（道路与铁道工程专业论文）连续配筋水泥混凝土路面温度应力研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本文所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 研究生签名：期：叫? ：够 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：4 复幺丝 导师签名 1 一 摘要 摘要 连续配筋水泥混凝土路面( c r c p ) 是在纵向连续配置足够数量的钢筋、施工时不设接 缝的种高性能混凝土路面结构。它消除了普通水泥混凝土路面的横向接缝，具有极其 显著的优点，能够适应目前公路交通运输日益大流量、重型化的发展趋势，应用前景广 阔。 温度是控制c r c p 设计及影响其正常使用性能的一个关键性因素，本文以有限元法 为基础，通过a b a q u s 软件进行了大量的计算，分析了c r c p 浇注后期形成的单独板 对温度荷载的响应问题，获得了相关参数变化对路面温度应力的影响规律。论文进行了 模型建立、温缩应力分析、翘曲应力分析、温度应力简化公式提取和沥青混凝土+ 连续 配筋水泥混凝土路面( a c + c r c p ) 复合式路面的温度场分析。 通过广泛查阅国内外相关文献，参考已有的计算模型，建立了适应于本文研究内容 的模型，并作了大量的试算验证。这一步骤主要涉及到地基类型的确定、材料界面以及 材料参数的选取。 温缩应力中，根据已有的双线性地基模型，分析了地基摩擦阻力对c r c p 温缩应力 可以忽略的原因。通过建立钢砼粘结刚度系数向弹簧刚度系数的转化关系式，以弹簧单 元模拟钢砼粘结，进行了无地基摩阻情况下c r c p 单独板的温缩应力参数敏感性分析。 翘曲应力分析中，分别以完全粘结和三向弹簧模拟钢砼粘结，分析了w i n k l e r 地基 和弹性半空间体地基两种模式下的c r c p 翘曲应力，考察了各参数对弹性半空间体地基 下c r c p 翘曲应力的影响。结果表明，c r c p 单独板段与其同尺寸的j c p 相比，钢筋的 加入并不改变板内的翘曲应力值。 应用正交试验设计和多元统计回归方法，逐步回归得到了包含五个变量的温缩应力 计算公式，并进一步提出了温度疲劳应力计算公式。 最后，模拟了a c + c r c p 复合式路面的温度场传布，分析了a c 层对c r c p 层温度 分布的影响。 关键词：连续配筋水泥混凝土路面( c r c p ) ；有限元；温度应力；正交试验；多元回归 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n t i n u o u s l yr e i n f o r c e dc o n c r e t ep a v e m e n t ( c r c p ) i so n eo fh i g hp e r f o r m a n c e p a v e m e n ts t 】眦t l l r e sw i t he n o u g hc o n t i n u o u s l ys t e e lb a r si nt h el o n g i t u d i n a ld i r e c t i o n w i t h t h ee x c l u s i o no ft r a n s v e r s ee x p a n s i o no rc o n t r a c t i o nj o i n t so fp o r t l a n dc o n c r e t ep a v e m e n t ，i t s o u t s t a n d i n ga d v a n t a g e sq u a l i t i f yc r c pt o t h et r e n do f h i g h w a yt r a n s p o r t a t i o n o f c o n t a i n e r i z a t i o n ，h e a v yl o a da n dl a r g et r a f f i cv o l u m e t h e r e f o r e ，c r c ph a sav a s ta p p l i c a t i o n i nt h ef u t u r e t e m p e r a t u r ei sak e yf a c t o rw h i c ha f f e c t sc r c p sd e s i g np r o c e s sa n dn o r m a l p e r f o r m a n c e b a s e do nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a n ds o f t w a r ea b a q u s ，r e s p o n s eo f c r c ps l a b st h a tf o r m e di nt h el a t e rp e r i o dt ot e m p e r a t u r el o a di s a n a l y z e db ym e a n so f h i g h v o l u m ec o m p u t a t i o n t h e n , l a wo fp a r a m e t e r si n f l u e n c eo nt h e r m a ls t r e s si so b t a i n e d 1 1 1 ep a p e rc o n d u c t e dt h ea n a l y s i so fm o d e le s t a b l i s h m e n t ，t h e r m a ls t r e s su n d e ru n i f o r m t e m p e r a t u r ec h a n g ea n db u c k l i n gd e f o r m a t i o n , e x t r a c t i o no fs i m p l i f i e df o r m u l ao ft h e r m a l s t r e s sa n dt e m p e r a t u r ef i e l do fa s p h a l tc o n c r e t e + c o n t i n u o u s l yr e i n f o r c e dc o n c r e t e ( a c + c r c ) c o m p o s i t ep a v e m e n t t h r o u g he x t e n s i v ea c c e s st od o m e s t i ca n df o r e i g nl i t e r a t u r e ，a sw e l la st h ee x i s t i n g c a l c u l a t i o nm o d e l ，a na p p r o p r i a t em o d e ls u i t e df o rr e s e a r c hc o n t e n t si se s t a b l i s h e d n l i ss t e p i sm a i n l yr e l a t e dt ot h ed e t e r m i n a t i o no ft h ef o u n d a t i o n t y p e ，i n t e r f a c es i m u l a t i o na n d p a r a m e t e rs e l e c t i o no fm a t e r i a l s a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tb i l i n e a rm o d e lo fs l a b b a s ef r i c t i o n a ls t r e s s s l i p p a g er e l a t i o n ， t h er e a s o ni si l l u s t r a t e dw h yi n f l u e n c eo fb a s ef r i c t i o nf o r c eo nc r c pu n d e ru n i f o r m t e m p e r a t u r ed r o pc o n d i t i o nc o u l db en e g l e c t e d e q u i v a l e n tc o n v e r s i o nf o r m u l af r o mb o n d s l i p s t i f f n e s st o s p r i n gs t i f f n e s sc o e f f i c i e n ti se s t a b l i s h e dt os i m u l a t et h eb o n d - s l i pr e l a t i o n b e t w e e ns t e e la n dc o n c r e t e ，t h u s ，p a r a m e t e rs e n s i t i v i t ya n a l y s i so fc r c pb l o c ku n d e rn ob a s e f r i c t i o ni sc o n d u c t e d i nt h et h e r m a lw a r p i n gs t r e s s a n a l y s i s ，t w om e t h o d s o fc o m p l e t e l yb o n d e da n d t h r e e d i m e n s i o ns p r i n ga r eu s e dt os i m u l a t et h eb o n d - s l i pr e l a t i o nb e t w e e ns t e e la n dc o n c r e t e c r c pw a r p i n gs t r e s su n d e rw i n k l e rf o u n d a t i o na n de l a s t i cs e m i i n f i n i t ef o u n d a t i o ni s a n a l y z e d ，a n dp a r a m e t e r s i n f l u e n c eo nc r c pw a r p i n gs t r e s su n d e re l a s t i c s e m i i n f i n i t e f o u n d a t i o ni si d e n t i f i e d c o m p a r e dw i t ht h es a l n es i z eo ft h ej c p t h er e s u l t ss h o wt h a ts t e e l d o e sn o tc h a n g et h e r m a lw a r p i n gs t r e s ss t a t u so fc r c pc o n c r e t eb l o c k o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g na n dm u l t i v a r i a t es t a t i s t i c a lr e g r e s s i o nm e t h o d sa r ea l s o a d o p t e d f o r m u l ai n c l u d e df i v ev a r i a b l e sf o rc a l c u l a t i n gc r c pt e m p e r a t u r ec o n t r a c t i o ns t r e s s i so b t a i n e db yu s i n gs t e p w i s er e g r e s s i o n t h e n ，t h et e m p e r a t u r ef a t i g u es t r e s sf o r m u l ai s r a i s e d a tl a s t ，t e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o ns i m u l a t i o no fa c + c r cc o m p o s i t ep a v e m e n t e x p l a i n si n f l u e n c eo f a cl a y e ro nc r c e k e yw o r d s ：c o n t i n u o u s l yr e i n f o r c e dc o n c r e t ep a v e m e n t ( c r c p ) ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ；t h e r m a ls t r e s s ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a l ；m u l t i v a r i a t es t a t i s t i c a lr e g r e s s i o n i l 1 一一 目录 第一章绪论1 1 1 问题的提出。1 1 2 国内外应用情况和c r c p 温度应力研究现状3 1 2 1 国内外应用情况3 1 2 2 国内外c r c p 温度应力研究现状5 1 3 连续配筋路面温度应力。6 1 3 1 早期温度应力6 1 3 2 后期温度应力8 1 4 研究内容及技术路线8 第二章c r c p 有限元模型的建立1 0 2 1 有限单元法概述1 0 2 2 温度应力分析的有限元基本理论1 0 2 3 连续配筋水泥混凝土路面有限元模型的建立1 2 2 3 1 地基模型选取1 2 2 3 2 钢筋与洮凝十之问的界面1 3 2 3 3 混凝土板和地基之间的界面13 2 3 4 各种材料参数的选取1 4 2 3 5 有限元模型的确立1 4 2 4 本章小结1 4 第三章c r c p 温缩应力分析1 5 3 1 温缩应力理论解析解l5 3 1 1 地基影响15 3 1 2 无地基摩阻温度应力解析解。1 6 3 2 温缩应力计算模型1 7 3 2 1 单板条计算模型1 7 3 2 2 模型验证。1 8 3 3 参数敏感性分析19 3 3 1 路面板宽度对温缩应力的影响1 9 3 3 2 裂缝间距对温缩应力的影响2 0 3 3 3 粘结刚度系数对温缩应力的影响2 1 3 3 4 配筋率对温缩应力的影响2 2 3 4 本章小结2 3 第四章c r c p 翘曲应力分析2 4 4 1 翘曲应力理论解析解2 4 4 2 模型说明2 5 4 3 两种地基情况下的素板应力比较2 6 4 _ 3 1w i n k l e r 地基f 素板的理论与数值解的对比分析2 6 4 3 2 两种地基模式下素板受力的数值比较2 8 4 4w i n k l e r 地基下钢筋对c r c p 温度翘曲应力的影响3 0 4 5 弹性半空间体地基下钢筋对c r c p 温度翘曲应力的影响3 l 4 5 1 植入方式处理钢砼粘结3l 4 5 2 弹簧方式处理钢砼粘结3 3 4 5 3c r c p 板翘曲应力影响因素验证3 6 4 6 本章小结4 0 i h 录 目 t 一 愀要埘摘龇 东南大学硕士学位论文 第五章c r c p 温度应力简化公式4 1 5 。1 正交设计方法4 1 5 1 1 正交试验的几个基本概念。4l 5 1 2 正交表选择4 l 5 1 3 正交试验的数据处理方法4 2 5 2 多元统计回归分析方法4 4 5 2 1 多元线性回归的参数估计。4 5 5 2 2 回归模型的检验方法。4 5 5 3 温缩应力简化公式回归4 7 5 3 1 单变量单因素回归4 8 5 3 2 单变量多因素回归5 1 5 4c r c p 温度应力简化公式。5 3 5 5 本章小结5 4 第六章c r c + a c 复合式路面温度场分析5 5 6 1 路面温度场分析基本原理。5 5 6 2c r c + a c 复合式路面温度场有限元分析5 7 6 3 本章小结6 l 第七章结论与展望。6 2 7 1 主要研究成果6 2 7 2 进一步研究的问题。6 3 致谢6 4 参考文献6 5 就读硕士期间发表的论文。6 7 lllllllilflllllll【lllliiilllllllcllilllllll【illllllillllllllllllllllllllllliilllilllllllllilllllllllllllllliiililllllllil卜 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 从二十世纪九十年代起，我国掀起的高等级道路建设热潮大大推动了交通事业的发 展，同时交通基础设施的改善也反过来促进了国家经济的大发展。高等级公路特别是高 速公路在我国的主要应用类型有两种：水泥混凝土路面和沥青混凝土路面。 沥青路面具有可分期修建、平整度好、行车舒适、易于修复等优点，在我国的高速 公路上广泛使使用。但沥青混凝土路面温度敏感性较高，在夏季高温下易发生推挤拥包、 泛油等现象。随着交通量的日益增长，超载现象严重，大多数沥青路面在使用数年后也 普遍大面积出现车辙、疲劳开裂等病害，使得高速公路提前进入大规模的养护维修期。 不配筋的素混凝土路面在早期强度形成和使用过程中，由于混凝土中温度和湿度的 变化，体积发生膨胀或收缩，若混凝土路面的变形受到很大约束，势必产生混凝土路面 板断裂或破坏，造成不规则裂缝。因此，在水泥混凝土路面施工中必须人为控制板长， 预留伸缩缝。然而各种接缝就成为了路面的薄弱位置，路面易产生行车跳动、唧泥、错 台、拱起等病害。 连续配筋水泥混凝土路面( c r c p ) 是高性能混凝土路面的重要类型之一，其纵向连续 配置足够数量的钢筋，施工时不设接缝，但在降温和干缩作用下会产生许多横向随机裂 缝。由于钢筋的约束作用，c r c p 的裂缝能继续保持紧密接触，使裂缝宽度很小，确保 了荷载的传递，防止雨水侵入锈蚀钢筋，就如同无缝的路面一样。c r c p 适用于重交通 高等级道路，与普通混凝土路面相比，c r c p 具有以下优剧： ( 1 ) 消除了横向接缝，极大地提高了混凝土路面的平整度，改善了行车舒适性。国 外曾用a p l 仪对不同类混凝土路面的平整度进行对比研究，结果表明有接缝路面的平 整度远不如c r c p 好。 ( 2 ) 连续配置的钢筋提高了裂缝处的传荷能力，改善了板角与板边的工作状态，减 弱了荷载冲击对板的破坏作用，增加了路面的整体性，提高了路面的承载能力。 ( 3 ) 由于c r c p 不设接缝，使基层避免了水的渗入、冲刷与侵蚀，接缝类病害比普 通混凝土路面大大减少，因此养护与维修费用较低。 ( 4 ) c r c p 初期投资较高，但使用寿命长，且养护费用很少，从长远来看是经济合 理的。 c r c p 除了具有行车舒适，承载能力高，经久耐用，养护维修少等显著优点外，在 某些特殊条件下更能显示出其它路面无法比拟的优越性。以许昌试验路为例，该路段是 晋煤南运的必经之路，由于超载非常严重( 可达2 3 倍) ，原有混凝土路面在使用中出现 了严重损坏，虽然年年挖补，但病害却越来越严重，难以控制。9 7 年改建为c r c p 后， 路面病害得到了彻底根治，到2 0 0 1 年试验路未出现任何病害。铜川试验路则处于水文 东南大学硕士学位论文 地质条件较差的路段，原路面曾在8 5 年改建为沥青路面，产生严重病害后于8 9 年又改 建为水泥混凝土路面，未使用几年又发生严重破坏。9 6 年改建为连续配筋混凝土路面， 到2 0 0 1 年使用良好，未发现任何病害，这表明在超重载交通和水文地质不良的等特殊 条件下，c r c p 更具明显优势。 此外，a c + c r c p 复合式路面结构，以c r c p 作为承重层，用沥青混合料面层改善 路面的服务性能，既有c r c p 路面承载力高，使用寿命长，抗车辙能力强的特性，又有 沥青路面行车舒适、噪音小和易养护的优点。 国外对c r c p 的应用研究起步比较早，其中以美国和比利时为代表，对c r c p 的应用 与理论研究取得了许多可喜的成果。美国在2 0 世纪6 0 年代与7 0 年代，在全国各地对连续 配筋混凝土路面的设计原理与设计方法进行了系统的研究，目前其连续配筋混凝土路面 设计方法是在a a s h t o 试验路观测资料提出的混凝土路面的设计方法基础上经过若干 修正后得到的。它以路面实测获得一些经验性的结论，然后在此基础上经过力学分析形 成成套的c r c p 设计理论。a a s h t o 2 0 0 2 即是一个相对完善的阶段性成果，它以 p u n c h o u t m l 为极限状态设计指标来指导c r c p 设计，但由于国外的气候环境和车辆轴载等 情况与国内的不同，经验性结论也就表现出其自身局限性，导致了国内应用不能简单地 照搬国外已有研究成果。 国内从第一条c r c p 路面是1 9 8 9 年在江苏盐城铺筑的，距今冈u n u 2 0 年，并且一直到 现在，大型c r c p 实体工程也不多见，也就缺乏对c r c p 路面的相关数据收集，阻碍了 c r c p 设计理论的成形。国内现行c r c p 设计规范很大程度上是参考一些老的国外c r c p 设计规范，并部分借用j c p 设计方法而来，显然是存在比较大的不足的。在国内新一轮 的道路新建改建的大背景下，c r c p 以其特殊的优势势必拥有比较广阔的应用前景，因 而有必要对c r c p 设计相关理论体系做更进一步的研究，用来指导工程实际建设。 c r c p 和一般混凝土路面受力关键问题都是处理混凝土板体受力和板体缝喇刮的问 题。一般水泥混凝土路面的设计研究，专门针对的是行车和温度荷载综合作用产生的疲 劳断裂破坏。而目前关于c r c p 的研究，基本上是基于这样的一种认识：c r c p 浇注完 成之后，由于水泥浆特性、荷载以及约束作用，混凝土肯定要裂，那么c r c p 的研究也 就是在承认裂缝会发生的基础上进行有关裂缝控制的问题研究，比方说配筋率、配筋层 位选择、裂缝宽度和裂缝间距等等。美国相关c r c p 研究者认为c r c p 路面在形成比较 窄的横向板条之后，由于地基脱空及行车荷载的反复作用使距板边较近的地方出现纵向 裂缝，横纵缝所共同包围板体的服务性能下降到一定地步即p u n c h o u t 破坏。p u n c h o u t 考虑温度的影响主要是横缝的产生以及纵缝形成过程中板的翘曲问题”1 。 可见在进行c r c p 研究的时候，不管认定什么样的极限状态或是设计过程，温度研 究问题都是一个不可回避的问题。c r c p 设计中设计配筋率和配筋方式是为最重要的因 素，这一因素刚好是由温度荷载控制。一些研究表明，路面的温度应力甚至超过荷载应 力而成为路面破坏的最主要因素，因此，研究c r c p 的温度应力与变形具有十分重要的 意义【5 】o 2 第一章绪论 1 2 国内外应用情况和c r c p 温度应力研究现状 1 2 1 国内外应用情况 ( 1 ) 国外应用情况 在欧美国家高速公路网中，水泥混凝土路面总量占5 0 左右，且绝大多数水泥混凝 土路面使用现状达到了设计要求。典型的欧美水泥混凝土路面有3 种：普通水泥混凝土 路面、钢筋混凝土路面、连续配筋混凝土路面。早期修建的大多为普通水泥混凝土路面， 2 0 世纪8 0 年代以来c r c p 以其良好的使用性能得到了广泛的应用。 最早应用c r c p 的国家是美国。2 0 世纪2 0 年代美国在马里兰州铺筑了第一条c r c p ； 1 9 3 8 年在印第安纳州对c r c p 开展了较系统的试验研究，修筑了一段纵向配筋率各不相 同的c r c 试验路。之后，许多州进行了大规模的c r c p 工程。现在c r c p 已广泛用于美国 的干线公路和机场道面。经过长期使用后，c r c p 仍表现出良好的使用性能，如在伊利 诺斯州的e d c n s 高速公路上，1 9 7 8 年重建路面时采用了c r c p ，至u1 9 9 6 年该路面已达到其 设计的累计轴载，然而直n 2 0 0 1 年，3 0 英里的路面上累计只修补过1 0 处，路面状况仍然 良好。 比利时在5 0 年代修筑了c r c p 试验路，随后又做了进一步的试验。1 9 7 0 年开始，c r c p 被推荐应用于主要的公路。在1 9 7 0 - 1 9 9 0 年期间，比利时大约修建了1 8 0 0 万平方米的 c r c p 。1 9 8 1 年以后，所有高速公路都采用c r c p 的结构形式。 英国1 9 7 5 - - 一1 9 8 3 年在总长2 7 公里的4 段公路上铺筑了c r c p ，1 9 7 9 年和1 9 8 1 年在营运 中的两段道路上进行了c r c 试验路。1 9 8 9 年，英国在一段三车道4 8 公里长的软土地基上 修筑了c r c p 。现在，在英国采用c r c p 结构较为普遍。 法国于1 9 8 3 年在巴黎东南部的道路重建工程中，第一次采用了c r c p 。1 9 8 5 至1 j1 9 9 1 年间，法国共修建了2 0 多条c r c p ，包括重建或新建工程。现在已经广泛用于高速公路 和其他重交通道路的新建和补强工程中。 澳大利亚第一条c r c p 修筑于1 9 7 5 年。1 9 7 5 年以后，在刚性路面的总里程中，c r c p 约占2 0 。此外，加拿大、意大利、西班牙、日本、泰国等很多国家都修筑了c r c p 。 许多国家将c r c p 应用于国道、汽车专用道路和城市道路，特别是高速公路和重要道路。 对于c r c + a c 复合式路面的使用，主要是在荷兰。荷兰修筑了许多c r c p ，一般认 为应把c r c p 修在重载高等级公路上，尤其在使用了多孔沥青磨耗层之后，c r c p 在荷兰 主要道路上被强制应用。他们采用的结构( 从下至上) 一般是水泥处治基层+ 沥青粘结 层+ c r c p + 沥青磨耗层，而并不直接用c r c p 作面层。 在英国，c r c + a c 复合式路面是四种典型混凝土路面结构之一。 其他许多国家也使用c r c + a c 复合式路面，但主要还是针对旧c i 犯p 上加铺沥青混 合料面层的情况。如美国在旧的c r c p 上加铺沥青层，认为沥青混合料加铺层能够保护 旧路面结构免受荷载、环境等因素的破坏，延长路面的使用寿命，并提供足够的路面表 面功能。 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 国内应用情况 我国c r c p 应用较晚，东南大学、长安大学和长沙理工大学等科研机构进行了c r c p 试验路和实体工程的研究工作p 1 。 1 9 8 9 年9 月，东南大学在江苏省盐城东郊铺筑我国第一条c r c p 试验路。该试验路长 5 0 0 米，2 x 3 5 米两幅，厚0 2 米，纵向钢筋分别布置在板厚1 2 处以及板表面以下7 厘米处。 目前部分横向裂缝间距较短的区域出现较多的纵向开裂，导致了断裂的混凝土与路面分 离，而其他区域使用情况较好。 1 9 9 1 年，长春市郊区长大公路起点到胡家店路段修建了两段c r c p 试验路，一段属 重交通车道，长4 0 5 米；另一段属轻型交通车道，长2 3 4 米。 1 9 9 5 年8 月，东南大学在江苏省沿江新线镇江段铺筑了c r c p 试验路。该试验路长1 公里，宽6 米，板厚分别为2 0 厘米和2 2 厘米。目前整个试验路使用情况良好，未出现明 显的破坏。 1 9 9 6 年，长安大学在陕西铜川境内的2 1 0 国道西包公路上修筑了一段双幅总宽9 米、 厚2 2 厘米的c r c p 试验路。 1 9 9 7 年，河南许昌1 0 7 国道上修筑了宽7 5 米、厚2 4 厘米、总长1 0 公里的c r c p 实体 工程。2 0 0 1 年，京珠高速公路湖南耒阳至宜章段修筑了4 0 1 公里的c r c p 。这是我国目 前规模最大的c r c p 工程，也是我国第一次将c i 托p 应用于高速公路。 2 0 0 3 年，长沙理工大学在g 3 2 5 国道广东恩平东段修筑了c r c p 试验路。该试验路为 旧水泥混凝土路面的改造，其全长1 1 7 公里、宽8 米、厚2 4 厘米。之后在我国又铺筑了若 干条c r c p 的试验路以及实体工程。 在我国建设c r c + a c 复合式路面的时间不长。 2 0 0 1 年，在南京绕城公路马群一东杨坊段老路改造中采用了c r c + a c 复合式路面结 构。该路段长3 公里，目前使用情况良好。 2 0 0 2 年，潭邵高速公路在九个经过岩溶及采空区的路段采用了c r c + a c 复合式路面 结构。其路面结构为( 自下而上) ：岩层2 8 米，填土2 米，水泥碎石层0 3 8 米，c r c p 厚 为0 2 米，a c 层0 15 米。 2 0 0 3 年11 月，东南大学在江苏与上海交界处的花桥铺筑了c r c + a c 复合式路面试 验路。该试验路为沪宁高速公路( 江苏段) 扩建工程先导试验段，全长6 7 0 米、宽1 4 5 米，c r c p 厚2 6 厘米，a c 层厚1 2 厘米，目前使用情况良好。 2 0 0 3 年1 1 月，东南大学在江苏沿江高速公路常熟段铺筑了c i 屺+ a c 复合式路面试验 路，结构为c r c p 长6 1 1 米、厚2 6 厘米，a c 层厚1 0 厘米。 2 0 0 4 年8 月开工的河北张石高速公路，修筑了一段c r c + a c 复合式路面试验路。该 试验路全长1 1 公里、c r c p 宽l o 米、板厚2 7 厘米，a c 层厚1 0 厘米。2 0 0 6 年，宁淮高速公 路的老山隧道采用了c r c + a c 复合式路面结构。该隧道全长3 6 1 0 米，双向6 车道，采用 双洞型式，各宽1 1 7 5 米，c r c p 厚2 0 5 厘米，a c 层厚l o 5 厘米。 从国内现有c r c p 以及c r c + a c 复合式路面使用情况看，总体使用状况较好，能 4 第一章绪论 满足使用要求。但由于经济、地域等方面的限制，国内c r c p 以及c r c + a c 复合式路 面的运用还不是很广泛。 1 2 2 国内外c r c p 温度应力研究现状 ( 1 ) 国外研究情况 1 9 3 2 年v e t t e r 针对连续配筋路面因混凝土干缩和温缩引起的钢筋受力状态，进行了 近似解析分析。研究钢筋和混凝土应力时，不考虑车轮荷载的影响，主要对混凝土固化 过程中水分降低而产生的干缩和温度下降引起混凝土和钢筋体积变化这两种情况进行 了研究，给出了两种状态下最小配筋率的计算公式。 美国p u r d u e 大学的m a r t i nj g u t z w i l l e r 和j o s e p hl w a l i n g 对连续配筋路面进行了室 内模拟试验研究。分析了不同配筋率和竖向荷载对路面板裂缝间距、裂缝缝隙、路面挠 曲变形和钢筋应力变化的影响。室内试验所获得的缝隙宽度变化规律与室外现场路面实 体工程观察到的缝隙变化规律是一致的。 美国t e x a s 大学的s r h u d s o n 和b e m c c u l l o u g h 等研究人员通过大量室内试验和 工程调查分析，并根据当地交通、气候和排水状况等，提出了连续配筋路面设计使用的 诺谟图。1 9 7 5 年通过总结以前的研究成果，提出了用于连续配筋路面敏感性分析的计算 程序，主要分析配筋率和路面厚度对连续配筋路面使用性能的影响，分析模型及其计算 机程序一直在不断地改进，现在已经发展到c r c p 1 0 。c r c p 1 0 的模型中考虑了温度沿 混凝土板的非线性分布、混凝土与钢筋的非线性粘结一滑移、混凝土的粘弹性、翘曲的 影响，并可考虑钢筋埋置深度的影响，并进一步考虑了多轮、多轴、动载情况1 。 o l g as e l e z n e v a 、c h e t a n ar a o 、m i c h a e ld a r t e r 等人针对连续配筋路面的断板破坏， 采用液体地基模型，考虑板边因翘曲及冲刷引起的脱空，分析了板边断裂的产生机理。 进而提出了基于防止断板的连续配筋路面力学一经验设计法。对混凝土板下基层则等效 为混凝土板，这种等效实际上等于默认混凝土板与基层的位移在各个方向上都是完全连 续的，在考虑板底脱空时，成了一个悬在脱空区上方的加厚板，这与实际情况不符。 荷兰的d e n n i sv a i ld e rv e n 、k a r se d r e n t h 等人自1 9 9 7 年开始了一个为期十年的连 续配筋路面长期监测项目，结果表明，沥青中间层与连续配筋路面的粘结强度影响横向 裂缝的间距，粘结越差，裂缝间距越大；裂缝引导措施可解决不规则裂缝的问题。 m a j i d z a d e h 等人运用二维有限元法对沥青加铺层内的应力进行了分析，认为这种路 面的裂缝主要是由于温度变化而引起混凝土板水平位移和翘曲产生的，并提出了计算面 层拉应力的方法。 b f r a n c k 等人分析研究了因温度变化罩面层底部引起的拉应变，车辆荷载通过裂缝 时两块板产生挠度而引起的罩面层剪应变；c c l a u w a o r t 利用有限差分法对沥青加铺层 进行荷载和温度综合作用下的力学分析瞵i 。 ( 2 ) 国内研究现状 从国内外的应用情况来看，连续配筋混凝土路面在国外的应用较多，在我国仅有少 量应用，仍处于探索阶段。关于温度相关研究，大致叙述如下： 东南大学硕士学位论文 王小林1 w 、黄晓明、邓学钧等人于1 9 8 9 年最早开始对连续配筋路面进行了基本理论、 设计方法及试验展开了研究，讨论了裂缝间距和宽度的估算与控制标准，提出了端部位 移、锚固及连续配筋路面设计方法。以保证混凝土与钢筋间共同作用和混凝土应力达到 极限抗拉强度为准则，确定了最佳裂缝间距下限；以控制裂缝处混凝土剥落为准则，对 最佳裂缝间距上限进行了分析；根据水流渗透性和裂缝剥落建立了缝宽控制标准；得到 了裂缝间距和缝宽的上下限范围。 陈云鹤w 、邓学钧将连续配筋路面作为复合材料，利用复合材料力学等理论推导了 连续配筋路面的温度应力，建立了受温度影响时路面板的平衡微分方程组，将地基反力 和板与地基间的摩擦力函数按照切比雪夫多项式展开，得到配筋板的约束变形与应力。 运用流变力学理论，分析了连续配筋路面早期开裂过程，建立了连续配筋路面早期缝宽 的简易计算模型。计算表明配筋率是影响缝宽的主要因素，厚度对缝宽的影响不明显。 高俊启、邓学钧考虑了温度、湿度、荷载等影响因素，分析裂缝的开裂模式和主 要影响因素。结合连续配筋路面试验路的设计和施工，分析了连续配筋路面横向裂缝的 内在机理，研究了裂缝间距和缝宽的计算方法及控制标准。 胡长顺1 、曹东伟、田寅割比1 等在温度应力分析中，建立了考虑钢筋与混凝土间粘 结滑移本构关系的连续配筋路面温度应力计算模型与微分方程，并求得连续配筋路面在 降温和干缩变形作用下的解答，分析了参数的敏感性和混凝土徐变所引起的应力松弛效 应。根据地基与混凝土接触面剪切变形非线性相互作用关系，求得连续配筋路面端部力 学计算的解析解，分析了不同条件下端部连续配筋路面温度应力及其变形，通过分析设 计参数变化对计算结果的影响，提出了端部锚固力计算方法。 李卓“、苏清贵等结合耒宜高速连续配筋路面试验路的调查结果，分析了连续配筋 路面早期横向开裂的影响因素以及成因，为合理控制裂缝间距、缝宽和钢筋应力提供了 参考依据。 卢杨叫等利用有限元方法对连续配筋路面断裂后的板体温度应力进行了计算，分析 了相关结构参数对连续配筋路面温度应力的影响规律。 在已有的c r c p 温度应力研究中，由于理论推导所得的公式过于复杂，成果难于在 实际中应用。且既有的有限元方法在分析了结构参数的影响情况后，拟合公式的设计变 量过于简单，不能较为全面地反映各因素的影响。 1 3 连续配筋路面温度应力 1 3 1 早期温度应力 c r c p 铺筑完成之后，其早期的温度应力发展受到下列因素的影响：早龄期时的 混凝土热力学特性( 水化热和热膨胀系数) ；铺设地的情况( 养护作用) ；环境条件 ( 周围空气和太阳辐射) ；结构几何尺寸( 零应力点) 。 如果结构没有受到约束，随着早期的放热及降温所导致的混凝土伸缩将不会产生应 6 第一章绪论 力。但是，事实上混凝土一定程度上总是受到相应的约束，要么是相邻的外部结构，要 么是结构内部的温度作用。这样，由于这些外加的约束条件，温度改变就会在混凝土内 部产生拉压应力。而关键在于所产生的拉应力是否会产生裂缝。 ( 1 ) 水化热和固化温度 新浇注混凝土的水化过程伴随着热量形式的能量释放，热量释放的速度随时间的不 同而不同。波特兰水泥与水混合的初始阶段会快速放热，接着就会停止1 5 分钟左右。 最主要的放热周期在水泥和水混合几个小时之后，在这个主周期之前，混凝土处于塑性 阶段，化学性质相对不活泼。