連續配筋混凝土路面配筋設計研究概述

王衍輝 楊福斌 徐士翠

1 概述

水泥混凝土路面具有承載能力大、養護費用少、穩定性好、耐疲勞、抗凍性和耐磨性優良、對腐蝕性介質相對不敏感等優點，并且不會出現車轍、壅包等現象，加之我國優質路用瀝青資源的匱乏和水泥資源相對豐富，修筑水泥混凝土路面具有廣闊的前景。

連續配筋混凝土路面(Continuously Reinforced Concrete Pavement，以下簡稱CRCP)是道路工作者為克服普通混凝土路面諸如唧泥、錯臺等接縫處病害而研究的一種路面，在路面縱向連續配足夠數量的鋼筋，以控制混凝土路面板縱向收縮產生的裂縫寬度和數量。同時，橫向也配有一定數量的鋼筋來支撐縱向鋼筋。在施工時完全不設脹、縮縫(施工縫及構造所需的脹縫除外)，形成一條完整而平坦的行車平面，從而改善了汽車行駛的平順性，同時又增強了路面板的整體強度。CRCP結構圖如圖1所示。

2 CRCP應用

20世紀80年代以來CRCP以其良好的使用性能在歐美國家得到了廣泛的應用，最早應用CRCP的國家是美國，之后比利時、英國、法國、澳大利亞、加拿大、意大利、西班牙、日本等很多國家都修筑了CRCP，并將CRCP應用于國道、汽車專用道路和城市道路，特別是高等級公路和重要道路。我國CRCP應用較晚，東南大學、長安大學和長沙理工大學等科研機構進行了CRCP試驗路和實體工程的研究工作。2001年在京珠高速公路耒陽至章宜段修建了總長40.1 km的CRCP，實現了CRCP在國內高速公路中由無到有的突破。

3 CRCP病害

混凝土路面板受到基層和鋼筋等結構約束作用，在環境荷載和混凝土干縮等因素影響下必然開裂，主要以橫向裂縫為主。路面開放交通以后，加之車輛荷載的作用，裂縫寬度較大以及橫向裂縫間距較小的板經不起車輛荷載反復疲勞作用將會產生縱向的開裂。由兩條橫縫、一條縱縫和路面邊緣所包圍的路面面積是典型的CRCP沖斷破壞。沖斷破壞還有其他的形式，如密集裂縫處沖斷和“Y”形沖斷等，見圖2。基于路面長期性能(Long-Term Pavement Performance，簡稱LTPP)研究的試驗路數據，Elkins等發現大部分沖斷發生在橫縫間距為0.3 m～0.6 m的密集裂縫處。

4 沖斷機理

關于沖斷的發展存在兩種觀點:一種觀點認為縱向開裂是由上至下的開裂，如同懸臂梁;另一種觀點認為縱向開裂是由下至上的開裂，如同簡支梁。兩種觀點一致認為沖斷原因如下:1)橫向裂縫寬度大、裂縫傳荷能力(LTE)低，車輛荷載作用引起混凝土板的橫向應力增加;2)重復軸載作用增加了混凝土板的疲勞;3)當累積疲勞超過了疲勞強度，CRCP產生縱向開裂，即產生沖斷。

為減少沖斷，應使裂縫寬度盡可能的小。AASHTO 2002計算公式表明裂縫寬度是裂縫間距的函數，裂縫間距越大，裂縫寬度越大。同時，調查也發現沖斷經常發生在較小裂縫間距處。裂縫間距是混凝土抗拉強度、配筋率、混凝土板厚、溫降和干縮以及基層摩阻的函數。裂縫寬度影響CRCP結構的連續性，保持橫向裂縫處結構連續性對保證CRCP良好性能是至關重要的，結構連續性用裂縫傳荷效率(LTE)來衡量。裂縫寬度越小，橫向裂縫傳荷能力越好;裂縫較寬，在車輛荷載反復作用下，裂縫處傳荷能力下降，最終導致板頂部或底部橫向拉應力增加，增加疲勞，并最終產生縱向裂縫，引起沖斷。CRCP配筋設計的基本思想是通過合理配筋使CRCP產生適當的橫向裂縫來釋放由于溫度和濕度變化引起的應力，并使裂縫寬度較小來保持結構在橫向裂縫處的連續性。裂縫間距和裂縫寬度(或LTE)對沖斷產生有重要的影響。

5 配筋設計

5.1 國外配筋設計

AASHTO 2002設計CRCP時以平整度和沖斷為指標，對路面設計壽命內不同時期進行分析。不同時期計算采用的設計參數不同，采用時間增量法，在分析CRCP早期性能時，采用的是早期混凝土參數、環境荷載等。分析通車后CRCP性能時采用的混凝土參數、環境荷載和交通荷載等也是隨著時間變化的。因此AASHTO 2002能夠對設計壽命期內不同時刻CRCP性能進行預估，這種預估的前提是對混凝土參數、環境荷載和交通荷載等隨時間變化的預估。AASHTO 2002設計指南給出了CRCP配筋設計計算公式，該公式是基于理論的經驗公式，式(1)～式(4)分別為AASHTO 2002計算平均裂縫間距、裂縫寬度、裂縫處鋼筋應力和沖斷數的理論經驗公式。

理論經驗公式表明裂縫寬度是裂縫間距的函數，裂縫寬度與裂縫間距基本成正比;沖斷受混凝土板厚、配筋率、基層類型和施工等因素影響。

5.2 國內配筋設計

JTG D40-2002水泥混凝土路面設計規范中給出了橫向平均裂縫間距式(5)、裂縫寬度式(6)和鋼筋應力式(7)的計算公式。在配筋設計時初擬配筋率，再計算裂縫間距、裂縫寬度和鋼筋應力，任何一項不能滿足規范要求時需要增大或減小配筋率重新計算直到滿足要求。

裂縫寬度是裂縫間距的函數，裂縫寬度與裂縫間距基本成正比，沒有考慮沖斷。

5.3 國內外配筋設計評述

AASHTO 2002中CRCP配筋設計是基于理論的經驗方法，而且有配套的設計軟件MEPDG，在CRCP設計過程中考慮到CRCP全壽命進行裂縫間距、裂縫寬度、鋼筋應力和沖斷發展的分析，不同時刻計算時采用不同的路面參數。AASHTO 2002將沖斷作為一個指標，綜合考慮了板厚、配筋率、基層類型、施工和荷載的影響，設計過程更符合實際。國內規范僅對裂縫間距、裂縫寬度和鋼筋應力進行控制，采用的設計參數跟路面使用時間沒有關系，采用最不利條件下的荷載，沒有考慮施工方法等對路面的影響。

6 結語

可見，國內外均通過裂縫間距、裂縫寬度和鋼筋應力來控制CRCP合理裂縫形式，合理的裂縫形式是避免沖斷的必要條件。國外對沖斷數進行了預估，沖斷與混凝土板厚、配筋率、基層類型、施工及荷載有關，說明合理裂縫間距只是不沖斷的前提條件。

因此為保證CRCP良好的使用性能，以裂縫間距、裂縫寬度(或LTE)和鋼筋應力為指標進行配筋設計以達到合理裂縫間距的同時，還應該考慮沖斷指標。

［1］ 王衍輝.連續配筋混凝土路面橫向裂縫分布預估［D］.西安:長安大學，2010.

［2］ Transportation Research Board of the National Academies.Guide for Mechanistic-empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structures［R］.Washington DC:Transportation Reasearch Board of the National Academies，2004.

［3］ JTG D40-2002，水泥混凝土路面設計規范［S］.

［4］ 胡長順，曹東偉.連續配筋混凝土路面結構設計理論與方法研究［J］.交通運輸工程學報，2001(6):36-37.

［5］ 王秉綱.水泥混凝土路面的配筋設計［J］.公路，2002(8):93-94.