连续配筋水泥混凝土路面开裂过程及影响因素分析.pdf

2 0 1 6年0 1 月第 0 1期 城 市道桥 与防洪 道路交通1 5 D O I ： 1 0 1 6 7 9 9 e n k i e s d q y fl a 2 0 1 6 O 1 0 0 5 连续配筋水泥混凝土路 面开裂过程及影响因素分析 屠 建 波 ， 王诚 ( 1 浙江 省交 通规 划设 计研 究 院 ， 浙 江 杭 州 3 1 0 0 0 6； 2 后 勤工程 学 院军事 土木 工程 系 ， 重庆 市 4 0 1 3 1 1 ) 摘要 ： 为 了解 C R C P路面 的开裂 过程 及影 响因素 ， 借 助有 限元软 件 A NS Y S ， 对 C R C P路面早 期及 后期 的开裂过 程进行 了分 析 ， 并讨论 了地基 阻力 、 筋 材模量 、 温差 及黏结 刚度对 C RC P路 面开裂行 为 的影 响 。 结 果表 明 ： 在水 泥混凝 土面层铺设 初期 ， 裂 缝大 约在其 间距 为 4 0 m时稳定 ；当水 泥混凝 土板长小 于 1 5 m 时 ，地基摩 阻力对 板 中混凝 土 的应 力影 响很 小 ；筋 材模量越 大， 筋材约束混凝土变形的能力就越强， 最终水泥混凝土的开裂间距越小； 温差越大， 水泥混凝土路面的开裂速度也越快， 但 最终 水泥混 凝土 的裂缝 间距 是趋 于一致 的 ； 筋材与 混凝 土间 的黏结 刚度 越大 ， 水泥 混凝土 路面 的开裂速 度越快 ， 最 终的裂 缝 间距 也越小 。 关 键词 ： 连续配 筋水泥混 凝土路 面 ； 有 限元分 析 ； 开 裂过程 ； 影响 因素 中图分类 号 ： U 4 1 6 2 1 6 文献标 志码 ： ： B 文章编 号 ： 1 o 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 6) O 1 0 0 1 5 0 3 O 引言 连续配筋水泥混凝土路 面( C RC P ) 是指在水 泥 混凝土面层配置一定数量的纵向连续钢筋和横向 钢筋 ， 横 向不设接缝 的路面。 C RC P路面I 1 1是道路工 程师 为了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 的一种路面结 构形式 ，具有 完整而平坦的行车表面 ，增强了路面板的整体刚 度 ， 改善了汽车行驶 的舒适性 。 由于钢筋混凝土本身的特性， C R C P路面不可 避免地会 因湿气变化 、 温度变化 、 地基摩 阻力及筋 材约束等因素作用而产生收缩裂缝。裂缝会影响 路面的整体性 ，是 C R C P路面设计的重要控制指 标 。因此 ， 本 文综合连续配筋水泥混凝土路面在施 工 和使用过程 中的实 际情况 ，在 不考虑荷 载作 用 的前 提下 ，对水泥混凝 土强度形 成期 间和强度形 成后 的 C R C P路面进行分析 ， 了解 了干缩 、 温缩 、 筋 材约束及地基约束作用过程及效果 ， 从而对 C R C P 的开裂过程进行探讨 ， 为优化 C R C P路面设计方案 提供理论依据。 1 C R C P开裂过程及计算模型建立 1 1 开裂过程 C R C P路 面 2 出现裂缝通常是 由干缩 、 温缩 、 地 基 约束力 及钢筋约束力共 同作用 引起 的。由于在 水泥混凝 土强度形成期 间 ，钢筋 对混凝土 的约束 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 8 1 8 作者简介 ： 屠 建波 ( 1 9 7 5 一 ) ， 男 ， 浙江余 姚人 ， 工程硕 士 ， 高级工 程师 ， 主要从 事城市 道路 及路 面结构研究 。 力很小 ， 因此 ， 本文把水泥混凝土强度形成期间的 路 面开裂称 为早期 开裂 ，强度形 成后 的路面开裂 称为后期开裂 。 路 面的早 期裂缝 主要是 由干缩 、温缩 以及地 基约束力引起 。面层刚铺筑完成时 ， 是没有裂缝 的 板体 ， 失水 、 降温使面层板体 向中轴收缩 。由于地 基 阻力 的作用 ， 板体收缩受 到约束 ， 板体产生收缩 应力。当收缩应力大于材料的抗拉强度时， 在最大 应力处或基层薄弱处产生收缩裂缝 。 路面的后期裂缝主要 由温缩、地基约束力及 钢筋约束力引起 。随着时间的推移 ， 路面干缩失水 基本完成 ， 此时路面的收缩主要为温缩 ， 温缩受到 地基 阻力和钢筋约束 力的作用 ， 导致 裂缝 的产生 。 特别是经过一个冬天的降温影响，路面内部收缩 裂缝进一步发展 ， 最终形成稳定 的规则裂缝 。 1 2 计算模型 对于温度均匀下降的 C RC P板 ， 计算模型选取 的是带单根纵向钢筋的板条作为研究对象 ， 如图 1 所示 。 图 1有 限元计算 模型 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 道路交通 城 市道桥 与防洪 2 0 1 6 年 0 1 月第 0 1 期 2 CR CP早期 开裂分 析 由于在水泥混凝土强度形成期 间 ，筋 材对 混 凝土的约束力很小 ， 因此不考虑筋材约束 。对板长 为 1 0 0 m 的连续配筋路面进行有 限元分 析 ，以期 得到路 面建成初期在 干缩应力与地基 阻力 作用下 裂缝发展 的规律 以及稳定 以后的裂缝 间距 。 由于路 面建成初期 ， 温差变 化不 大 ， 因此 ， 为 方便计算，在混凝土强度形成之前仅考虑干缩应 力和地基 阻力 。计算模 型中面板厚度为 2 6 c m， 地 基摩擦系数取 1 5 ，水泥单位重 y = 2 4 0 0 0 N m ， 混凝土初期抗拉 强度 取 2 5 MP a ， 干缩应变 s 取 0 0 0 0 2 。 为了方便计算， 干缩应变的产生通过降低 温度来模拟 ， 见下式 ： 0 s h T AT 式 中： 8 为干缩应变 ； 为温缩 系数 ， 1 0 6 C； T 为降温 幅度 ， 。 通 过 计 算 得 到 0 0 0 0 2的干 缩 应 变 折 合 成 2 O c I = 的温差 。试验结果如表 1 和 图 2所示 。 表 1 不 同混凝土板长 的板 中应 力 板 长 ， m 混凝土板 中应力 MP a 混 凝土初期抗 拉强度 MP a 备注 7 0 9O 1 1 0 板长 m 图 2 不 同板长 时混凝土板 中应力 由表 1知 ， 在水泥 混凝 土面层铺设初期 ， 由于 混凝土的干缩作用及地 基阻力的作用 ，面层产 生 裂缝 ， 大约在裂缝间距为 4 0 m时稳定。因此 ， 在后 面的分析中， 以 4 0 m作为起始路面长度。 3 CR CP后期 开裂分析 在对连续 配筋混凝 土路面 的后期开裂进 行分 析 时 ， 本文通过有 限元对地基 阻力 、 筋材模量 、 温 差及黏结刚度对开裂行为 的影响进行分析。分析一 种因素的影响时， 其他 因素保持不变。 计算模型中板 长为 4 0 m， 面板厚度为 2 6 c m， 筋材直径 为 1 6 m m， 纵筋间距为 1 1 c m。 3 1 地基阻力影响 为 了研究 地 基摩 阻力 对路 面 后 期 开裂 的影 响 ， 在其他条件相 同的情况下 ， 对仅 考虑筋材约束 和同时考虑地基 阻力及筋材约束两种情 况下的板 中应力进行 比较 。计算模型中筋材为 5 0 G P a的玄 武岩纤维筋 ， 摩擦 系数取 1 5 ， 温差取 3 5 ， 黏结强 度取 3 4 M P a mm， 结果如图 3所示 。 +筋材约束 +筋材+ 地基 约束 U l U ZU U 4 0 b U 板长 m 图 3 地基 阻力对板 中应力 的影 响 由图 3可知 ，当水 泥 混凝 土板 长 小 于 1 5 m 后 ， 地基摩阻力对板 中混凝土 的应力影响很小 ， 混 凝土开裂 主要受筋材 的约束 ， 筋材约束越强 ， 板体 断裂越快。对于连续配筋水泥混凝土路面 ， 裂缝间 距指标为 1 2 5 m， 因此在后 面的开裂影 响因素分 析 时 ， 忽略地基摩阻力 的影响。 3 2 筋材模量影响 为了研究混凝土强度形 成后筋材模量对混凝 土开裂 的影 响 ， 筋材模量分别 取 2 1 0 G P a ( 钢筋 ) 、 1 5 0 G P a 、 1 0 0 G P a 、 5 0 G P a ( 玄武 岩纤 维筋 ) ， 温 差 取 3 5 ，黏结强度取 3 4 MP mm，结果 如图 4所 示 O l0 2 O 3 0 40 5O 板长 m 图 4 筋材模 量的影 响 21 0G Pa l 5 0G Pa 1 00 GP a 5 0G Pa 由图 4看 出， 在不计地基 阻力影 响下 ， 当温差 和黏结 刚度相 同时 ， 筋 材 的模 量对混凝 土开裂 问 6 5 4 3 2 l 0 垒 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 6 年 O 1 月第 0 1期 城 市道桥 与 防洪 道路交通1 7 距有较大影响 ； 筋材模量越大 ， 筋材约束混凝土变 形 的能力就越强 ， 开裂速度越 快 ， 表 现为最终水泥 混凝土 的开裂 间距越 小 ；并 且连续配筋路 面板 中 应力 随着板长减小 而减小 ， 板 长大于 2 0 m时应力 变化较为缓慢 ， 板长小于 2 0 m 时 ， 应力急剧减小 。 通 过 长 期 观测 玄 武 岩 筋 C R C P路 面 和 钢 筋 C RC P路 面的开裂速度 ， 发 现玄武岩筋 C RC P路面 开裂较慢 ， 与前 面有 限元分 析的结 论一致 ， 即路面 开裂速度 随筋材模 量 的增大而增大 。为了保证行 车舒适性 ， C R C P路 面的裂缝 宽度要很小 ，而裂缝 宽度与裂缝间距正相关 ， 路面要求较快完成开裂 ， 因此有必要提高玄武岩纤维筋的模量 。 3 3 温差影响 为了研究混凝土强度形成后温差对混凝土开裂 的影响， 温差分别取 3 0 、 3 5 C、 4 0 、 4 5 C， 筋材模量 取 5 0 G P a ( 玄武岩纤维筋) ， 黏结强度取 3 4 M P m m， 结果如 图 5所示 。 1 5 1 3 1 1 。 5 3 1 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 板长 m 图 5 温差的影 响 由图 5可知 ， 当筋材模量 和黏结刚度相 同时 ， 温差 越大 ， 水泥混 凝土路面 的开裂速度也越快 ， 但 最终水泥混凝土的裂缝 间距是趋于一致 的。 3 4 黏结刚度影响 为 了研 究 混凝 土 强 度形 成 后 黏 结 刚度 对 混 凝 土开 裂 的 影 响 ， 黏结 刚度 系 数取 3 4 MP m m、 4 0 MP mm、 5 0 MP m m、 6 0 MP mm，筋材模量取 5 0 G P a ( 玄武岩纤维筋 ) ， 温差取 3 5 ， 结果 如图 6 所 示 。 从 图 6看 出 ， 当筋材模量和温 差相 同时 ， 筋材 与混凝土 间的黏结刚度越大 ，水泥混凝 土路面 的 开裂速度越快 ， 最终 的裂缝间距也越小 ， 说明两者 问的黏结 刚度对配筋设计有 较大的影响。 4 结论 ( 1 ) 在水泥混 凝土面层铺设初期 ， 裂缝大约在 0 1 0 2 0 3 O 4 0 5 0 板长 册 图 6 不 同粘 结刚度 的影响 其问距为 4 0 m时稳定。 ( 2 ) 当水 泥混凝 土板长 小 于 1 5 m 时 ， 地基摩 阻力对板 中混凝土 的应力影 响很小 ，在进行配 筋 理论分 析时 ， 可忽 略地基摩阻力 的影响。 ( 3 ) 筋材模量越大 ， 筋材约束混凝 土变形 的能 力就越强 ， 最终水泥混凝土的开裂间距越小 ； 温差 越大 ， 水泥混凝土路面的开裂速度也越快 ， 但最终 水泥混凝土 的裂缝 间距是趋于一致 的 ；筋材 与混 凝土间 的黏结刚度越大 ，水泥混凝土路 面的开裂 速度越快 ， 最终 的裂缝问距也越小 。 ( 4 ) 连 续配筋 路面板 中应 力 随着 板长减 小而 减小 ， 板 长大于 2 0 m时应力 变化较 为缓慢 ， 板 长 小于 2 0 m时 ， 应力急剧减小 。 ( 5 ) 增加筋材模量和增大筋材与混凝土问的 黏结刚度总的来说对实现连续配筋路面的设计指 标是有利 的。在不考虑筋材应力 的情况下 ， 温差大 小主要影响开裂速度 ，对最终 的开裂 间距影 响较 小 参考 文献 ： 1 顾兴宇 ， 董侨， 倪富健 连续配筋水泥混凝土路面裂缝发展规律 研 究f J 公 路交通科 技 ， 2 0 0 7， 2 4 ( 6 ) ： 3 7 4 0 ， 4 5 2 王小 林 连续 配筋 混凝 土路 面基本 理论 、 试 验和 设计 方 法研究 D 】 南京 ： 东南大学， 1 9 9 0 3 曹东伟 连续配筋混凝土路面结构研究 D 】 西安 ： 长安大学 ， 2 0 01 4 】 曹东伟 ， 王秉纲 ， 刘伟 连续配筋混凝 土路面的配筋设计方法 J 1 公路， 2 0 0 1 ( 1 2 ) ： 1 2 1 5 5 董侨 沥青混凝土 +连续配筋混凝土复合式路面结构与材料 研 究【 D 南 京： 东 南大学 ， 2 0 0 6 6 唐益 民 连续 配筋 水泥 混凝 土路 面 荷载 应力 分析 D 南京 ： 东 南 大学 ， 1 9 9 5 【 7 】陈 云鹤 连续 配 进混 凝土 路 面荷 载应 力温 度应 力 的计算 理论 与方法 D 南京 ： 东南大学 ， 1 9 9 9 8 】徐一 岗， 顾 兴宇 连续配筋 混凝土路 面 的有 限元模型讨 论 J 1 交 通 标准化 ， 2 0 0 6 ( 1 1 ) ： 1 3 1 - 1 3 4 懈 M 8 6 4 2 0 日 莹 导 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m