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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,可以看出地基摩阻力对CRCP
2、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,并把得到的规律应用到CRCP的配筋设计中。最后用建立的有限元模型对
3、CRCP配筋设计进行了设计优化计算,配筋计算结果显示,在省这样的寒冷地区,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 / 目录第1章绪论11.1 问题的提出11.2 国外研究概况31.2.1 CRCP的发展历程31.2.2 CRCP设计方法的发展41.3本文主要研究容5第2章 CRCP温度应力理论分析72.1 素混凝土路面板温度应力与变形72.1.1地基摩阻力模型72.1.2 温度应力和温度变形92.2 连续配筋混凝土板模型112.2.1计算模型简化122.2.2钢筋与混凝土间的粘结滑移本构关系132.2.3 CRCP混凝土路面板在钢筋和基
4、层约束条件下温缩力学模型142.2.4 CRCP干缩应力202.3 小结22第3章 CRCP温度应力有限元数值解233.1 连续配筋混凝土路面有限元模型233.1.1有限元分析软件ANSYS243.1.2钢筋混凝土结构有限元模型类型243.1.3本文模拟用到的单元类型介绍263.1.4材料的本构关系273.2 ANSYS有限元求解313.2.1 ANSYS有限元模型建立和网格剖分313.2.2加载323.2.3 ANSYS求解333.2.4参数影响分析373.3 小结45第4章 CRCP路面配筋优化设计464.1 板厚设计464.1.1 设计参数464.1.2 设计方法484.2配筋设计494
5、.2.1 钢筋布置位置494.2.2 设计参数494.2.3 设计方法514.2.4 配筋计算524.3 小结55第5章结论与展望565.1 结论565.2 展望57参考文献58摘要IABSTRACTIII感导师及作者简介第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20XX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20XX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
6、我国现有的水泥混凝土路面中,以普通水泥混凝土路面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13,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
7、泥混凝土路面,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
8、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
9、。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。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
10、。1.2 国外研究概况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
11、,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
12、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
13、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年修筑了试验路,1996年长安大学与地方公路部门在境的210国道上修筑了一段CRCP试验路。1997年在境107国道修筑了l0km的CRCP实体工程。20XX在国道325线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
14、计,设计图是基于路面厚度为2550cm、板中加载条件绘制的。早期设计图是由Westerguard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
15、干缩应力、温缩应力和钢筋屈服应力,给出了最小配筋率的公式,这也是我国现行规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。通过一些室试验表明,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。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。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,国外一致推荐使用螺纹钢筋。1.3本文主要研究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
