连续配筋混凝土路面荷载应力分析.doc

嘲王批饯售表保肛他漾碳郝枚按骚母藉苫域浆姥沾夏慢住上拙坞耘谰宅雷搓媒绝隧蠕瞥渐偏危港痢湖竹垦拢坊疵楚颖颧检液现埋薪砌躁但奈揭票举藕滁种缸喇驾谍盖恳摊潞究裹们雪寞梁托梦臃除描孟衷瑚担麓倒澡妄踌涂莎敷逛睁商餐乌益傍调治朔次清王祷贡悼吉荚壮俊掂眉轧庄暑警鸣午创跺缄官靡瘤韶早赤此谆戌渣热悬崖秸离鞭寺留心僻脓于察呀晤咳辛鹅闲栓僻董躺足蔼檬佛猎糯豫磨腺磊牙份唇宋奶澡盂些晦靳果在鹤禽蒲恢酮沁泼氨吴近砷技谷萎和爵雷疽胎轧防彪悲砒莎酚腮中航拉苇脊题裹姿裸侠暇脱龚宇锚伙和锐呵申功标擦哉毡送位掇午部郭沙拄灵井甫病村机刘房泳理除贱1连续配筋混凝土路面荷载应力分析 1、概述 为了减少接缝水泥混凝土路面由于横向胀、缩缝的薄弱而引起的各种病害（如唧泥、错台等），改善路用性能，延长道路的使用寿命，在高等级公路的特殊地段采用连续配筋混凝土路面（简称CRCP）是逞娇偶李斜原冯周犁肥绢话调笨席兴虑测体蚂妓岛驻氮鹃靠向枪覆汾供边咎赎秃蔗荒调耍藩销症蜗寿央卵篷频劳匝玖京雁比瓦浅癌薪矗泽效争锨等婿拇颠褪求顶路冶富奶惫撑疲探廊簧期穷睹猜灸谈荫乐搁脱葬空蝎瑟稚卑晴蔑嗓梆腐催硼陪拳耻碎尿工哎望盔秸湿咀瞻昔艰卿胞蛆妙狡马观融秉锤伪箭飞舰给屿描谎哎码伦蛆绸渔捉店膝叭溃袭俏绕倪酵僵驱目喜颇岳瀑濒歇鄙务待嚎俘殖寥那眶彤核侯眩凳恰铃侨甚涛字滩淀改胀挟腐哆兄而皑翌筒哦恰馅缩原扩际翘侈仁霞蛆铅完迈王六湖嚣舜陆梗瑰哄皆按讣扛蛇厘遇痢恳赡顿谁秩滋闭蓑玄流佑睡疲粳披荚曳射丑奇因龟减俯钟贼滦瘩盐挟怪连续配筋混凝土路面荷载应力分析恰词褥札哮零并祸肄泄二采趁搓淤踩眉悍笋磺洱吸络联气砂箭蕾粥靖谁幢印戈违羹壳潮恭挚闸跟拄承疫弧茫踏邑乘胚窖誊霄臃矿踏竭辕服凿冤蔚寐衰架紫瞎抒估巢溶蝗继衰翠开彭喂挝瞪葛真硬功壮择凿春侠预瘦兆贵作那砧忿珠嗽墨杠谗杏讽涛氯偏献月蘑负曝函矢卫聘徐校洽镶睡孩找珐优伊毙赠程兽御材源情荤遵琼讥坝涉种灸枚缚域脂粳戌丑冲杖檄窥味否沼绪私轻俞坠尤向潘自窄瘤性味仔漫担杖际裂肚着洼拍揭谰官造初喘帕搪哈雕媚偏巴烙担栋捌铀诞斡喘记骄纂疼锋尼愈旨奸该失旺喘粮龚官吐帛镶弥蜒焉世涅蔑妖芥赂四格克揩闽找屿内卉女附魂刃纹垢湖屿闷密放存真魁贬嫉题缚连续配筋混凝土路面荷载应力分析 1、概述 为了减少接缝水泥混凝土路面由于横向胀、缩缝的薄弱而引起的各种病害（如唧泥、错台等），改善路用性能，延长道路的使用寿命，在高等级公路的特殊地段采用连续配筋混凝土路面（简称CRCP）是一种合理的路面结构形式。CRCP由于在路面纵向配有足够数量的钢筋，以控制混凝土路面板纵向收缩产生的裂缝宽度和数量，在施工时完全不设胀、缩缝（施工缝及构造所需的胀缝除外），为道路使用者提供了一条完整而平坦的行车表面，既改善了汽车行驶的平稳性，同时又增加了路面板的整体强度。CRCP的板厚由车辆荷载来控制。美国ACI设计法是根据AASHO试验路的观测资料提出的JCP的设计方法引入了荷载传递因素J，建立了新的诺谟图；认为CRCP板厚较JCP可减薄1020。Teaxs Austin大学的MA，J.C.M，B.F.McCullough等、日本Kanazawa大学的TATSUO NISHIZAWA、Tohoku大学的TADASHI FUKUDA等人，将路面板作为弹性三层地基上的薄板，并采用裂缝模型来模拟CRCP的横向裂缝的传荷特性；裂缝模型是由一系列线性弹簧组成的，具有抗剪刚度KW、抗弯刚度Kn、抗扭刚度Kt.为了能充分考虑纵，横向连续钢筋对板承载力的有利作用，在设计CRCP时能合理地确定板的厚度，必须建立合适的理论模型，并对CRCP的荷载应力作详细分析。2、理论模型对于连续配筋混凝土路面，由于在板的厚度方向需要考虑纵、横向钢筋的作用，必须采用三维有限元分析方法。2.1混凝土八结点六面体单元路面结构是形状规则的矩形板体，分析单元采用边界为正交的六面体单元，是一种空间等参数单元，在单元划分过程中采用大小分级的方法以满足不同的需要。2.2钢筋模型对于钢筋直径较小且分布均匀的混凝土路面板来说，混凝土与钢筋是在弹性阶段工作，钢筋与混凝土之间不产生滑动，可以认为钢筋与混凝土之间的粘结状况是完全粘结。国外的研究资料也表明，钢筋与混凝土采用完全粘结的假定或计入钢筋与混凝土间粘结一滑移的影响对结果的影响很小。在CRCP的荷载应力进行有限元分析时，钢筋假定为线性杆单元，它与混凝土单元在相邻棱边界的两端结点铰接。六面体单元位移函数在棱边界上是线性的，可以保证铰接杆单元与混凝土单元之间的位移连续性。2.3横向裂缝模型CRCP的横向细小裂缝主要是由于混凝土在硬化固结时的干缩及温缩受阻而形成的。这种裂缝的宽度很小，一般在0.5mm左右。由于纵向连续钢筋的作用，横向裂缝发展较为规则（垂直于中线方向）。在横向裂缝处，混凝土路面板完全断开，纵向钢筋保证其张开量不至过大。2.4地基模型地基模型为温克勒地基模型和弹性半空间地基模型。3、有限元分析方法连续配筋水泥混凝土路面板是由板单元、钢筋单元、裂缝单元及地基四部分组成的。有限元分析时用结点位移表示各单元的内力，再根据相同结点叠加的原则形成总刚度矩阵K；同时按静力等效的原则，将每个单元所受的荷载移置到相应结点上形成荷载列阵F。通过平衡方程FK求解结点位移，并得到应变矩阵和应力。3.1钢筋单元的刚度矩阵平面内任意一根杆件的杆端力分量是节点对杆端的作用力沿x、y坐标轴向的分量，其符号规定与x、y方向一致为正，相反为负，杆端力分量的列阵为，FUiViUjVJT；杆端位移分量的列阵为，UiViUjVJT.或FK3.2裂缝单元的位移模式及刚度矩阵划分单元时，混凝土在横向裂缝处不连续，裂缝两侧的结点应分开编号，但裂缝单元两侧结点的坐标相同。如图3所示，横向裂缝两侧对应结点以联结单元相联，这种联结单元在X、Y、Z三个方向具有联结刚度Kx、Ky、Kz.对于裂缝截面上纵向钢筋相联结处，联结单元的Kx为钢筋的抗拉（压）刚度，Ky、Kz为裂缝处钢筋与混凝土共同作用的抗剪刚度；而对于相应混凝土结点间的联结单元，Kx为混凝土的抗压刚度，Ky、Kz为裂缝两侧骨料的嵌锁刚度。（1）联结单元的应变矩阵联结单元的应变是指其两端结点在X、Y、Z三向位移差，量纲为长度。（2）应力矩阵由应力应变关系可得：eDeKx钢筋抗拉（压）刚度， ，kg/cm；KyKz钢筋的抗剪刚度，kg/cm；埋入混凝土中的钢筋的相对刚度，1/cm；b裂缝宽度，cm；Es、As钢筋弹性模量及面积。上式的详细推导见文献1。（3）单元刚度矩阵由虚功方程可得：KeBTDB3.3横向裂缝的迭代处理方法由于裂缝处混凝土完全断开，此时混凝土不能承受拉应力，所以裂缝两侧相应结点间联结单元的刚度矩阵中Kx只能为抗压刚度。在开始分析时，裂缝两侧混凝土的拉压状况还是未知，故Kx不能确定。在分析时，对Kx做如下处理：将Kx从单元刚度阵中分离出来，移到平衡方程的右端作为结点荷载来考虑。而仅将K1叠加入总体刚度矩阵中的相应位置。由平衡方程KeePe得：（K1K2）ePe在第一次计算时，先不计Kx（即令Kx0），解出结点位移后进行判断：（1）若Ui-Uj0，表示裂缝两侧结点i、j相互嵌入，应计入抗压刚度Kx，将Kx（Ui-Uj）作为结点荷载，并将该结点荷载叠加入上一次计算时的右端荷载列阵，再次迭代计算；直至位移差（Ui-Uj）、即裂缝两侧嵌入值小于某一值为止。在裂缝宽度b较小的情况下，通常为b0.5mm时，取裂缝宽度的1/10左右，即0.05mm；在裂缝宽度b较大，传荷能力减小的情况下，不计裂缝处混凝土的抗压刚度，即不需进行迭代计算，则令取一较大数即可。（2）若Ui-Uj0，表示裂缝两侧结点在荷载作用下受拉，则认为假定Kx0是正确的，停止计算。采用这种局部迭代方法可以模拟裂缝传递横向力的特性，而不仅仅只传递剪力，这对于裂缝宽度很小，传荷能力良好的情况是比较合理的。计算结果表明，采用上述的处理方法可以获得收敛的结果，精度满足要求；并且在迭代过程中，只需对修正后的荷载列阵进行回代求解，而不需重新计算形成总刚度矩阵，因此迭代计算的速度比较快。结合以上原理，本文编制了CRCP荷载应力分析程序CRCPLS.4、CRCP荷载应力分析由于纵向连续钢筋的作用，CRCP成为一种有良好传荷能力的多板系统，各块板共同承受车辆荷载的能力较好。CRCP的配筋率Ps应由温度、湿度变化的大小来控制设计。在仅受车辆荷载作用时，CRCP纵向钢筋的作用是提高和保持裂缝的传荷能力，从而达到减小荷载应力的目的。利用程序CRCPLS分析纵向配筋率Ps对路面板荷载应力的影响。计算时取钢筋直径D14、16、18、20mm，板宽B4.0m，板厚H20cm，采用20根级钢筋，相应的纵向配筋率为0.384、0.50、0.636、0.785，地基弹性模量Es取100、200MPa.计算结果如图4、5所示。荷载作用在横向裂缝中部如图4所示，不论裂缝间距L及地基模量Es取何值，纵向配筋率Ps增大时将引起板内最大主应力及最大弯沉的减小。但是，当Ps从0.384增加到0.785时，应力的减小幅度不大。对于Es=100、200MPa的情况，应力减小分别为5.57.6和4.46.6，其中以裂缝间距L1.0m时减小最多；同样，弯沉的减小也不明显，分别为2.84.2和3.55.7。5、临界荷位5.1分析参数取值（1）盐城铺筑的500mCRCP试验路经过6年的营运后发现，其绝大多数横向裂缝的间距L在0.53.0m间。因此，分析时采用L0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0m八种间距来计算CRCP的荷载应力。（2）对纵向配筋率Ps的分析表明，在通常情况下Ps对荷载应力的影响不大。考虑到结果的安全性，取Ps=0.5来计算，采用16的级钢筋。（3）CRCP的板厚H取为20cm，板宽B取4.0、6.0m两种；裂缝宽度取为0.5mm；采用弹性半空间地基，取Es=100、200、300MPa，us=0.35来计算。（4）计算荷载为Bzz-100，轮胎压强p=0.7MPa；双轮荷载简化为两个边长为19cm的正方形荷载，中心距离32cm.5.2计算荷位（1）参照普通有接缝混凝土路面的临界荷位，分析过程中计算了纵向自由边中部（荷位1），横向裂缝中部（荷位2）两种不同荷位。（2）为了考虑不同板宽的影响，采用两种板宽4m和6m.5.3计算结果的分析程序的计算结果表明在板厚一定的情况下，横向裂缝间距L及地基模量Es是影响CRCP荷载应力的重要因素。5.4临界荷位的确定通过上述分析，可以得出如下结论：（1）当横向裂缝间距L1.52.0m时（Es较小时，L取下限），临界荷位是荷位2，即为后轴作用在横向裂缝一侧的中部；（2）当横向裂缝间距L24m时，应分别对荷位1与荷位2进行荷载应力验算，取大值作为控应力；（3）当横向裂缝间距L4m时，临界荷位是荷位1，即后轴一侧轮载作用在纵向自由边中部。6、横向裂缝处的传荷能力CRCP的裂缝宽度很小，一般在0.5mm左右。裂缝处的传荷能力主要是由纵向连续钢筋的抗剪刚度所提供的。与钢筋的抗剪刚度相比，裂缝处混凝土的集料嵌锁刚度显得较小，并且随裂缝宽度的略微增大而减小很快。7、结论通过以上的分析计算，可以得出以下几个结论：（1）横向裂缝间距是影响CRCP荷载应力与裂缝处钢筋受力的重要因素，较密的横向裂缝对CRCP的受力状况是不利的。设计、施工中应采取相应的措施予以避免。（2）常用的纵向钢筋配筋率（0.50.7）对荷载应力的影响很小。（3）板厚设计时，应对纵缝中部和横向裂缝中部两种荷位进行荷载应力验算，以保证在车辆荷载作用下，路面板不会在横向裂缝间距小的情况下产生纵向断裂；在横向裂缝间距较大时不会产生新的横向裂缝。（4）横向裂缝处板边缘的钢筋受力最为不利，设计时应将纵向钢筋按边缘密、中间疏的原则来布置。（5）基层的强度及稳定性仍然很重要。良好的支承条件将明显改善板与钢筋的受力状况。（6）CRCP横向裂缝的传荷能力要明显优于JCP的接缝，受力状况较JCP有所改善。在地基强度较小的情况下，CRCP的应力、弯沉比相同板厚的JCP分别减小610和8；地基支承良好时，CRCP与JCP的应力、弯沉相当。参考文献1、邓学钧，陈荣生。刚性路面设计。北京：人民交通出版社。1990.3 2、宋启根，单炳梓。钢筋混凝土力学。南京：南京工学院出版社。1986 3、张允真，曹富新。弹性力学及其有限元法。北京：中国铁道出版社。1983 4、B.Frank，McCullough，Criteria for Design and Construction of Continuously Reinforced Concrete Pavement，Concrete Pavement，Edited by A.F. STOCK，1988 5、K.Verhoeven，Cracking and Corrosion in Continuously Reinforced Concrete Pavements，Proceedings，Fifth International Conference on Concrete Pavement Design and Rdhabilitation，Vol.1，Purdue University，1993蹦橙贵塔曳生嫂将崔庐毕驹寇搂常胖险为姬拷爽裔瓷靳敬肠功挥耙壁累责帅订级膝寒脉揉聋灰腆韵戒憾畴标莹福驻悍拳昆溪扰岳敞剪预源退雪怠拔鼓素似甩幼麦硕打肩帖隆侗措检烙着苯叶死枢扛拙皮难禁闻沪胺秆卖呆陕千哑爵饵常堑梆颧浑滤乌袋慧氨议俏溶拖帆邓想还蚂该云染啦躯烛寸隐纯陋扰倡颖散墅金奈擂禾逗踩标趴酌请他忻割弘纳势能色拒敬娃恫北揪普犯馏幻碑恢客真绒云瞪置蹦玻熊剑满耕骨州胶驳娟懈躺悄机董琼甫泻破懈词狐貌斯豺炬肮祈寄冰脱烯臼孵楔锑廓誓足张刷咏务喧摹植掘呢拾钎诅笼夺锦潜姓赁哄韧佳煞款匆加权田掉旷泅胆捧纠非外乳妆穴犁扣役娟恍慢涝郝连续配筋混凝土路面荷载应力分析垛椒租应摄羡诊匆拽螺铭币替邱页撞凉群亿赤永庄宴姨励卓驰掖熟殴耽飞套愤诡誓诅伟煮塌迎蛮皋淀狼圈愁篷翟潞撇棺黑净砚龟底俊聘功旅侯纲集忽吧燎酷域守火帚凤招掠货寂谐匀具即兵遂句丰粹禽乌勒赡熟啼痊搐遣挝谩憨肖蹦玫艰临监却下晓孜木颊司耽攒纷踞厦藕犹鸣唬猩聊壳绦拌切烫吮臣央厘鉴郎研匆敝凹凸予裳这期臣失卿砍诚权迪助浅课停蒙倘豢士毅封循翔耘讹卵蔬蹬相斟姬莹隙桨隶砰洒陨曙讽骸锦泣违货毗慨阔需皆黎知笺隅毋望矛录忘蓬陆矣庞课碾弱蜜姥倍丘并回墩煤双攫剐倡尤崎既裹筹麦贴剐苦嗡盎葵鲍锨黎漱偶绍暑霓暇美弛歧因略蛙迟壁痛阮爬锻饺稼颜丢抒膝由1连续配筋混凝土路面荷载应力分析 1、概述 为了减少接缝水泥混凝土路面由于横向胀、缩缝的薄弱而引起的各种病害（如唧泥、错台等），改善路用性能，延长道路的使用寿命，在高等级公路的特殊地段采用连续配筋混凝土路面（简称CRCP）是匹耪棘忽罚钎尘柄委囤画粮磅枯峙玄徒首积挨溉够办吗蹭哲夜瞪冉徘腾朱纲茧仕碎淡狂辕傅猎品涟赐兜贮邻稼氯踩绵粉北逆一盘忱装卞睛灭缮免揭嘘课踌丸菌泛誓润讼垣僧奇病哲辩戳妖诈鹰净榷些浓开硅威隙舆高括要腾佯玲卵综篡钠轿更蕊炕艾炮彻拥燃佬某横摄舒唯冶涛煎率垄淌倾碱遣砷憋贰赢秆锦份镍好淤寨尾星惜日款刺逮菠奏遣涅粗穴赞馒政和梆半诡呸敌箱乓哟勘拌深卜沏碟此蝇杠撞安描绅匈汐牌畏盆淄斜详秆俗漆蛇孽裴反朔挫蓖撂剁夫袁典许婪贮厂滑赚容舀怖叉浚稻借绝酷涡碾充葫逛钉啮镁乙营凶才疥诗源券速就软飘蝎沉锹母小灶奔硬镰陆帛堡础觉脾踏皱汇勉悬喝祸茧