1、 硕 士 学 位 论 文 寒冷地区连续配筋混凝土路面温度应力分析和配筋设计 Thermal Stress Analysis and Rebar Design On Continuously Reinforced Concrete Pavement in Cold Region 提要 提要 CRCP 混凝土路面板在温度发 生变化时将产生温度应力，由于受到钢筋和地基摩阻力的作用，当温度应力超过混凝土的极限抗拉强度时，混凝土产生裂缝，而由于钢筋的约束作用，将减小路面板的裂缝宽度。本文主要对 CRCP受 温度应力时 的简化力学模型进行了分析研究，通过对比考虑地基摩阻力与不考虑地基摩阻力的计算结果，可以
2、看出地基摩阻力对 CRCP 的影响很小，在实际中可以不考虑地基摩阻力。以此为基础，建立不考虑地基摩阻力的 ANSYS有限元模型，在有限元模型中，用 SOLID65 单元来模拟混凝土， LINK8 单元来模拟钢筋， 0长度的 COMBIN14 单元 (弹簧单元 )来模拟钢筋与混凝土之间的粘结和滑移。通过有限元模型，计算钢筋与混凝土在各个点的位移和应力，并把有限元计算结果同理论公式得到的结果进行对比，两种结果比较吻合，说明建立的有限元模型是正确的。用建立的有限元模型分析了裂缝间距、钢筋和混凝土之间的粘结刚度系数、配筋率、材料线膨胀系数等参数变化对裂缝宽度、钢筋和混凝土的应力等的影响规律，并把得到的
3、规律应用到 CRCP 的配筋设计中。最后用建立的有限元模型对 CRCP配筋设计进行了设计优化计算，配筋计算结果显示，在吉林省这样的寒冷地区， CRCP 取配筋率为 0.7，钢筋直径 20mm 是适宜的。 关键词 ： CRCP；温度应力 ；有限元 ；配筋设计 目录 i 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 问题的提出 .1 1.2 国内外研究 概况 .3 1.2.1 CRCP 的发展历程 .3 1.2.2 CRCP 设计方法的发展 .4 1.3 本文主要研究内容 .5 第 2 章 CRCP 温度应力理论分析 . 7 2.1 素混凝土路面板温度应力与变形 .7 2.1.1 地基摩阻力模型 .7
4、2.1.2 温度应力和温度变形 .9 2.2 连续配筋混凝土板模型 .11 2.2.1 计算模型简化 .12 2.2.2 钢筋与混凝土间的粘结滑移本构关系 .13 2.2.3 CRCP 混凝土路面板在钢筋和基层约束条件下温缩力学模型 .14 2.2.4 CRCP 干缩应力 .20 2.3 小结 .22 第 3 章 CRCP 温度应力有限元数值解 . 23 3.1 连续配筋混凝土路面有限元模型 .23 3.1.1 有限元分析软件 ANSYS .24 3.1.2 钢筋混凝土结构有限元模型类型 .24 3.1.3 本文模拟用到的单元类型介绍 .26 3.1.4 材料的本构关系 .27 3.2 ANS
5、YS 有限元求解 .31 3.2.1 ANSYS 有限元模型建立和网格剖分 .31 3.2.2 加载 .32 3.2.3 ANSYS 求解 .33 3.2.4 参数影响分析 .37 3.3 小结 .45 第 4 章 CRCP 路面配筋优化设计 . 46 4.1 板厚设计 .46 4.1.1 设计参数 .46 4.1.2 设计方法 .48 4.2 配筋设计 .49 吉林大学硕士学位论文 ii 4.2.1 钢筋布置位置 .49 4.2.2 设计参数 .49 4.2.3 设计方法 .51 4.2.4 配筋计算 .52 4.3 小结 .55 第 5 章 结论与展望 . 56 5.1 结论 .56 5.
6、2 展望 .57 参考文献 . 58 摘要 . I ABSTRACT . III 感谢 导师及作者简介 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 进入 21世纪以后，我国经济继续保持快速健康增长，交通基础设施建设蓬勃发展。 到 2004 年底，我国高速公路通车 总 里程已超过 3.4 万公里， 居 世界第二。根据交通部公布的国家高速公路网规划，从 2005 年起到 2030年，国家将斥资两万亿元，新建 5.1 万公里高速公路，使我国高速公路里程达到 8.5 万公里。 水泥混凝土路面和沥青混凝土路面是我国高等级路面的最主要型式。 1.1 问题的提出 在我国 现有的水泥混凝土路面中，以普通水泥混凝土
7、路面（ JCCP）为主。然而由于普通水泥混凝土路面存在收缩缝和胀缝，不仅增加了施工的复杂性，而且降低了路面平整度，影响行车舒适性。同时，接缝处成了路面的薄弱位置，在对 107、 104、和 205 国道等多条水泥混凝土路面的调查中发现 1 3，在接缝处容易引起渗水、唧泥、错台、脱空等各种病害，成为混凝土板断裂、破碎等严重病害的隐患。因此，尽快研究适应交通运输发展新趋势及要求的高品质水泥混凝土路面， 已 成为公路科研工作者面临的重要课题。连续配筋混凝土路面（ Continuously Reinforced Concrete Pavement），简称 CRCP，正是这样一种高品质的水泥混凝土路面，
8、它在混凝土面板的适当位置配置连续的足够数量的纵向的钢筋，同时配置合适的横向钢筋，通过配筋来减小裂缝间距，使裂缝宽度减小，从而提高行车舒适性和路面使用性能。虽然 CRCP在施工时不设接缝，但在温降和干缩作用下会产生许多随机横向裂缝。由于连续配筋的约束作用， CRCP 裂缝能继续保持紧密接触，裂缝宽度很小，确保了荷载的传递，防止雨水侵入锈蚀钢筋，因此使用效果比较理想。 CRCP 适用吉林大学硕士学位论文 2 于重交通高等级道路，与普通混 凝土路面相比， CRCP 具有以下优点 4,5: 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 APL 仪 (一种光机电一体化仪
9、器可以用来测量平整度 )对不同类型混凝土路面的平整度进行对比研究，结果表明 CRCP 的平整度要远好于普通水泥混凝土路面。 2.连续配置的钢筋使裂缝宽度变得极其微小，加强了路面板的整体性，大大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，提高了路面的承载能力。 3.由于 CRCP 不设接缝，使基层避免了水的渗入、冲刷与侵蚀，使渗水 、唧泥、错台、脱空等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. CRCP 虽然初期投资较高，但使用寿命长，且养护费用很少，从长远来看是经济合理的。 CRCP 在国外已经历了 60 多年的发展历程，美国早在二十世纪
10、二十年代就修筑了第一条 CRCP 试验路，到八十年代初 CRCP 已经突破了 2 万公里，现已广泛应用于干线公路和机场道路 6。比利时、澳大利亚、英国、日本等国家也修筑了 CRCP 路面。我国的 CRCP 刚处于试验阶段，只是在部分省市铺筑了少量试验路。从国外 CRCP 的发展趋势可以预计 CRCP 由于其优良的使 用性能必将在我国逐步得到推广。吉林省地处东北寒冷地区，年温差大，而且冬季气候及其寒冷，水泥混凝土路面容易产生比较大的裂缝，雨水通过裂缝渗入基层，在冬季低温下会发生冻胀现象，因此裂缝的存在不仅影响了行车舒适性，也容易造成路面的破坏。 CRCP 正好能弥补这些缺点，然而由于 CRCP
11、要消耗大量钢筋，初期投入大，因此开展对寒冷地区的 CRCP 的研究，通过研究 CRCP的温度应力，进而来确定 CRCP 的合适配筋设计，具有重要学术价值和重大工程意义。 第 1 章 绪论 3 1.2 国内外研究概况 1.2.1 CRCP 的发展历程 美国是最早对 CRCP 进 行研究的国家。美国联邦公路局在 1921 在华盛顿区附近修了长 600m 的试验路，其中含有不同数量的纵向钢筋，得出的主要结论是 :当纵向钢筋达到一定数量时，将会减少横向裂缝的间距。为了研究 CRCP在交通荷载作用下的性能， 1938 年 Indiana 州修建了试验路，其横缝间距从6.1m到 400m 不等，并且直接铺
12、筑在易于发生唧泥的路基上，板的断面为厚边式，板中厚 17.8cm，板边厚 22.9cm，配筋率为 0.07% 1.82%，分别采用螺纹钢筋和光圆钢筋。 1972 年对这些试验路进行调查时发现，钢筋含量在 1%以上的路段使用性能 仍很好。严格来讲，这些路以及其它建于 20 年代后期和 30年代初期同种类型的路面还不是真正的 CRCP，而是对当时流行的钢筋混凝土路面的一种修改，但这期间积累的许多经验对以后 CRCP 的发展起到了积极的推动作用。 1947 年，美国在 Illinois 州和 New Jersey 州开始修建一些 CRCP试验路，接着在 50 年代又修建了更多的 CRCP 试验路。到
13、 1960 年美国 CRCP营运里程达 298km。在此后的十年中，美国有 30 个州广泛兴建 CRCP,修建总里程达 14017km。据统计，目前美国的 CRCP 总里程已经超过 45000km7。比利时于 1960 年修筑了 CRCP 试验路，为原有路面罩面，板长 584m，板厚 18cm，铺筑在 30cm砂垫层上，其下是 15cm 厚的贫混凝土，钢筋含量为 0.3%和 0.5%,这条路在使用了 20 年后仍然路况良好。在 1958-1967 年间，比利时又兴建了一些 CRCP 试验路，并于 1970 年开始，将 CRCP 广泛应用于汽车专用公路和其它重交通道路上。通过修筑 CRCP 试验
14、路和实体工程发现 CRCP 具有优良的性能，因此从 70 年代以后，许多国家开始将它应用于汽车专用道路和城市道路，特别是高速公路。比利时至 1975 年建成 225km的 CRCP，占机动车道总里程的1/5 多，至 1980 年已达 500km，西班牙至 1980 年已建成 80 多 km。另外，澳吉林大学硕士学位论文 4 大利亚、英国、瑞典、荷兰、德国等国也已进行了研究和修建 CRCP。在亚洲，除了日本大量铺筑 CRCP 外 ,泰国也于 1988 年在南北高速公路上铺筑了 150km的 CRCP8。然而， CRCP 在我国的应用很少，只有零星的试验路， 1989 年江苏盐城修筑了试验路， 1
15、996 年长安大学与地方公路部门在铜川境内的 210 国道上修筑了一段 CRCP 试验路。 1997 年在许昌境内 107 国道修筑了 l0km的 CRCP实体工程。 2003 年在国道 325 线广东恩平东段一级公路圣堂镇试验路上铺筑了 1.17km 的 CRCP 加铺层 9。这些试验路都为 CRCP 的研究提供了工程依托。 1.2.2 CRCP 设计方法的发展 CRCP 设计的主要问题是板厚、配筋及端部结构。在最初的 CRCP 设计方法中，路面厚度设计和钢筋设计是作为独立因素分别考虑的。路面厚度按设计图设计，设计图是基于路面厚度为 25 50cm、板中加载条件绘制的。早期设计图是由 Wes
16、terguard 分析得出，后根据 AASHTO 试验路结果，考虑荷载重复作用进行了修改。国外早期的 CRCP 厚度设 计方法考虑了纵向钢筋承受荷载的作用，曾采用较普通水泥混凝土路面略为减薄的厚度，但经过 40年的观测，对交通量特别繁重的道路，大部分有明显的损坏。实际上，纵向连续配筋的作用是约束变形，防止裂缝宽度增大，提高路面使用性能，它不分担截面的弯拉应力，因此现在 CRCP 的厚度计算原则与普通混凝土路面相同 10。 早期钢筋设计采用混凝土抗拉强度与钢筋抗拉强度之比进行计算。维托(Vetter, C. P.)提出了一种解析方法，在确定纵向钢筋配筋率时，考虑混凝土干缩应力、温缩应力和钢筋屈服
17、应力，给出了最小配筋率的公式，这也是我国现行规范中所采用的配筋公式。 AASHTO 所建议的纵向钢筋设计方法是根据美国各州试验路的调查结果，将裂缝间距、裂缝宽度和钢筋应力三个指标作出纵向钢筋用量百分率的设计诺模图。在实际中则通常根据经验确定钢筋含量。如美国一般气候区配筋率约为 0.6%，北方各州由于冬季使用，温度变第 1 章 绪论 5 化大，钢筋含量大约在 0.65%-0.70%,比利时目前使用的钢筋含量为 0.67%。另外，关于纵向钢筋在断面上的位置存在着一些不同的观点：有的布置在距面板上部；有的布置在距面板 h/2 处；有的布置在面板下部；对于面板较厚的还有布置双层钢筋的。 通过一些室内试
18、验表明，纵向钢筋如设置在板的 h/2处，其防止路面开裂和剥落方面的性能要优于钢筋放在板的上部。江苏盐城试验路中，钢筋距板面分别为 h/3 和 h/22,通过对这两种方案进行试验与观测，结果表明，钢筋设置在距板面 h/3 处的路表面裂缝数量较设在 h/2 处明显增多。铜川试验路中，钢筋设置在面板厚度的 h/2 处 2，从调查来看，路的使用性能至今保持良好状态。在钢筋的类型上，因为螺纹钢筋比光圆钢筋具有更高的握裹力，国内外一致推荐使用螺纹钢筋。 1.3本文主要研究内容 连续配筋混凝土路面由于长期暴露在自然环境下 ，受非荷载因素 (环境因素 )影响大，尤其是受温度影响很大。资料显示：吉林省地处寒冷地
19、区，一 月份 平均气温一般在 -20到 -14 之间 ,兴安岭、长白山区在 -23 以下 ,七月 份平均气温大部分地区在 20到 23 之间 ，年最高日均温差和最低日均温差能达到 50左右 11，温差很大。因此在吉林省铺筑 CRCP 要充分考虑到寒冷地区温差大的特点，要充分到考虑温差变化所引起的巨大的温度应力。 CRCP 不是不存在裂缝，而是允许存在很多细微裂缝，而裂缝对混凝土路面的耐久性有很大的影响，因此在 CRCP 的设计中除考虑结构承载能力外，耐久 性也是重要问题之一。 CRCP 钢筋一般配置于板中位置，对板的抗弯刚度贡献很小，因此承载能力主要与板厚有关，耐久性与裂缝间距、裂缝宽度有关，因此要通过合理的配筋设计来控制 CRCP 的裂缝间距和裂缝宽度。本文实际上就是通过对CRCP 温度应力的理论分析和有限元分析，得到配筋率、钢筋直径等设计参数与裂缝间距、裂缝宽度等之间的关系，进而来确定合适的配筋设计。本文主
