标准规范下载简介和预览

连续配筋混凝土路面受力机理与结构设计研究

结构设计方面，CRCP主要依据交通荷载、环境条件和地基支撑情况，合理确定混凝土板厚度、钢筋配筋率及钢筋布置方式。设计重点在于控制裂缝间距和宽度，确保钢筋的抗拉性能能够有效发挥，同时避免过量配筋带来的经济浪费。近年来，随着材料性能提升和设计理论的发展，CRCP在高速公路、重载道路等工程中得到广泛应用。

本研究围绕CRCP的受力机理与结构设计展开，通过理论分析、数值模拟与工程实例相结合的方式，探讨其裂缝发展规律、荷载传递机制及关键设计参数的影响，旨在为CRCP的优化设计与工程应用提供科学依据和技术支持。

凝土的裂缝形态是CRCP设计的重要控制指标之一，是对CRCP进行有限元模型分析的关键。研究表明，在横向裂缝处，混凝土路面板处于完全断开状态，在裂缝两侧的两块混凝土板间存在着细小的横向缝隙。横向裂缝的发展方向可认为是垂直于路面板的中线，可采用一种直线型裂缝模型来近似模拟路面板横向裂缝模型，如图2.2所示。

考虑到在CRCP板中纵向配置的钢筋会对开裂处两侧混凝土体产生一定的约束，其张开量不会过大，基本为0~1mm范围内的微裂缝。因此可认为在裂缝两侧的混凝土结点为接触单元；裂缝截面上的钢筋单元在纵向无间断，同时作如下假定：①路面板横向裂缝两侧对应的混凝土结点之间存在一假想的联结单元；②该联结单元在x,y,z三个方向各具有联结刚度Kx,Ky,Kz；③该联结单元尺寸为零；④联结单元在x方向联结刚度Kx等于钢筋的抗拉强度；⑤联结单元在y,z方向的联结刚度Ky,Kz等于裂缝处混凝土与钢筋共同作用的抗剪强度。

横向裂缝模型判定准则在横向裂缝产生处，混凝土体只可能承受压应力而不可能产生拉应力。而混凝土两侧结点不发生接触就不可能产生水平压应力。当裂缝两侧混凝土结点接触后，可认为相互间产生压应力，即裂缝两侧的混凝土结点相互约束其在水平方向的位移某网吧装饰工程施工组织设计，从而在该点出现静力平衡边界条件。但此时仍无法判断两侧结点的具体位移量。因此，有必要对横向裂缝模型分三步进行判断，明确下面三个问题：（1）横向裂缝两侧混凝土是否产生接触；（2）两侧结点混凝土接触后是否产生压应力；（3）两侧的位移量是多少。

3）钢筋模型水泥混凝土路面板可视为弹性地基上的小挠度板；钢筋与混凝土均处于弹性工作阶段，钢筋与混凝土之间无滑动，为完全粘结。研究中假定钢筋为线性杆单元，钢筋与混凝土单元在相邻边界处的棱边上，上下两端点连接方式为铰接，铰接杆单元与混凝土单元之间位移连续。在CRCP中只有纵向钢筋对混凝土有明显的加强作用，为简化钢筋模型的复杂程度，采用正交各向异性薄膜单元来模拟CRCP中钢筋的受荷特点，将连续配置的钢筋受力问题等效为平面薄膜受力问题，模型采用四节点等参单元。

4）地基模型K地基模型可较好反应刚性路面下地基的应力应变特性，计算分析也相对简便，故选用K地基，采用空间等参八节点六面体单元solid45。由于CRCP处于带裂缝工作状态，故不能采用一般的K地基刚度矩阵表达式，需要作相应修正。①按常规方法建立地基刚度矩阵，求得其表达式；②根据裂缝处单元划分状况对地基刚度矩阵进行修正。对两板系统，裂缝两侧记为两个结点，编号分开计算。按修正后等效原则，设修正后裂缝两侧地基结点刚度为原来的1/n

2.2.2基本计算参数由于采用正交各向异性薄膜来等效原钢筋层，有必要给出钢筋层等效后的模量，包括X，Y，Z三个方向模量和剪切模量，X方向为行车方向、Y方向与X方向垂直、Z方向为板厚方向。经研究分析，各向模量和泊松比计算表达式如下：

3）其它计算参数根据试验和参考资料，选取的其他计算参数如表下。表2.1CRCP荷载应力有限元分析参数取值

2.2.3有限元模型的验证用建立的有限元分析方法与现行规范计算方法对面板底横向、纵向应力进行对比验证。通过对两种不同计算方法的结论进行对比分析，验证本课题研究建立的有限元模型的合理性。1）计算参数根据我国规范推荐值，计算参数值如表2.2所示。表2.2有限元解、解析解对比分析计算参数

2）板底横向、纵向应力值对比分析分析结果显示，在规范推荐的裂缝间距（1.0~2.5m）范围内，所采用的有限元方法分析结果与路面板实际受力情况基本吻合，具有较高的准确度和可信度。

图2.3横向应力值对比图2.4纵向应力值对比

板长L=9m；厚度hc=20cm；板宽B=7.5m；水泥混凝土模量Ec=3.0×104MPa；泊松比μc=0.30；地基模量E=120MPa；钢筋模量Es=2.0×105MPa，钢筋剪切模量Gs=7.7×104MPa；配筋率0.7%；钢筋直径Ф16mm；裂缝宽度为1mm。裂缝间距l对CRCP板的荷载应力有很大影响，在分析时取l=0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m六种裂缝间距分别计算。

2）计算分析与结果（1）荷－缝组合Ⅰ荷—缝组合Ⅰ时不同缝距情况下最大应力计算结果如下表。荷—缝组合Ⅰ应力计算结果

2）计算分析与结果（1）荷－缝组合Ⅱ荷—缝组合Ⅱ时不同缝距情况下最大应力计算结果如下表。荷—缝组合Ⅱ应力计算结果

结果表明：①在某缝距下，荷载向板中移动σx随之增大，在板中部达到最大值；σy随之减小，荷载作用于纵向自由边中部时，σy值为最大。②在同一荷载位置，σx随缝距增大而减小，σy随缝距增大而增大。且变化幅度较大，说明裂缝间距对板内荷载应力影响较大。③不同缝距在不同荷位（荷位①～⑤）时，板内最大主应力值σ的变化规律为：a.l≤1.0m时，σx和σy值单调递减，由此可推知荷载作用在板中部时，板内产生的主应力最大，此时可把作为控制应力；

表2.5不同板宽下荷载应力值

4）配筋率纵向连续钢筋与混凝土共同承受车辆荷载作用，配筋率（ρ）变化将引起钢筋传荷能力发生变化，对路面板荷载应力也会产生影响。研究中选取五组纵向钢筋配筋率钢结构屋面安全施工方案，分别为0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%，其余参数同前。综合考虑荷—缝组合（ⅠⅡ）、荷载作用位置（①、②、③、④、⑤）和裂缝间距（l=0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m），分析配筋率对混凝土板荷载应力值的影响情况。荷载作用在横缝一侧中部与荷载作用在纵向自由边中部，计算结果如下表和图。

结果表明，不论裂缝间距取何值，最大主应力随纵向配筋率增大而减小，l≤1.0m时，减小幅度较大；当l＜1.5m时，减小幅度较小；当1.5m≤l≤2.5m时，变化幅度很小。当荷载作用在纵向自由边中部时，主应力随配筋率变化的情况则有所不同。当l＞2.0m时，最大主应力略微减小；当l＜2.0m时，最大主应力值的略微增大。无论荷载作用于何种位置，当l＜1.0m时，CRCP荷载应力对配筋率的变化较为敏感，可见，裂缝间距较小时，板块间主要由纵向钢筋承受荷载；当裂缝间距较大时，纵向配筋率对荷载应力值的影响程度逐渐减弱。

2.6CRCP荷载应力分析研究结果1.根据混凝土和钢筋受力与变形特点，分别选取空间八结点等参立方体单元solid65和正交各向异性薄膜单元模拟CRCP板的受力；给出了钢筋等效薄膜的模量计算公式；重点分析了不同横向裂缝间距对荷载应力的影响；提出了有限元模型中横向裂缝两侧相接触的混凝土联结单元的判定准则。模型与CRCP路面工作状态吻合，能有效分析CRCP的荷载应力。2.采用建立的有限元分析方法计算CRCP板横、纵向应力值，并与解析解作对比分析，验证了所提出的有限元计算方法在CRCP板裂缝间距为1~2.5m范围内具有较好的准确性，表明所采用的荷载应力有限元模型与连续配筋混凝土路面板实际受力情况基本吻合，是合理、可靠的。

2.3CRCP温度应力分析

我国规范规定，在进行CRCP设计时，考虑钢筋对路面板起控制裂缝宽度、约束裂缝间距的作用，一般将钢筋布置在板的竖向的//2~1/3位置处；板厚设计中，参照普通混凝土板进行应力分析及厚度计算；配筋设计中，以横向裂缝间距、允许最大裂缝宽度及钢筋屈服强度为控制标准。板厚设计中，考虑混凝土板的荷载疲劳应力、温度疲劳应力及公路的安全等级，按控制板厚,这是一种偏于安全的设计理念，充分考虑到混凝土板的承载能力，但连续配筋水泥混凝土路面板本身不设胀、缩缝，没有普通混凝土路面设计中板长的概念。因此，采用更适合的模型分析连续配筋混凝土路面温度应力对的设计至关重要。通过对贵州省贵阳绕城高速公路云关坡试验路和贵阳绕城高速东线试验路的观测，发现在端部附近几百米的范围内，尽管位移量很小，但还是存在一定的纵向位移。对该试验路裂缝间距和裂缝宽度的观测表明，在靠近自由端处裂缝间距有较明显的增大，与路面板其他各处裂缝间距有较明显区别。这也表明在分析温度应力时，仅仅简单的将端部位移考虑为0，与其实际受力情况并不相符，为了对路面温应力作更全面、深入的分析，结合国内外研究资料，对两端自由条件下混凝土板进行分析，通过对全路段作整体式迭代计算，求出假设边界条件下钢筋、混凝土的位移、应力解析解，为进一步的理论分析打下基础。

1.CRCP温度应力计算模型

连续配筋混凝土路面由于路面温度梯度、水泥混凝土自身温缩、干缩的共同作用会在路面板内产生间距、宽度不规则分布的裂缝；同时，在板中连续配置的钢筋又会和地基共同对路面板的收缩变形产生约束。研究在进行温度应力解析解推导时，取混凝土路面板整个横断面进行整体式分析。路面板示意图如图2.18所示。

2.CRCP温度应力平衡微分方程研究中设连续配筋水泥混凝土路面板裂缝间距为l，纵向配置钢筋的横向间距为，水泥混凝土路面板厚度为，取连续配筋混凝土路面板的整个横截面进行分析活动地板分项工程质量管理技术、安全交底，边界条件为：（1）裂缝处混凝土的应力为0；（2）在板中，钢筋和混凝土的位移为0。通过对路面段微分单位及其计算如下：

上述两式即为所求的连续配筋水泥混凝土路面温度应力解析表达式，在具体计算时，需要考虑不同的端部边界条件下解析解的具体变化。即使在有端部锚固措施的情况下，也会产生1~3cm的位移，此时，路面结构的端部边界条件可以按两端钢筋的位移自由条件来考虑；当连续配筋水泥混凝土路面一侧与旧路面连接，认为此时在结合部位不会产生位移，则端部边界条件可以按一端钢筋位移固定，一端钢筋位移自由条件来考虑。因此，本课题研究又分别推导计算了端部自由条件；端部一端固定、一端自由条件，两种情况下温度应力各自的解析解表达式。