【正文】 的裂縫寬度、鋼筋和混凝土的應(yīng)力是可信的，可以為 CRCP 的設(shè)計提供依據(jù)。 參數(shù)影響分析CRCP 各設(shè)計參數(shù)的變化會對混凝土裂縫寬度、混凝土的應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力產(chǎn)生影響，為了分析得到參數(shù)影響規(guī)律，取基本參數(shù)為： ，cmh25?， ， ， /℃， /℃，??6109??s?10??c?℃， ， ， ,5?TMPaEc93?MPaEs2aks34， 。通過改變其中的一項參數(shù)，用 ANSYS 模型進行KPakc %.p求解。CRCP 各項結(jié)果隨 變化情況見表 和圖 從表 和圖 可以看出，在其他參數(shù)相同的情況下，隨著 值的增大，混凝土在裂縫處的位移減小，也就是說 CRCP 的裂縫寬度sk減小，在 較小的時候，混凝土裂縫寬度變化的趨勢比較明顯，當(dāng) 較大時，s sk裂縫寬度變化趨勢變小。混凝土的最大應(yīng)力、鋼筋的最大應(yīng)力隨著 的增大s逐漸增加，而且基本呈線性。表 CRCP 各項結(jié)果隨 變化的規(guī)律sk??mMPaks ??uc ??MPac???Pas?5 10 20 30 40 00 10 20 30 40 50Ks(MPa/mm)Uc(mm) L==L=圖 混凝土位移隨 變化sk50 10 20 30 40 50Ks(MPa/mm)σc(MPa) L===圖 混凝土應(yīng)力隨 變化sk01002003004005006007000 10 20 30 40 50Ks(MPa/mm)σs(MPa) L==L= 圖 鋼筋應(yīng)力隨 變化skCRCP 各項結(jié)果隨 變化情況見表 和圖 。L表 CRCP 各項結(jié)果隨 變化的規(guī)律L??mL??muc ??MPac???Pas? 00 1 2L(m)Uc(mm) 系 列 101234560 1 2L(m)σc(MPa) 系 列 1圖 混凝土位移隨 L 變化 圖 混凝土應(yīng)力隨 L 變化01002022004005006007008000 1 2L(m)σs(MPa) 系 列 1圖 鋼筋應(yīng)力隨 L 變化表 和圖 可以看出，在其他參數(shù)相同的情況下，隨著 L 的增大，裂縫寬度、混凝土的最大應(yīng)力和鋼筋的最大拉應(yīng)力都增大，而且基本呈線性增長。裂縫間距的變化對路面內(nèi)應(yīng)力和位移影響非常明顯，減小裂縫間距，可以使路面內(nèi)鋼筋和混凝土的應(yīng)力以及裂縫寬度減小，這是有利的一面，但是當(dāng)裂縫間距過小時，裂縫數(shù)量過多，會減弱板的整體剛度，增大車輛荷載對板的破壞作用，可能引起板邊沖斷等破壞現(xiàn)象。因此裂縫間距是 CRCP 設(shè)計的重要指標(biāo)，應(yīng)該通過選擇合適的配筋來控制裂縫間距，從而達(dá)到控制裂縫寬度、鋼筋和混凝土的應(yīng)力，既保證 CRCP 路面的裂縫寬度在允許范圍內(nèi)，同時也要保證路面不發(fā)生沖斷破壞。在 CRCP 設(shè)計中，配筋設(shè)計是關(guān)鍵性的一步，因此搞清楚配筋率變化對混凝土裂縫寬度、鋼筋和混凝土最大應(yīng)力等的影響至關(guān)重要。配筋設(shè)計包括鋼筋位置布置、配筋率、鋼筋直徑和鋼筋間距等幾個主要方面，這里我們考慮鋼筋布置在路面板 h/2 處時的情況。因為在面板厚度固定的情況下，配筋率、鋼筋直徑和鋼筋間距 3 個量中只有 2 個量是獨立的，可以先固定鋼筋直徑不變(以直徑 16mm 為例)，改變配筋率(鋼筋間距隨著改變)，把計算結(jié)果列成表；固定配筋率不變(以配筋率 ％為例)，改變鋼筋直徑(鋼筋間距隨著改變)，計算結(jié)果列成表 表 鋼筋直徑為 16mm 時，CRCP 各項結(jié)果隨配筋率變化的規(guī)律配筋率% ??muc ??MPac???Pas? 表 配筋率 ％時，CRCP 各項結(jié)果隨配鋼筋直徑變化的規(guī)律??md3??muc ??MPac???Pas?14 16 18 20 22 1p(%)Uc(mm) 系 列 1 4 1p(%)σc(MPa) 系 列 1圖 混凝土位移隨配筋率變化 圖 混凝土應(yīng)力隨配筋率變化395400405410415420425430435 1p(%)σs(MPa) 系 列 1 12 17 22 27ds(mm)Uc(mm) 系 列 1圖 鋼筋應(yīng)力隨配筋率變化 圖 混凝土位移隨鋼筋直徑變化012312 17 22 27ds(mm)σc(mm) 系 列 1 05010015020225030035040045050012 17 22 27ds(mm)σs(MPa) 系 列 1圖 混凝土應(yīng)力隨鋼筋直徑變化 圖 鋼筋應(yīng)力隨鋼筋直徑變化從表 和圖 可以看出，在其他參數(shù)相同的情況下，隨著鋼筋配筋率的增大，混凝土裂縫寬度變小，這是因為配筋率增大后，鋼筋的握裹面值增加，增強了鋼筋對混凝土的約束，減少了混凝土的變形?；炷磷畲髴?yīng)力基本上隨配筋率的增大呈線性增長，而鋼筋的應(yīng)力隨著 CRCP 配筋率的增大而減少。從表 和圖 可以看出，在其他參數(shù)相同的情況下，隨著鋼筋直徑的增大，混凝土的裂縫寬度變大。混凝土的最大應(yīng)力和鋼筋的最大應(yīng)力則變小。裂縫變大，在裂縫處容易產(chǎn)生各種破壞，總得來說是不利的，因此在配筋設(shè)計時，建議優(yōu)先采用小直徑、小間距的配筋方式(在裂縫間距滿足 1m～ 的前提下)?；炷恋木€膨脹系數(shù) 變化與混凝土材料組成等許多因素有關(guān)，其中最c?主要的因素是混凝土骨料性質(zhì)?，F(xiàn)取 從 變化到 ，計算結(jié)果見表c 和圖 表 CRCP 各項結(jié)果隨混凝土的線膨脹系數(shù) 的規(guī)律c???510??c???muc ??MPac???Pas? c(1105)Uc(mm) 系 列 10123 c(1105)σc(MPa) 系 列 1圖 混凝土位移隨線膨脹系數(shù)變化 圖 混凝土應(yīng)力隨線膨脹系數(shù)變化0100200300400500600 c(1105)σs(MPa) 系 列 1圖 鋼筋應(yīng)力隨線膨脹系數(shù)變化從表 和圖 可以看出，裂縫寬度、混凝土和鋼筋的最大應(yīng)力都隨 的增加線形增大，為了降低混凝土裂縫的寬度，以及降低c?混凝土應(yīng)力和鋼筋的應(yīng)力，在 CRCP 中，要盡可能考慮采用線膨脹系數(shù)小的混凝土材料和采用合適的配合比。表 表明了板厚變化對路面混凝土和鋼筋應(yīng)力的影響，以及混凝土裂縫寬度的影響，從表中可以看出，隨著 h 的增大，裂縫寬度、鋼筋應(yīng)力都增加，混凝土的應(yīng)力減小，不過從表格中可以看出，板厚對這些結(jié)果的影響都很小。所以在實際設(shè)計 CRCP 路面時，其厚度可以按普通混凝土路面一樣的方法設(shè)計。表 混凝土板厚對 CRCP 各項結(jié)果影響??cmh??muc ??MPac???Pas?25 26 27 28 29 內(nèi)應(yīng)力與參數(shù)的相互影響CRCP 內(nèi)應(yīng)力與參數(shù)是相互影響的，當(dāng)裂縫間距比較長時，混凝土路面板中部的拉應(yīng)力比較大，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強度時，會在中間部分產(chǎn)生新的裂縫。以表 為例，取 L=,顯然混凝土面板中部的拉應(yīng)力超過了極限抗拉強度，理論上會在混凝土面板中部(x=0 處)產(chǎn)生新的裂縫，這樣 L 將變成 ,x=0 處由原來混凝土面板的中部變成了端部，混凝土應(yīng)力由最大值 變成了 0，應(yīng)力得到釋放，而鋼筋應(yīng)力則大大增加，這是因為原來板中部分的拉應(yīng)力由混凝土和鋼筋共同承擔(dān)，而新的裂縫產(chǎn)生后，拉應(yīng)力由鋼筋獨自承擔(dān)。而混凝土的裂縫寬度和最大應(yīng)力近似減到原來的一半，鋼筋最大應(yīng)力也近似減到一半。 小結(jié)，鋼筋位移與應(yīng)力的有限元數(shù)值解和解析解的對比分析可以看出，CRCP 混凝土的位移和應(yīng)力、鋼筋的位移和應(yīng)力的數(shù)值解與解析解都比較吻合。因此可以認(rèn)為采用 SOLID65 單元、LINK8 單元、COMBIN14 單元建立的分離式有限元模型是正確的，可以用來分析降溫時 CRCP的裂縫寬度、鋼筋和混凝土的應(yīng)力，從而來驗算鋼筋應(yīng)力和混凝土裂縫寬度是否符合要求。 CRCP 混凝土與鋼筋應(yīng)力和位移的影響(見表 )，其中裂縫間距、配筋率和粘結(jié)剛度系數(shù)對計算結(jié)果影響較大，混凝土線膨脹系數(shù)對結(jié)果的影響呈線性關(guān)系，板厚對計算結(jié)果的影響較小。在配筋率相同的條件下，配筋方式不同對 CRCP 的應(yīng)力與位移也有較大影響，由于小直徑、小間距的配筋方式使鋼筋具有更大的握裹面積，故比大直徑、大間距的配筋方式能更有效也減小裂縫寬度、鋼筋應(yīng)力和粘結(jié)應(yīng)力，使混凝土與鋼筋的受力更加均勻，建議在裂縫間距滿足要求的前提下盡量使用小直徑的鋼筋。在混凝土配合比設(shè)計方面，應(yīng)使混凝土線脹系數(shù)盡可能小。表 設(shè)計參數(shù)對 CRCP 各項結(jié)果的影響參數(shù)增大粘結(jié)剛度系數(shù)裂縫間距 配筋率混凝土線膨脹系數(shù)板厚裂縫寬度 減小 增大 減小 增大 增大混凝土應(yīng)力 增大 增大 增大 增大 增大鋼筋應(yīng)力 增大 增大 減小 增大 增大第 4 章 CRCP 路面配筋優(yōu)化設(shè)計連續(xù)配筋混凝土路面面板設(shè)計的主要問題有兩個:一是板厚確定。二是配筋設(shè)計。國外許多設(shè)計方法和我國的規(guī)范都建議按普通水泥混凝土路面厚度來確定 CRCP 板厚。配筋設(shè)計方面，本文主要研究確定配筋率和鋼筋直徑，從而控制裂縫的寬度與裂縫間距等。本文在對板厚設(shè)計做簡要介紹的基礎(chǔ)上采用研究建立的有限元模型進行 CRCP 的配筋優(yōu)化設(shè)計。 板厚設(shè)計 設(shè)計參數(shù)水泥混凝土面板的厚度，主要取決于預(yù)定的使用年限、荷載大小和交通量。目前，應(yīng)用比較廣泛的混凝土板厚設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)有兩種：一種是以使用年限末期混凝土板出現(xiàn)疲勞開裂為臨界狀態(tài)；另一種則是以混凝土面層的使用特性在使用末期下降到行車所不容許的程度為標(biāo)準(zhǔn)。我國的水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范采用前一種標(biāo)準(zhǔn)。在板厚的設(shè)計中主要有下面一些設(shè)計參數(shù)：我國剛性路面設(shè)計規(guī)范將后軸重100KN定為標(biāo)準(zhǔn)軸載 [29]。標(biāo)準(zhǔn)軸載累計作用次數(shù)可按下式(41)計算確定。 ()??????rNs3651te????式中： —使用初期設(shè)計車道標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)(n/d)： e—由調(diào)查確定的交通量年平均增長率(%)： ?t— 設(shè)計使用年限：— 車輪輪跡橫向分布系數(shù)?式中 、t、 。? 、摩擦系數(shù) 及地基反應(yīng)模量 tE?K在澆筑混凝土面板之前在基層頂面用剛性承載板(直徑為30cm)進行實測,可得到基層頂面的當(dāng)量回彈模量 , 由此可按式()確定承載板直徑為t76cm時的標(biāo)準(zhǔn)地基反應(yīng)模量 ，并對處理過的基層頂面的摩擦系數(shù) 進行實K?測。 () Et95?式中, 的單位為MPa， 的單位為MPa/cm。t 混凝土的設(shè)計強度和彎拉彈性模量如無實測條件，可以按表 取值。交通等級使用初期設(shè)計車道標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù) sN設(shè)計使用年限t車輪輪跡橫向分布系數(shù) ?混凝土設(shè)計彎拉強度??MPfcm混凝土彎拉彈性模量 a310綜合影響系數(shù) cK特重 1500＞ 30 ～ 30 重 200～1500 30 ～ 30 中等 5～200 20 ～ 28 輕 ≤5 20 ～ 4 27 混凝土面板的最大溫度梯度計算值T按我國水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范，依 CRCP的最大溫度梯度計算值不同板厚的最大溫度梯度公路自然區(qū)劃 16cm 18cm 20cm 22cm 24cmI ～ ～ ～ ～ ～I(xiàn)I ～ ～ ～ ～ ～I(xiàn)II ～ ～ ～ ～ ～I(xiàn)V ～ ～ ～ ～ ～注:夏季日照強烈,氣溫高者取高值。海拔高者取高值,空氣濕度大者取高值,反之取低值 設(shè)計方法眾多文獻(xiàn)顯示，CRCP的厚度可以直接采用普通水泥混凝土路面厚度的設(shè)計方法。我國混凝土路面板厚度設(shè)計規(guī)范采用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為：控制由荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力綜合疲勞作用所產(chǎn)生的疲勞斷裂。設(shè)計表達(dá)式為： ()cmtPf???上式中 , 兩個參數(shù)都是板厚的函數(shù)，因此板厚設(shè)計采用試算的方法，t即先設(shè)定板厚計算出 和 直至兩者之和滿足上式要求，取假定值為設(shè)計Pt?值。由于混凝土材料為脆性材料，對超載很敏感，同時，增加板厚可以延長路面使用壽命，規(guī)范規(guī)定路面板設(shè)計要求在下式范圍內(nèi)： ()???試驗路采用25cm厚的混凝土路面板。 配筋設(shè)計 鋼筋布置位置由于混凝土面板表層溫度變化比面板底部變化快，水分蒸發(fā)也快，所以素混凝土路面開裂都是從路表面開始的，因此 CRCP 中縱向鋼筋配置在路面板中部或者上部比較合適。現(xiàn)在的試驗路縱向鋼筋主要有 4 種布置方式：布置在距板頂 h/3 處；布置在距板頂 h/2 處；布置在面板下部；布置兩層縱向鋼筋。在四種布置方式中，已有試驗路的試驗結(jié)果