 应力，o 。表示钢筋的轴向最大拉应力。 1 0 陡室大学坝j ，学位* 文 表2 3 钢筋混凝土面层不同阿格划分对结构的影响 从表中可以看出当单元平面网格划分远近处都采用o1 m ，计算结果趋于收敛。而采 用00 5 m ，虽然结果更趋于精确，但是由于模型较大，效果并不明显，所以从划分单元 的方便性考虑，单元划分平面网格密度采用0l m x o1 m ol m 的方式。 表2 4 主要材料矩 结构组台厚度( m )弹性模量( m p a ) 泊松比 水泥混凝土面层 沥青混凝十功能层 贫捏凝土基层 水泥稳定砂砾底基层 o3 0 天然级配砂砾垫层 03 0 土基 水泥稳定砂砾、天然级 地基 取当最值3 0 0 03 0 配砂砾及土基视为基础 钢筋 03 0 有限元模型参数选取如下：钢筋混凝土板的平面尺寸为1 23 m x 5 6 m ，面板厚度为 3 0 c m ，沥青混凝土功能层平面尺寸与钢筋混凝土面板尺寸相同，基层平面尺寸上有0 5 m 的加宽，厚度为2 0 c m ：土基平面尺寸上加宽1 m ，深度为5 m ，具体模型参数耿值如表 24 所示。分别采用8 节点s o l i d 6 5 单元、l l n k 8 单元和s o l l d 4 5 单元，对称模型取二分 之一，有限元模型如图22 所示，钢筋布置如图23 所示。 图22 单轴荷载作用下的有限元模型( 半对称结构) 第= 章层钢筋诧凝土路面荷裁成力h 析 图23 双层钢筋阿布置示意图 223 临界荷位确定 选择钢筋混凝土面层的临界荷位，取决于最大主应力a 咖。，在板内能够产生最大 主应力。啪。的荷位即为临界荷位。现将不同板长下两种荷位作用时，各产生的最大主 应力仉。汇总如下( 见表25 ) 。 表2 5 最大主庄力吼j 亡总裹 荷载位置 板长l ( m ) 板纵边中部板中位置 o 8 7 7 6 0 08 8 6 5 2 o8 9 9 7 2 0 9 0 7 0 5 09 0 08 5 08 0 07 5 07 0 06 5 o6 0 05 ； o5 0 64 5 579 1 l 1 31 51 71 92 l 板长l ( m ) 圈2 4 临并荷位最大主应力变化圈 由图2 4 结果可见，考虑不同板长的情况下，荷载作用在纵向边缘中部时产生的主 l=一lu o 长安大学硕士学位论文 应力o 。m 舣最大，故可取临界荷位为纵向边缘中部进行计算。 2 3 参数影响规律分析 影响双层钢筋混凝土路面荷载应力的主要因素有：混凝土面层的平面尺寸、厚度、 混凝土的模量、沥青混凝土功能层的模量、贫混凝土基层的模量、土基模量、配筋率和 钢筋位置等。 1 板宽 为了研究板宽对应力的影响，分别取面板的宽度为3 5 m 、4 o m 、5 o m 、5 6 m 、6 5 m 进行计算。计算中，荷载作用在纵向边缘中部，h c = 3 0 c m ，p = 0 5 7 ，纵向钢筋横向布 置间距为3 0 0 m m ，故每层钢筋用量为1 9 由1 8 ，其他参数同前。计算结果表明，随着板宽 的增大面板底部最大拉应力逐渐增大，钢筋应力也随之增大( 见表2 6 和图2 5 、图2 6 ) 。 表2 6 板内最大应力 板宽( m ) u c ( m m )吼( m p a )o s ( m p a ) 7 50 1 1 8 01 1 8 11 0 0 7 6 5o 1 0 3 71 0 3 7 8 8 5 5 50 0 8 9 30 8 9 3 47 6 2 5 00 0 7 5 00 8 0 1 86 8 9 4 oo 0 6 0 6o 6 0 6 25 1 7 图2 5 板底拉应力随板宽的变化图2 6 钢筋拉应力随板宽的变化 2 板长l 的影响 分析所用的基本模型为：面层厚度为3 0 c m ，基层厚度为2 0 c m ，面层模量为3 0 0 0 0 m p a ，基层模量为2 0 0 0 0 m p a ，地基模量为3 0 0 m p a 。面板宽度保持5 6 m ，固定板的纵 向配筋率，改变面板长度。不同面板长度的变化对应力的影响见图2 7 和图2 8 。 第二章双层钢筋混凝土路面荷载应力分析 - 一 ， f 1 一 声 l o m 时，纵向钢筋设置位置不变时，板内应力变化趋势变缓。 从上述分析可见，板长l 为1 2 1 8 m 时，无论钢筋设置位置如何，板内应力变化 趋势相同。结合图2 1 3 和图2 1 4 ，可以得出在尽量满足保护层厚度的前提下，增加两 层钢筋网间距会显著减小板内应力。考虑到双层钢筋混凝土路面上保护层厚度不小于 5 0 n u n ，当板厚为3 0 c m ，钢筋布置在板厚1 3 和1 6 之间对称位置是产生荷载应力最小 的位置，设计合理。 2 4 层间结合方式对荷载应力的影响分析 钢筋混凝土路面板应力分析时主要考虑两种极端情况：分离式和结合式。而已有的 试验研究表明钢筋混凝土板与贫混凝土基层之间存在较大的摩擦。有学者对贫混凝土基 层钢筋混凝土路面结构的层间结合问题，结合试验路进行了分析，发现不同的界面处治 方法，会造成路面应力的明显差异，但一般都处于半结合状态。因此，有必要对层间作 用进一步的分析，探讨具体的界面处治方法将使钢筋混凝土板与贫混凝土基层处于哪种 结合状态，便于对其进行相应的力学计算。摩擦系数的取值比较困难，普通混凝土路面 设计时，面层在基层界面滑动的摩擦系数通常采用f = 1 5 2 【6 j ，且沿用己久，而实际试 验很少。本文中，接触分析参数的选取参考张红波等人通过室内直剪试验得出的不同界 面处治方法下对应的结构参数值，用层间综合摩擦系数厶表示。 大型通用有限元软件a n s y s 具有强大的接触分析能力，提供了多种类型的接触单 元来解决各种不同类型的接触问题。a n s y s 提供了刚体一柔体之间的面一面的接触算 法，刚性面被当作目标面，分别用t a r g e l 6 9 和t a r g e l 7 0 来模拟2 d 和3 d 的目标面， 柔性体的表面被当作接触面，可以用c o n t a j 7 1 ，c o m a l 7 2 ，c o i n a l 7 3 ，c o n t 2 l 1 7 4 来模拟。 一个目标单元和一个接触单元构成一个接触对。本文采用a n s y s 对钢筋混凝土板与贫 混凝土基层之间的层间作用问题进行模拟分析。考虑层间作用的荷载应力有限元分析模 型与前面标准轴载下荷载应力的有限元模型基本相同。 2 4 1 层问结合方式对荷载应力影响的理论分析 钢筋混凝土板与贫混凝土基层层间作用分别考虑三种情况，即分离式、结合式和输 入不同层间综合摩擦系数厶的接触模型。在计算结果中，取四个弯沉点，分别是距离弯 1 9 第二章双层钢筋混凝土路面荷载应力分析 沉盆中心o ( d o ) 、o 3 0 m ( d 1 ) 、o 6 0 m ( d 2 ) 、o 9 0 m ( d 3 ) 。为了有效评价弯沉计算结 果，引入一个评价参数弯沉盆形状系数p ，该系数能够反映弯沉盆的平缓程度。形 状系数d 的计算公式( 式2 1 ) 为： 口：兰也 ( 2 1 ) 。 w d 2 式中w 代表相应点处的弯沉值，单位为i i u i l 。形状系数p 的大小说明了层间结合状 态。形状系数p 越大，弯沉盆的形状越陡，层间作用越弱；而形状系数p 越小，弯沉盆 越平缓，层间作用越明显，即钢筋泥混凝土板与贫混凝土基层之间结合得越紧密，整体 作用越强。有限元计算结果如表2 1 0 。 表2 1 0 接触分析计算表 弯沉w ( m m )最大拉应力 类型 形状系数p 结合系数k d o d l d 2d 3 o 。( m p a ) 分离式 o 2 6 70 2 5 70 2 4 l0 2 2 30 8 9 3 40 1 4 0 8 o 0 0 0 0 结合式0 2 1 30 2 1 00 2 0 80 2 0 l0 3 3 3 40 0 4 2 61 0 0 0 0 矗= 0 5 0 2 6 10 2 5 00 2 3 6o 2 2 0o 8 1 3 5o 1 2 6 50 1 4 5 6 f ：l = 1 5 0 2 4 50 2 3 7o 2 3 2o 2 1 3o 6 7 3 50 1 0 2 70 3 8 8 0 = 3 5 0 2 3 7