（道路与铁道工程专业论文）短路段复合式路面研究.pdf

摘要 随着公路建设的不断发展，高等级公路己逐步由大城市附近的平原区向山区延伸。 由于山区地形、地质、自然环境等条件复杂多变，给高等级公路建设带来了许多技术问 题，尤其是高等级公路贯穿山脉群时，不可避免采用许多的桥梁和隧道，位于桥隧之间 的过渡路段( 常称之为“短路段”) 就会随之出现，这些过渡路段距离较短( 有时不足 2 0 0 m ) ，道路状况比较复杂，由于地质、地貌条件的限制和公路线形的制约，其设计、 施工都比普通路段复杂，存在诸多问题。因此，本文以商界高速公路穿越秦巴山区时桥 与桥( 隧道) 之间出现的短路段为工程依托，对短路段开展路面结构分析与组合、路面 施工和工程质量评价的研究具有良好的应用价值。 本文根据短路段的特点，主要开展了以下五方面的研究：( 1 ) 利用三维有限元软件 建立计算结构模型，分析了影响钢纤维混凝土板荷载应力的因素及规律，并参照规范对 温度应力和疲劳应力进行分析，从而估算了板的最小厚度；( 2 ) 总结了短路段的特点， 分析了短路段的路面结构组合，确定其面层结构类型为沥青混凝土与钢纤维混凝土复合 式路面。通过分析粘结层的作用，对粘结材料提出了技术要求；( 3 ) 根据钢纤维混凝土 的基本理论，结合规范要求，确定钢纤维混凝土的配合比；研究了不同龄期、不同钢纤 维掺量下钢纤维混凝土抗折强度和抗压强度的变化规律及抗折弹性模量和收缩性能，同 时为改善混凝土的路用性能，研究了减水剂对钢纤维混凝土强度的影响；( 4 ) 在钢纤维 混凝土路面施工时，由于施工路段短，选择小型机具是合理的，为了更好的控制短路段 施工质量，参照普通水泥混凝土路面施工工艺，对短路段钢纤维混凝土路面施工工艺进 行了研究；( 5 ) 对短路段进行工程质量评价时，所需检测点数偏少，为使短路段的评价 更加科学合理，采用数理统计的方法确定了样本最小容量，并研究了压实质量、弯沉、 平整度、厚度和路基路面几何尺寸等合理的评价方法。 关键词：短路段，a c + s f r c 复合式路面，结构组合，钢纤维混凝土，配合比设计， 施工工艺，工程质量评价 ab s t r a c t 、i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fh i g h w a yc o n s t r u c t i o n , h i g h g r a d eh i g h w a y sh a v eb e e n g r a d u a l l y s h i f t e df r o mc i t i e st ot h en e a r b ym o u n t a i np l a i na r e ae x t e n d b e c a u s eo f m o u n t a i n o u st e r r a i n , g e o l o g y , n a t u r a le n v i r o n m e n t ，s u c ha s c o m p l e x a n d c h a n g e a b l e c o n d i t i o n s ，r o a dc o n s t r u c t i o nt oh i g ht e c h n o l o g yh a sb r o u g h tm a n yp r o b l e m s ，e s p e c i a l l y h i g h g r a d eh i g h w a yb a s et h r o u g h o u tt h em o u n t a i n s ，t h ei n e v i t a b l eu s eo fal o to fb r i d g e sa n d t u n n e l s ，i sl o c a t e db e t w e e nt h et u n n e lt r a n s i t i o ns e c t i o n ( o f t e nr e f e r r e dt oa s ”s h o r ts e c t i o n s ”) w i l lb ef o l l o w e d ，t h et r a n s i t i o nf r o ms h o r ts e c t i o n s ( s o m e t i m e sl e s st h a n2 0 0 m ) ，m o r e c o m p l e xr o a dc o n d i t i o n s ，a st h eg e o l o g y , t o p o g r a p h ya n dr o a dc o n d i t i o n sl i n e a rc o n s t r a i n t s ， t h ed e s i g nc o n s t r u c t i o nc o m p l i c a t e dt h a no r d i n a r yr o a d s ，t h e r ea r em a n y p r o b l e m s t h e r e f o r e ， t ot h eb u s i n e s sc o m m u n i t yt h r o u g ht h eq i n b am o u n t a i nh i g h w a ya n db r i d g ew h e nt h eb r i d g e ( t u n n e l ) b e t w e e nt h es h o r ts e c t i o n so ft h ep r o j e c tb a s e do ns h o r ts e c t i o n so fr o a dt oc a r r yo u t s t r u c t u r a la n a l y s i sw i t ht h ec o m b i n a t i o no ft h eq u a l i t yo fr o a dc o n s t r u c t i o na n de n g i n e e r i n g e v a l u a t i o no ft h er e s e a r c hh a sag o o da p p l i c a t i o nv a l u e i nt h i sp a p e lb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs h o r ts e c t i o n s ，m a i n l yt oc a r r yo u tt h e f o l l o w i n gf i v ea r e a so fr e s e a r c h ：( 1 ) t h eu s eo ft h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r et o e s t a b l i s ht h es t r u c t u r eo ft h em o d e lc a l c u l a t i o n , a na n a l y s i so ft h ei m p a c to fs t e e lf i b e r r e i n f o r e e dc o n c r e t es l a bl o a ds t r e s sf a c t o r sa n dt h el a w , a n di nt h el i g h to fn o r m so f t e m p e r a t u r es t r e s sa n df a t i g u es t r e s sa n a l y s i s ，w h i c he s t i m a t e st h em i n i m u mt h i c k n e s so ft h e b o a r d ；( 2 ) s u m m a r i z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs h o r ts e c t i o n s ，a na n a l y s i so ft h es t r u c t u r eo fs h o r t s e c t i o n so fr o a dp o r t f o l i o ，d e t e r m i n et h et y p eo fs u r f a c es t r u c t u r eo fa s p h a l tc o n c r e t ea n ds t e e l f i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ec o m p o s i t er o a d b ya n a l y z i n gt h er o l eo ft h eb o n d i n gl a y e ro f a d h e s i v em a t e r i a lt ot h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s ；( 3 ) o fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ei n a c c o r d a n e ew i t ht h eb a s i ct h e o r y , c o m b i n e dw i t hr e g u l a t o r yr e q u i r e m e n t st od e t e r m i n et h e s t e e lf i b e rr e i n f o r e e dc o n c r e t ew i t ht h er a t i o ；s t u d i e dav i e wn o to ft h es a m ea g e d i f f e r e n t s t e e if i b e rd o p e dt h ev o l u m eo fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t eu n d e rf l e x u r a ls t r e n g t ha n d c o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dt h ec h a n g e so ff l e x u r a lm o d u l u so fe l a s t i c i t ya n ds h r i n k a g e p e r f o r m a n c e ，a tt h es a m et i m et oi m p r o v ec o n c r e t ep a v e m e n tp e r f o r m a n c e ，r e s e a r c ht h e s u p e r p l a s t i c i z e ro nt h es t r e n g t ho fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ei m p a c t ；( 4 ) i ns t e e lf i b e r r e i n f o r e e dc o n c r e t ep a v e m e n tc o n s t r u c t i o n , a sc o n s t r u c t i o no fs h o r ts e c t i o n s ，s e l e c ta m i n i c o m p u t e ri sr e a s o n a b l e i no r d e rt ob e t t e rc e n t r e it h eq u a l i t yo fs h o r ts e c t i o n so ft h e c o n s t r u c t i o n , i nt h el i g h to fo r d i n a r yc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，t h e s h o r ts e c t i o no fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ep a v e m e n tc o n s t r u c t i o np r o c e s sh a v eb e e n s t u d i e d ；( 5 ) t oc a l t yo u tt h ew o r k so nt h es h o r ts e c t i o no ft h eq u a l i t yo fd e t e c t i o n , t h e d e t e c t i o no fl o wp o i n t s ，i no r d e rt oe n a b l et h ee v a l u a t i o no fs h o r ts e c t i o n so fam o r es c i e n t i f i c a n dr a t i o n a l ，u s i n gt h em e t h o d so fm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c st od e t e r m i n et h em i n i m u mc a p a c i t y o ft h es a m p l e sa n dt os t u d yt h ec o m p a c t i o nq u a l i t yo fd e f l e c t i o n , t h ef o r m a t i o no f ，t h e t h i c k n e s sa n dg e o m e t r y , s u c ha sr o a ds u b g r a d er e a s o n a b l ee v a l u a t i o n k e yw o r d s ：t h es h o r tr o a ds e c t i o n s ；a c + s f r cc o m p o s i t ep a v e m e n t ，s t r u c t u r e ，s f r c ， m i xp r o p o r t i o nd e s i g n , c o n s t r u c t i o np r o c e s s ，e n g i n e e r i n gq u a l i t ye v a l u a t i o n 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已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 王伟。夕年多月，e l 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： 王伟 导师签名： 矗寒 吵年乡月日 d 年毛月r e l 长安大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 课题的工程背景及意义 随着公路建设的不断发展，高等级公路己逐步由大城市附近的平原区向山区延伸， 位于桥与桥、桥与隧、隧与隧之间距离很短的过渡路段( 常称之为“短路段 ) 会随之 增多。短路段受地质、地貌条件的限制和公路线形的制约，深挖、高填路基较为普遍， 由于压实质量和路基填料等问题引起的路基不均匀沉降问题十分突出。路基是路面的基 础，路基承受由路面传递下来的车辆荷载和自然因素的作用，并把车辆荷载通过本身传 递到地基，是保证路面强度与稳定性的重要条件，因此，须采用一定的手段来提高路基 强度、减小沉降。由于路段短( 有时不足2 0 0 m ) ，施工工作面小，大型施工机械无法展 开，往往很难达到理想的压实效果，尤其是填方路段，按就地取材的原则，多采用开山 片石及隧道弃石等填筑，使得填料不均匀，容易产生路基不均匀沉降，此外，压实机械 无法对路基边角处进行压实，造成短路段的路基压实不均匀。另外，由于桥梁、隧道、 涵洞等工程结构物的存在，道路基础存在很大的差异性，使得道路的刚度在线路纵向上 是变化的和不均匀的，由此造成山区道路在完工后运营初期出现较大沉陷，形成较严重 的道路病害。基于此，我们应考虑选用性能优良的路面结构，来克服短路段路基不均匀 沉降等缺点，以保证公路具有良好的使用品质。 水泥混凝土路面刚度大，荷载扩散能力强，稳定性好，能较好的克服路基不均匀沉 降等缺点，是首选的路面类型。然而短路段路基压实不均匀和路基的不均匀沉降等问题 比较严重，要求路面的刚度和强度很高，使用普通混凝土可能无法满足短路段的道路使 用要求，因此我们应该选用具有高工作性、高抗离析性能、高强度、高韧性、高抗冲击 性以及高抗疲劳特性的混凝土路面。 钢纤维增强混凝土( s f r c ，s t e e lf i b e rr e i n f o r e e dc o n c r e t e ) 简称钢纤维混凝土， 是近几十年发展起来的一种新型复合材料，它是将钢纤维均匀地分散于基体混凝土中， 通过分散的钢纤维减少动态荷载作用在基体混凝土上引起的应力集中，将混凝土的应力 扩散，提高混凝土材料的抗裂性【1 1 。同时由于混凝土与钢纤维之间有很大的粘结作用， 因而可将外力传递到抗弯拉强度较大的钢纤维上，使钢纤维混凝土作为一个均匀整体抵 抗外力作用。钢纤维的掺入显著地提高了混凝土的抗弯拉强度、抗冲击韧性、抗裂性、 抗疲劳性能和耐久性等，使得本属于脆性材料的混凝土转变为具有良好抗裂性、抗弯拉 特性、耐冲击性、耐疲劳性等特点的复合材料1 2 】，因而特别适用于公路路面、桥面、机 第一章绪论 场跑道等工程。 钢纤维混凝土不仅具有普通混凝土的优良特性，而且能够满足短路段的使用要求， 然而短路段占的比例少且位置分散，短路段钢纤维混凝土路面与普通路段的沥青混凝土 路面交错出现不仅给施工造成很大麻烦，而且影响了行车的舒适性和道路的美观。另外， 目前多数高速公路采用沥青混凝土路面，相比之下，钢纤维混凝土路面噪音大，平整度 低，因此，短路段的路面结构应结合普通路段考虑，宜采用沥青混凝土( a c ) 加钢纤 维混凝土( s f r c ) 的复合式路面。 a c + s f r c 复合式路面与普通路面相比，增加了经济成本，然而a c + s f r c 复合式 路面弥补了短路段路基的不足，改善了道路的使用性能，而且方便了施工，降低了钢纤 维混凝土板的荷载应力和温度应力，延长了路面的使用寿命，同时降低了噪音，提高了 路面的平整度，因此，采用复合式路面虽然是无奈之举，但应用于短路段具有良好效果， 对短路段的设计和施工具有重要的现实意义。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究与应用概况 短路段a c + s f r c 复合式路面是根据短路段的特点确定的路面结构，而短路段多数 位于山区，山区的特点随着地理位置、气候和地形的变化而改变，共性特征少，针对短 路段的复合式路面，国外没有研究，而普通路段的复合式路面已有了较多研究。 上世纪8 0 年代发展起来了沥青混凝土( a c ) 加碾压混凝土( i 屺c ) 复合式路面结 构。1 9 8 5 年西班牙某高速公路拓宽车道的施工，采用5 c m 厚的热拌沥青混合料加2 3 c m 厚的碾压混凝土作为面层，基层为1 5 c m 厚的水泥稳定碎石。1 9 8 6 年间，西班牙在高等 级干线公路上，将a c 作为上面层，r c c 作为下面层。1 9 9 1 年西班牙在马德里通往法 国边界的高速公路上，修筑了a c + r c c 复合式路面，其沥青层采用双层式a c 层，厚 达1 2 c m 。1 9 8 9 年1 月澳大利亚p e n i t h 市在水泥稳定碎石基层上修筑了a c + r c c 复合式 路面1 3 l 。 1 9 8 8 年日本在某停车场对r c c 作为复合式路面下面层的适应性进行了研究，并将 这种结构形式写进了1 9 9 0 年6 月出版的碾压混凝土路面技术指南( 草案) 中，1 9 9 3 年，根据日本铺装杂志报导，在山阳高速公路河内至西条段修筑了9 k i n 的沥青混凝 土( a c ) 加水泥混凝土( p c c ) 复合式路面试验路，共1 1 种结构类型，路面上面层为 1 0 c m 双层式沥青混凝土或5 e m 单层式沥青混凝土，下面层为不同厚度的连续配筋混凝 土( c r c ) 或碾压混凝土( r c c ) 。 2 长安大学硕士学位论文 英国关于a c + c r c 的设计已载入道路指示2 9 号，这是目前唯一由国家机关颁 布关于此类路面的设计方法。英国道路学者认为，在结构上保持薄的面层更为有利，因 为混凝土板的刚度远大于沥青混凝土面层，而且承担较大的汽车荷载。另一方面，他们 认为应用小于1 0 c m 的沥青混凝土面层在实践上比较困难，因而此时要省去粘结层或用 较小粒径的集料，这对层间结合是不利的。薄的沥青混凝土面层减少了隔热作用，而当 面层厚度小于4 c m 时，其隔热作用则可能完全没有。在a c + c r c 结构中，较单一c r c p ( 连续配筋混凝土) 路面可节省约3 0 的钢筋量，极大的减少了工程费用 4 1 。 1 2 2 国内研究与应用概况 在我国，短路段复合式路面也没有展开系统研究，只是对普通路段复合式路面开展 了研究，尤其以a c + r c c 复合式路面研究较多。 “七五 期间，开展了我国水泥混凝土路面发展对策及修筑技术研究( 国家科 技引导性项目) 的研究，其中对水泥混凝土( 双层板) 复合式路面设计理论与方法进行 了研究；“八五”期间，长安大学( 原西安公路交通大学) 、全国水泥混凝土路面技术委 员会、河南省交通厅、安徽省高速公路管理局、江苏省公路管理局、西安公路科学研究 所等单位承担了碾压混凝土与沥青混凝土复合式路面修筑技术研究，对a c + r c c 复。 合式路面从设计理论、设计方法与参数到施工技术进行了深入的研究，取得了一定的成。 果；同时长安大学承担的碾压混凝土加铺沥青混凝土复合式路面结构设计理论与方法 研究1 9 9 3 年被列为国家自然科学基金资助项目。东南大学对沥青混凝土加碾压混凝土 复合式路面的温度梯度进行了较详细的研究。国内近年来对a c + r c c 复合式路面研究 较多，并在全国修筑了较多的工程实体，但这些实体工程的使用情况并不理想，最近应 用的工程较少【卯。 1 3 本文的研究内容 我国地域辽阔，地形复杂多变，短路段路基施工困难，压实质量不好控制，容易出 现不均匀沉降。本文以商界( 商州一陕豫界) 高速公路为工程依托，开展了以下几个方 面的研究： l 、短路段路面结构分析。利用三维有限元软件建立路面结构模型，分析影响钢纤 维混凝土板荷载应力的因素及规律，并参照规范对温度应力和疲劳应力进行分析。 2 、短路段路面结构组合设计。通过对短路段特点的分析，确定短路段路面合理的 结构形式，并分析路面结构层之间设置粘结层的作用，根据其作用研究相应的技术要求。 3 第一章绪论 3 、钢纤维混凝土配合比设计及路用性能研究。根据钢纤维混凝土的基本理论，结 合相关规范，确定钢纤维混凝土的配合比；研究钢纤维混凝土不同龄期、不同钢纤维掺 量下的抗折强度和抗压强度的变化规律及抗折弹性模量和收缩性能，同时为改善混凝土 的路用性能，研究减水剂对钢纤维混凝土强度的影响。 4 、钢纤维混凝土路面的施工工艺。根据短路段的特点，研究短路段处钢纤维混凝 土路面的施工方式和施工机械，同时对材料的存放进行研究，并参照普通水泥混凝土路 面的施工工艺，研究短路段钢纤维混凝土路面的施工工艺。 5 、短路段的工程质量评价。对短路段进行工程质量评价时，检测数量偏少，评价 结果可靠性不高，为使短路段的评价更加科学合理，采用数理统计的方法研究样本最小 容量，并对压实质量、弯沉、平整度、厚度和路基路面几何尺寸等的评价展开研究。 4 长安大学硕士学位论文 第二章短路段路面结构分析 与普通路段相比，短路段情况复杂，由下文可知，短路段采用沥青混凝土和钢纤维 混凝土复合式路面，沥青混凝土面层的设计与普通路段相同，因此，本文仅对钢纤维混 凝土板的应力状态采用a n s y s 三维有限元软件进行分析。 2 1 钢纤维混凝土板荷载应力分析 随着现代计算手段的不断提高，有限元法越来越多的运用到了理论分析中。相对于 平面有限元分析方法，三维有限元分析方法能更好地模拟实际的路面结构，其分析结果 也更接近实际的受力特点。目前有许多通用的有限元分析软件，如a n s y s ，a d n i a ， s a p 系列等，本文采用三维有限元程序( a n s y s l o 0 ) 建立模拟试验模型分析短路段路 面结构中钢纤维混凝土板底的弯拉应力状态。 2 1 1 有限元法和a n s y s 软件简介 有限元法是近来应用日渐广泛的数值方法，有限单元法的思想，是在分析模型上将 一个原来连续的物体离散成为有限个具有一定大小的单元，这些单元仅在有限个节点上 相连接，并在节点上引进等效荷载以代替作用于单元上的荷载( 可能是力、温度等) ， 并对某些位置施加约束，建立基本未知量和等效节点荷载之间的基本方程。通过解方程 求得基本未知量。随着计算机技术的发展，有限元理论和应用都得到了极大发展，应用 领域也不断扩大，从以前的弹性力学问题推广到塑性、粘弹性问题，继而又推广到流体 力学、传热学、电磁场等连续介质领域。它可以应用到各种连续介质问题和几乎所有的 场问题【6 】。有限元程序的应用，使计算效率得到极大提高，大大降低了成本。 a n s y s 有强大的有限元分析功能，包括从简单线性静态分析到复杂非线性动态分 析。a n s y s 软件主要包括三个部分：使用前处理模块( p r e 脚) 创建有限元模型、使 用( s o l u t i o n ) 分析计算模块施加荷载进行求解、使用后处理模块( p o s t l 和p o s t 2 6 ) 进行结果分析。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便 地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析) 、流 体动力学分析、电磁场分析、声场分析以及多物理场的藕合分析，可模拟多种物理介质 的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线 显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看 到结构内部) 等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软 件提供了1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料【7 , g , 9 】。 5 第_ - - 章短路段路面结构分析 2 1 2 荷载应力计算模型 根据下文对短路段路面结构的分析可知：面层为沥青混凝土( a c ) 加钢纤维混凝 土( s f r c ) 复合式结构，基层多采用水泥稳定碎石，因此，本章进行有限元计算分析 时，所采用的结构模型共计四层( 沥青混凝土面层、钢纤维混凝土板、水泥稳定碎石基 层、土基) ，如图2 1 所示。 沥青混凝土面层 钢纤维混凝土板 水泥稳定碎石基层 土基 图2 1 路面结构模型 l 、单元的选用 有限元分析模型的各层单元都选用8 节点三维等参单元：s o l i d4 5 单元。单元的 每个节点都有3 个自由度_ i 、u y 和u z 。 2 、计算模型假设 考虑到实际受力情况，对a c + s f r c 复合式路面结构应力分析时，作如下假定： ( 1 ) 各层是连续、均匀、各向同性的线弹性体，其位移和形变是微小的； ( 2 ) 各层层间竖向应力和位移均连续； ( 3 ) 土基底面完全约束，土基侧面水平方向约束；沥青混凝土层和钢纤维混凝土 层在两端横截面上水平方向约束，在两侧侧面上不约束； ( 4 ) 由于路段短小以及钢纤维混凝土的特性，不考虑钢纤维混凝土板的接缝； ( 5 ) 不计路面结构自重影响。 3 、材料参数 有限元分析计算时，道路各结构层参数回弹模量、泊松比、厚度均取常用数值， 具体数值见表2 1 。 表2 1 道路结构层材料参数 结构层回弹模量( m p a )泊松比厚度h ( c m ) a c1 2 0 0o 2 5l l s f r c3 0 0 0 0o 1 52 4 水泥稳定碎石基层 1 5 0 0 o 2 03 9 土基3 00 3 5 3 0 0 6 k 业太学砸十学位论立 4 、力学模型 在复合式蹄嘶的研究中，有艘兀方法得到r 广泛使用，我国广大的道路研究者拒各 个时期利用了各种有限元软件对加铺层问题进行了探讨。周寓杰、孙立军聚用三维有限 元( a d i n a ) 分析方法时反射裂缝的产生过程进行了分析mi i , ”】：曹东伟、胡长顺 采用有限元法对旧水泥混凝土路皿沥青加铺接进行了力学分j j f i i ”i ；周志刚、张起森利用 基下线弹性断裂力学的平面应变有限元方法，模拟加筋材料的薄膜单元和模拟结构层层 问结合状态的界面单元，对土上加筋材料阻止沥青路面反射裂缝的桥联增韧效应进行分 析1 1 。”1 ；周德云、姚祖康采用三维宅间有限元力学模型，分析了旧水泥混凝土路面沥青 加铺层产生反射裂缝的机理【1 ”l 。已有的研究提供了很多建立有限元模型的经验1 9 , 2 0 2 。12 ”。总结起来，二维方法计算行车荷载作用下的结构层应力状态严重失真，三维有限 元力学模型更加符合实际。 由于路段短，s f r c 板可不考虑横缝，因此，采用一块扳进行分析，计算模型如图 22 所示。 图2 2 计算模型图 2 l3 荷载面边长与临界荷位 模型计算分析时采用了b z z - - 1 0 0 标准轴载，轴重1 0 0 k n ，轮压o7 m 8 ，双轮中心 距3 2 c m ，轮距1 8 2 c m 。为了便于有限元分析，将一侧双轮荷载简化为当量的方形均布 菏载，其当量边长为： 第二章短路段路面结构分析 拈，旦：1 8 9 c m v4 p 式中：d 方形荷载当量边长； p - 轴重，1 0 0 k n ； 广轮压，0 7 1 v 口a 。 为使计算结果精确，我们将方形荷载面等分为四，其边长变为当量边长的一半，即 为9 4 5 c m 。 车辆驶经复合式路面结构的不同部位时，结构层中会产生不同的应力。在各种设计 方法中，为了简化计算工作，通常选取一个使路面结构产生最大损坏的荷载作用位置( 称 之为临界荷位) 。根据公路水泥混凝土路面设计规范( 盯gd 4 0 2 0 0 2 ) ，选取混凝土 板的纵向边缘中部作为产生最大荷载和温度梯度综合疲劳损坏的临界荷位，因此，本文 选取s f r c 板的纵向边缘作为临界荷位。 2 1 4 荷载应力有限元分析 a c + s f r c 复合式路面结构中，s f r c 板是主要的承重层，a c 层主要作为表面功能 改善层。 复合式路面结构荷载应力分析时，重点在于分析计算s f r c 板底的最大弯拉应力， 本节将对标准轴载作用在临界荷位时，板底最大弯拉应力( 荷载应力) 进行计算分析。 1 、s f r c 板厚对荷载应力的影响 对于a c + s f r c 的复合面层，作为表面功能层的a c 层，对承载能力贡献不大，但 是a c 层能减小s f r c 板底荷载应力，本文对a c 层厚度吃取0 和l l c m 两种情况进行 计算。 计算时，各结构层参数见表2 1 所示，s f r c 层厚度玩分别取1 8 c m 、2 0 c m 、2 2 c m 、 2 4 c m 、2 6 c m ，计算结果见表2 2 和图2 3 。 表2 2 板厚不同时标准轴载下的荷载应力 荷载应力盯芦( m p a ) s f r c 板厚吃( e r a ) 吃= o吃= l l c m 1 81 6 51 4 8 2 01 4 91 3 7 2 21 3 31 2 2 2 41 2 01 1 l 2 61 0 91 o l 8 长安大学硕士学位论文 由图2 3 可以清晰看出： ( 1 ) 标准轴载在临界荷位处的荷载应力随着s f r c 板厚的增加逐渐减小，且板厚 每增加2 c m ，荷载应力减小约1 0 ，说明s f r c 板厚对荷载应力的影响较大； ( 2 ) 设置a c 层后，s f r c 对应厚度的荷载应力还是有所减小的，增加l l c m 厚的 a c 层后，荷载应力平均减小了约9 。 2 、a c 层厚度对s f r c 板荷载应力的影响 计算时基本参数不变，即见= 2 4 c m ，而吃在5 1 7 c m 变化，分析a c 层厚度对s f r c 板荷载应力的影响，结果见表2 3 和图2 4 。 表2 3 九变化时标准轴载下的荷载应力 a c 层厚度吃( c m )荷载应力仃声( m p a ) 51 1 7 8 1 1 4 l l1 1 l 1 41 0 7 1 71 0 3 图2 4 荷载应力随吃变化趋势 9 第二章短路段路面结构分析 由图2 4 可以得出以下结论： ( 1 ) s f r c 板厚一定时，s f r c 板底应力随着a c 层厚度的增加而减小，a c 层厚 度增加幅度相等时，s f r c 板底应力折减度基本一致； ( 2 ) a c 层每增加3 e m ，荷载应力减小约3 2 ，相比s f r c 板厚来说，a c 层厚度 的影响较小。 3 、a c 层回弹模量对s f r c 板荷载应力的影响 a c 层回弹模量( 在5 0 0 a 2 5 0 0 a 范围内变化) 对s f r c 板底应力的影响，见 表2 4 和图2 5 。 表2 4a c 层回弹模量变化时标准轴载下的荷载应力 a c 层模量e i ( m p a ) 荷载应力仃p ( m p a ) 5 0 0i 1 3 1 0 0 01 1 l 1 5 0 0 1 0 9 2 0 0 01 0 7 2 5 0 01 0 5 由图2 5 可以得出以下结论： 当a c 层和s f r c 板厚度一定时，s f r c 板底应力随着a c 层回弹模量的增加而呈 线性递减，且a c 层回弹模量每增加5 0 0 m p a 相应的s f r c 板底应力减少约1 8 ，这说 明a c 层回弹模量的变化对s f r c 板底应力的影响较小，可忽略不计。 4 、基层回弹模量对s f r c 板荷载应力的影响 计算时基本参数不变，分析基层回弹模量在1 1 0 0 1 9 0 0 m p a 范围变化时，s f r c 板 底应力的变化，结果见表2 5 和图2 6 。 1 0 长安大学硕士学位论文 表2 5 基层回弹模量变化时标准轴载下的荷载应力 基层回弹模量( m p a ) 荷载应力仃声( m p a ) 1 1 0 01 1 9 1 3 0 01 1 l 1 5 0 01 0 4 1 7 0 00 9 7 1 9 0 0o 9 l 图2 6 荷载应力随基层回弹模量变化趋势 由图2 6 可以得出以下结论： s f r c 板底应力随着基层回弹模量的增加而递减，基层回弹模量每增加2 0 0 m p a ， 荷载应力减小了7 ，因此，基层回弹模量对板底应力的影响较大，选择处理好基层， 提高基层回弹模量对路面的使用至关重要。 5 、土基回弹模量对s f r c 板荷载应力的影响 分析土基回弹模量在2 5 m p a 4 5 a 范围内变化时，s f r c 板底应力的变化，结果 见表2 6 和图2 7 。 表2 6 土基回弹模量变化时标准轴载下的荷载应力 土基回弹模量( m p a ) 荷载应力盯芦( m p a ) 2 5 1 1 3 3 01 1 l 3 51 1 0 4 01 0 9 4 51 0 8 第二章短路段路面结构分析 图2 7 荷载应力随土基回弹模量变化趋势 由图2 7 可以得出以下结论： s f r c 板底应力随着土基回弹模量的增加而递减，土基回弹模量每增加5 m p a ，荷 载应力减小约1 1 ，说明土基回弹模量越高对板的承载越有利，因此应严格控制土基 压实，增加土基回弹模量，提高道路的使用质量。 综上所述，a c 层对s f r c 的荷载应力影响较小，尤其是a c 层回弹模量的影响可 以忽略不计；板厚、基层回弹模量对s f r c 的荷载应力影响较大，因此，合理的板厚和 基层类型可延长道路的使用寿命，土基回弹模量的变化对s f r c 的荷载应力影响不如基 层回弹模量大，但土基给整个路面结构提供支撑，应严格控制土基压实，增加土基回弹 模量，提高道路的使用质量。 2 2 钢纤维混凝土板温度应力分析 路面结构完全处于自然环境的影响中，经受着持续变化的大气影响，如太阳辐射及 外界气温的影响。太阳辐射的一部分从路表面被反射，余下的部分被吸收并转为热能。 这部分热能与外界气温相叠加，由此产生了可观的路表温度，在热传导作用下，沿路面 厚度向温度较低处传导。在一天内不断变化的表面温度，使路面结构内产生了不稳定热 流。道路使用的长期实践使人们逐渐认识到路面温度状况可能对路面结构的强度和使用 效果带来严重危害。从力学上分析，由于路面结构内的不稳定热流，路面结构的每一部 分都将随着温度的升高或降低而趋于膨胀或收缩，但由于层状路面结构各部分之间的相 互约束，这种变形不能自由发生，于是就产生了温度应力，当温度应力与荷载应力之和 超过路面结构材料的抗拉强度时，路面就开裂【2 3 1 ，因此，本文对s f r c 板的温度应力进 行分析。 在s f r c 上铺筑a c 层后，对s f r c 板温度应力的影响因素主要有a c 层的厚度、 1 2 长安大学硕士学位论文 模量以及s f r c 板厚，本文参照公路水泥混凝土路面设计规范( j t gd 4 0 - - - 2 0 0 2 ) ( 以 下简称“设计规范) 中加铺a c 层的混凝土板的应力分析计算公式【式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 】， 对s f r c 板的温度应力进行分析。 仃咖= ( 1 + 善7 艺) 仃拥 ( 2 1 ) 仃加：型! 丝e (一一)9 22 仃加2 上6 l l ) 式中：仃咖有a c 层的混凝土板临界荷位处温度应力( a ) ； 仃咖最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力( m a ) ； 口。混凝土的线膨胀系数( 1 ) ，通常可取为lx1 0 4 ； e 铜纤维混凝土的弹性模量，计算时取3 x1 0 4 m p a ； t 广最大温度梯度( m ) ； 曰。综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数； 本文选取吃= o 和h o = l l c m 两种情况下，不同s f r c 板厚对s f r c 板温度应力的影 响( 当h o = 0 时，取t g - - - 9 0 。c m ，当h o = l l c m 时，取t g - - 4 0 。c m ) ，计算所用参数的取 值与荷载应力计算时相同，计算结果如表2 7 和图2 9 所示。 由图2 9 可以看出： ( 1 ) 温度应力随着s f r c 板厚的增加逐渐减小。当h o = o 时，板厚每增加2 c m ，温 度应力减小约0 9 ，当h o = l l c m 时，板厚每增加2 c m ，温度应力减小约1 3 ； ( 2 ) 设置1 1 c m a c 层后，s f r c 对应厚度的温度应力减小，温度应力平均减小约 5 2 ，说明a c 层对s f r c 板的温度应力的折减效果很明显。 表2 7 板厚不同时板内温度应力 温度应力盯棚( m p a ) 板厚吃( 锄) 吃卸h o = l l c m 1 81 9 6 50 9 5 0 2 01 9 6 20 9 4 5 2 21 9 6 00 9 4 6 2 41 9 4 40 9 3 2 2 61 8 9 50 9 0 3 1 3 第二章短路段路面结构分析 图2 9 板内温度应力随板厚变化趋势 2 3 钢纤维混凝土板疲劳应力分析 水泥混凝土路面结构设计以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为设 计的极限状态，其表达式采用式( 2 3 ) ： ，( 仃，+ 仃护) 六 ( 2 3 ) 式中：以可靠度系数，依据设计目标可靠度及变异水平等级取1 3 ； q ，标准轴载p s 在临界荷位处产生的荷载疲劳应力( a ) ； 温度疲劳应力( i v l p a ) ； ，钢纤维混凝土弯拉强度标准值。 荷载疲劳应力按式( 2 4 ) 计算： 仃= k r k i k 。仃 ( 2 4 ) 式中：t 考虑接缝传荷能力的应力折减系数，由于纵缝为不设拉杆，则t = 1 o ； 七考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数，高速公路 k c 1 3 0 。 后，考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数，按式( 2 5 ) 计 算确定； k f = 孵 ( 2 5 ) 式中：札设计基准期内标准轴载累计作用次数； v 与混合料性质有关的指数，钢纤维混凝土按式( 2 6 ) 计算确定。 1 4 长安大学硕士学位论文 忙o 0 5 3 扎乃号 ( 2 6 ) 温度疲劳应力按式( 2 7 ) 计算： = 也 ( 2 7 ) 式中：盯拥最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力( a ) ； 后，考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力系数，按式( 2 8 ) 确定。 也= 五仃- l ts , ；。一6 r 泣8 ) 式中：a 、b