层布式钢纤维混凝土复合路面设计研究.pdf

2 0 1 5年 第 8期 (总 第 3 1 0期 ) N u mb e r 8 i n 2 0 1 5( T o t a l No 3 1 0) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACTI CAL TE CHNoLOGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 5 0 8 0 3 9 层布式钢纤维混凝土复合路面设计研究 范小春， 余煜。 潘文杰。 汪俊彦 ( 武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘 要： 层布式钢纤维混凝土结构具有优良的抗弯拉性能 ， 可有效降低普通混凝土路面板板厚。 通过有限元软件 A N S Y S ， 构建 了层布式钢纤维混凝土路面( L S F R C P ， L a y e r e d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e P a v e m e n t ) 、 层布式混杂纤维混凝土路面( L H F R C P ， L a y e r e d H y b r i d F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e P a v e m e n t ) 和层布式钢纤维柔性混凝土路面( L S F F C P ， L a y e r e d S t e e l F i b e r F l e x i b l e C o n c r e t e P a v e me n t ) 的有限元计算的模型； 研究了路面板 的板长与板厚和基体混凝土弹性模量在行车荷载 、 温度作用下的变化规律 ： 荷载应力随板长的增加先降低后增加 ， 随板的厚度 的增加而降低 ； 荷载应力和温度应力随基体混凝土弹性模量的增加而增加； 温 度应力随着板长和板厚的增加先增加后降低。 给出了 L S F R C、 L H F R C和 L S F F C复合路面板设计的主要思路 ； 编制了不同路面板 长在不同交通等级下的最小板厚表。 关键词： L S F R C； L H F R C； L S F F C； 温度应力 ； 路面板 中图分类号： T U 5 2 8 5 7 2 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 8 0 1 4 6 0 7 R e s e a r c h o n c omp o s it e p a v e me n t d e s i g n o f l a y e r e d s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o nc r e t e F ANXi a o c h u n， Yu， P AN We n j i e，WANG J u n y a n ( S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e ， Wu h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 0， C h i n a ) Abs t re c t： La y e r e d s t e e l fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r uc t u r e c an e f f e c ti v e l y r e d u c e t h e s l a b thi c k n e s s o f o r d i n a r y c o n c r e te p a v e me n t i n t h e s a me c o n d i t i o n T h e mo d e l s o f L S F R CP， L HF RC P and LS F F C P a r e s e t u p b y the fi n i t e e l e me n t s o f t wa r e ANS YS Un d e r t h e t r a ffi c l o a d a nd t e mp e r a t u r e v a r i a ti o n， the be a r i n g l o a d c a p a c i t y o f p a v e me n t s l a b i s s t u die d wi th d i f f e r e n t c o n dit i on s o f s l a b l e n g th ， s l a b t h i c kn e s s a n d e l a s t i c mo d u l e o f b a s i c c o n c r e t e Lo a d s t r e s s fir s t l y d e c r e a s e s a n d t h e n i n c r e a s es wi t h i n c r e a s i n g the l e n g t h o f the p l a t e I t d e c r e a s e s wi th i n c r e a s i n g the thi c kn e s s o f the p l a t e Te mp e r a t u r e s t r e s s i n c r e a s e s a t f i r s t and the n r e d u c e s wi th the i n c r e a s e o f s l a b thi c kn e s s o r s l a b l e n g th Lo a d s t r es s a n d t e mp e r a t u r e s t r e s s i n c r e a s e wi th t h e i n c r e a s e o f c o nc r e t e e l a s fic mo d u l us De s i gn me tho d s o n pa v e me n t s l a b o f LS FRC， LHFRC a n d LSF FC i s p r e s e n t e d， a n d the r e f e ren c e t a b l e of s l a b t h i c k n e s s wi th dif f e rent l e n gt h u nd e r diffe ren t tra f fic i s g i v e n o u t K e y wo r d s： LS F R C； L HF RC； LS F F C； t e mp e r a t u r e s t r e s s ； p a v e me n t s l a b 0 引言 层布式钢纤维混凝土是以素混凝土为基体， 在距基体 上下边缘 2 c m位置各撒 布一层钢纤维 ， 形成一定厚度 的 钢纤维混凝土层 ， 见图 1 。 2 0世纪 9 0年代 起 ， 武汉理 工大学卢哲安教 授对层布式钢纤维混凝 土进行 了一系列 研究 。 其试验和工程应用表明 ： 这种路面保 留了钢纤维 混 凝土的优 良性能 ， 在基本力学性能与耐久性能方面的增 强 效果与钢纤维混凝土相当。 但其钢纤维用量只有钢纤维混 凝土路面的 2 0 左右。 因此 ， 进 一步研 究这种结构形式具 有 良好的社会和经济效益 。 针对公路路面工程的使 用 要求 ， 在满足强度及经济性 的前 提下 ， 提出了层布式钢 纤 维混凝土复合路面， 包括： 层布式钢纤维混凝土路面( L s F R C P ， L a y e r e d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e P a v e m e n t ) 、 层布式混杂纤维混凝土路面( L H F R C P ， L a y e r e d H y b r i d F i b e r R e i n f 0 r e e d C o n c r e t e P a v e m e n t ) 和层布式钢纤维柔性混 凝土路面 ( L S F F C P ， L a y e r e d S t e e l F i b e r F l e x i b l e C o n c r e t e P a v e m e n t ) E 7 。 其板厚 比普通水泥混凝土路面小 ， 实际工 程 中板长 常会采取 1 0、 1 2 、 1 5 m。 在这种情况下 ， L r ( r 表示板 的相 对 刚度 半径 ) 的值 大 大超过 J T G D 4 0 _ - 2 O l 1 公路水泥混凝土路面设计规范 中的最大限值， 因而无 法用解析方法求解 温度应力 。 此外 ， 它在荷载应力 的计 算 式中未考虑板长对应力的影响。 为了配合 C E C S 3 8 ： 2 0 0 4 纤维混凝土结构技术规程 的可操作性， 使设计和施 工单位更方便 、 快捷 的将层布式钢纤维混凝 土复合路面形 式应 用 混 凝 土 路 面结 构 中， 本 研 究 利 用 有 限元 软 件 A N S Y S ， 综合分析了这种新型路面结构形式 在荷载和温度 作用下的影 响规律 ， 给 出了其路面板的设计 步骤和最小板 厚值 的计算方法 。 1 层布式钢 纤 维混凝 土复合路 面混凝 土配合 比设 计 1 1 L S F RC P和 L HF RC P混 凝 土 L S F R C P和 L H F R C P混凝土配合 比 见表 1 。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 1 1 0 8 基金项 目： 国家自然科学基金委( 5 1 0 7 8 2 9 8 ) ； 国家科技支撑计划( 2 0 1 1 B A J 0 3 B 0 3 ) 1 4 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 3 板厚对复合路面板温度翘 曲应力的影响 L S F F C P路 面 板 的 温 度 翘 曲应 力分 别 增 加 了 2 7 2 和 6 0 1 。 板长从 7 5 m后， 每增加 2 5 m， 温度应力降低1 左右。 在其他应力相 同的条件 下 ， L S F F C P路 面板 的温度翘 曲应力比 L H F R C P路面板的小。 板长 5 r n时， 降低率为 3 5 8 7 。 4 3 2 板厚 的影响 板厚对温度翘曲应力影响的计算结果见表 1 3 。 由表 l 3可知 ： 复合路 面板 的温 度翘 曲应 力随着板 厚 的增加先增加后降低。 板厚 1 8 c m之前， 厚度每增加2 c m， 温度应力增加约 1 0 ； 板厚 2 0 c m之后 ， 温度 降低幅度较 大 ； 板厚 由2 0 c m增 J ll g U 2 2 c m时 ， L H F R C P和 L S F F C P路 面板 的温度翘 曲应力分别降低 2 6 3 0 和 9 1 6 。 在其他应力相同的条件下 ， L S F F C P路面板 的翘 曲温 度应力 比 L H F R C P路面板的小 。 板长 2 0 c m 时 ， 降低率 为 3 5 6 4。 4 3 3 混凝土弹性模量的影响 混凝土弹性模量对温度翘 曲应力影 响的计算结果 见 表 1 4 。 由表1 4 可知 ： 复合 路面板 的温度 翘 曲应力 随基体 混 表 1 4混凝土弹性模量对复合路面板温度翘曲应力的影响 MP a 凝土弹性模量 的增加 而增加 ， 基本上成线性 关系。 弹性模 量每增加 2 0 0 0 MP a ， L H F R C P和 L S F F C P路 面板 的温度 翘 曲应力分别增加约 O 5 和 1 0 。 5 路 面最小板厚设计 级下层布式钢纤维混凝土复合路面进行有限元计算 ， 获得 不同路面板尺寸在 不 同交 通等级下 的最小 板厚值 ( 见表 1 5和表 1 6 ) 。 路面板宽取 4 5 。 由表 1 5和表 1 6可知 ： 层 布式钢纤维混凝土复合路 面 板板厚相对普通混凝土路面板板厚均较薄， 大部分情况下最 参照 J T G 1 3 4 0 -2 0 1 1中板厚设计参数 ， 对不同交通等 小板厚 1 4 c m。 因此， 在相同条件下采用 L S F F C路面更经济。 表 1 5 L S F R C和 L H F R C路面板最小厚度 ( c m) 一 特重、 重、 中等和轻交通 6结 论 表现为先降低后增加 。板长由 ( 1 ) 提 出了层布式钢纤维混凝土复合路面板的结构形 5 m增加 到 7 5 m时 ， L H F R C和 L S F F C路面板荷载应力 式 ， 得到了板长、 板厚 、 基体混凝土弹性模量对路面板荷载 降低幅度最大， 分别为4 0 2 和4 5 5 。 应力和温度翘 曲应力的影响规律 。 荷载应力随板厚的增加而降低 。 板厚每增加 2 c m， 路 1 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 面板荷载应力降低幅度约 6 。 荷载应力随着基体混凝土弹性模量的增加而增加。 弹 性模量 每增 加 2 0 0 0 MP a ， L H F R C和 L S F F C路面板荷载 应力分别增加约 4 和 6 。 ( b ) 温度翘曲应力变化规律 温度翘曲应力随板长的增加表现为先增加后降低。 板 长从 5 m增加 到 7 5 m， L H F R C和 L S F F C路面板温度翘 曲应力分别增加 6 0 1 和 2 7 2 。 温度翘 曲应力随着板厚的增加表现为先增加后降低 。 板厚由 2 0 c m增加到 2 2 c m时 ， L H F R C和 L S F F C路面板 温度翘曲应力分别降低 2 6 3 0 和 9 1 6 。 温度翘 曲应力 随着基体混凝土 弹性模 量 的增加 而增 加 。 弹性模量每增加 2 0 0 0 MP a ， L H F R C和 L S F F C路面板 温度翘曲应力分别增加约 0 5 和 1 0 。 ( 2 ) 在相同条件下 ， L H F R C路面板的荷载应力和温度 翘 曲应力 比 L S F F C的分别低约 2 1 和 3 5 。 ( 3 ) 编制了易于工程设计者选用的层布式钢纤维混凝 土复合路面板最小厚度表。 参考文献： F 1 L U Z H E A N Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f l a y e r e d s t e e l fi b e r a n d h y b r i d fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e J J o u rnal o f Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ( Ma te r i a l s S c i e n c e E d i t i o n ) ， 2 0 0 8 ， 5 ： 3 0 1- 2 S O N G P S ， H WA N G S Me c h a n i c al p r o p e r t i e s o f h i g h s t r e n g t h s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i al s ， 2 0 0 4 ， 1 8 ( 9 ) ： 6 6 9 6 7 3 E 3 3李文盛， 张明中， 李成江 上下层布式钢纤维混凝土弯拉性能 试验研究 J 混凝土， 2 0 0 8 ( 5 ) ： 3 4 3 6 4 卢哲安， 陈军明 层布式钢纤维混凝土路面设计研究 J 工程 力学 ， 1 9 9 9 ， 3 ( a 3 ) ： 1 5 91 6 3 5 S R I R A V I N D R A R A J A H R， T A M C T F l e x u r al s t r e n g th o f s t e e l 上接第 1 4 5页 进行超长结构 的一次性 浇筑 ， 配 合 比如 表 2中对 比组所 示。 在实际施工过程 中 ， 还综合采用 了控 制混凝土入模温 度、 覆盖毛毡保温等措施来抑制温度收缩开裂风险。 从试 验室试验和现场实体结构监测结果来看 ， 该功能型外加剂 的掺加显著降低了结构温升， 产生了有效的体积膨胀， 一 定程度上降低及补偿了结构 由温度收缩 、 自收缩等带来 的 体积变形 。 从工程现场实施效果来看 ， m怔【 一 V 混凝 土 ( 温控、 防渗) 高效抗裂剂显著减少了混凝土结构 ， 尤其是 侧墙结构裂缝 出现 的几率 ， 在设计 变更 ， 一次性浇筑 长度 大大增加的不利情况下 ， 显示 出 良好的工程应用效 果 ， 有 力保障了工程质量 ， 在规定工期内顺利完工， 得到了建设、 监理和施工单位的一致好评。 参考文献 ： 1 王铁梦 工程结构裂缝控制 M 北京： 中国建筑工业出版社， 1 5 2 fi b e r r e i n f o r c e d c o n c ret e b e a ms J I n t e rna t i o n a l J o u r n a l o f C e me n t C o mp o s i t e s and L i g h t w e i g h t C o n c ret e ， 1 9 8 4 ， 6 ( 4 ) ： 2 7 3 2 7 8 6 贺东青， 卢哲安， 任志刚 层布式混杂纤维混凝土抗冻融耐久 性的研究 J 混凝土， 2 0 0 7 ( 1 2 ) ： 5 8 5 9 7 L A N K A R D D R， N E WE L L J K P r e p a r a ti o n o f h i g h l y r e i n f o r c e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c ret e c o m p o s i t e s J A C I S pec i a l P u b l i c a tio n， 1 9 8 4， 81 8 权莉， 陶文祥 混杂钢 一 聚丙烯纤维混凝土弯曲韧性试验研究r J 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 1 0 ) ： 2 5 2 7 9 J T G D I4 O 2 0 l 1 ， 公路水泥混凝土路面设计规范 s 北京： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 2 1 0 C E C S 3 8 ： 2 0 0 4 ， 纤维混凝土结构技术规程 s 北京： 中国建筑 工业出版社， 2 0 0 4 1 1 T R I A N T A F I L L O U T C， A N T O N O P O U L O S C P D e s i g n o f c o n c re te fi e x u r a l m e m ber s s t r e n g t h e n e d i n s h e ar w i th F R P J J o u r n a l o f C o mp o s i t e s f o r C o n s t r u c ti o n ， 2 0 0 0 ， 4 ( 4 ) ： 1 9 8 2 0 5 1 2 C E C S 1 3 ： 8 9 ， 钢纤维混凝土试验方法I s 北京： 中国计划出版 社 ， 1 9 9 6 1 3 郭大智， 冯德成 层状弹性体系力学 M 哈尔滨： 哈尔滨工业 大学出版社 ， 2 0 0 1 ： 1 2 7 1 4 姚祖康 半刚性基层水泥混凝土路面的结构计算方法 J 华东 公路， 1 9 9 7 ， 1 0 6 ( 3 ) ： 3 8 1 5 3 B A R B OS A A F ， R I B E I R O G O A n a l y s i s o f r e i n f o r c e d c o n c re t e s t r u c t u r e s u s i n g A N S Y S n o n l i n e ar c o n c re t e m o d e l J 1 9 9 8 第一作者 ： 联系地址： 联系电话： 范小春( 1 9 7 5一) ， 男， 副教授 ， 研究方向： 新型混凝土 材料性能与应用研究。 武汉理工大学土木工程与建筑学院( 4 3 0 0 7 0 ) 1 5 97 1 41 1 0 8 4 1 9 9 7： 1 441 58 2 田倩 ， 王育江， 张守治 ， 等 基于温度场和膨胀历程双重调控的 侧墙结构防裂技术 J 混凝土与水泥制品， 2 0 1 4 ( 5 ) ： 2 0 2 4 3 伍朝晕， 孙柏林 温度应力对超长结构的影响 J 建筑结构， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 8 ) ： 2 8 3 0 4 缪昌文， 刘建忠， 田倩 混凝土的裂缝与控S U E J 中国工程科 学 ， 2 0 1 3 ， 1 5 ( 4 ) ： 3 0 3 5 5 蔡希高 缓凝q I ) J O N缓凝作用的化学本质 J 化学建材， 2 0 0 7 ， 2 3 ( 2 ) ： 4 1 4 4 i- 6 李悦， 谈慕华， 张雄， 等 混凝土的自收缩及其研究进展r J - 建 筑材料学报 ， 2 0 0 0 ， 3 ( 3 ) ： 2 5 2 2 5 7 第一作者： 杨毅( 1 9 8 2一) ， 男 ， 硕士， 主要从事建筑材料研究。 联系地址 联系电话 江苏省镇江市丹徒区高资镇城科发展有限公司( 2 1 2 1 1 4 ) 1 8 95 2 8 0 08 8 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m