基于ABAQUS的連續配筋混凝土路面損傷開裂分析

蔣永星，羅會如

(1.中鐵隧道勘測設計研究院,河南 洛陽 471009；2、洛陽廣播電視大學，河南 洛陽 471099)

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基于ABAQUS的連續配筋混凝土路面損傷開裂分析

蔣永星1，羅會如2

(1.中鐵隧道勘測設計研究院,河南 洛陽 471009；2、洛陽廣播電視大學，河南 洛陽 471099)

連續配筋混凝土路面能夠保持路面的平整性和連續性，提高行車舒適性，國內已經逐漸開始推廣使用。然而國內某試驗段在運營半年后出現了裂縫，而臨近的素混凝土路面沒有出現。針對該工程背景，采用ABAQUS有限元軟件對溫度、載荷同時作用下路面結構進行了損傷開裂模擬分析。結果顯示，影響路面開裂的主要原因是配筋率偏低、溫差較大、地基的彈性模量偏低和路基基層模量偏低等，為以后類似工程提供參考。

連續配筋混凝土路面；裂縫；損傷分析；配筋率

1 工程概況

本工程國內某省道二級公路，設計行車速度80km/h，其基本參數如下：水泥混凝土路面面板厚27cm，鋪筑混凝土面板施工分四幅進行，每幅寬3.5m，沿縱向每隔500m設置一道脹縫，采用間距為0.3m的滑動傳力桿。每隔4.5m切縫，采用間距為0.3m的傳力桿。在連續配筋路面與其他路面相接處未設置錨固系統，鋼筋網采用HRB335螺紋鋼筋，直徑為16mm。

試驗路段運營半年后，該路段已經出現大面積的路面網裂、沉陷，橫向裂縫沿橫向鋼筋發展，延伸到整個路面寬度，路面板沿橫向鋼筋折斷，露出鋼筋。經檢測，多處彎沉值達到了800μm左右，該路已經處于迅速破壞期。而臨近的素混凝土路段并未出現類似于連續配筋混凝土路面的裂縫。為了研究CRCP開裂的原因，本文采用ABAQUS軟件中自帶的混凝土損傷塑性模型對連續配筋混凝土路面及素混凝土路面分別進行了研究，通過分析混凝土開裂的影響因素，找出CRCP路面開裂的原因。

2 溫度-荷載作用下CRCP損傷分析

2.1 模型及材料參數

通過參考大量的文獻并不斷調整地基尺寸，最終確定地基尺寸為5m×3.5m×3m。荷載作用在橫縫中部，荷載作用面簡化為矩形，作用面積為0.23m×0.16m，假定路基等其他參數滿足要求。假定路面各層之間是完全連續的，并選擇內置區域方法將粘鋼筋結起來。網格劃分混凝土采用DC3D8單元，縱向鋼筋單元采用DC1D2(兩結點熱傳連接單元)。采用ABAQUS軟件中自帶的混凝土損傷塑性模型(CDP)進行分析。

表1給出了該路面結構層的材料參數，表2列出了各層路面材料的熱力學參數，分析溫度場時，利用ABAQUS中的用戶子程序DFLUX等對路面結構進行施加太陽輻射、氣溫熱交換和路面的輻射。

表1 路面結構層材料參數

表2 路面材料熱力學參數

2.2 溫度-荷載作用下CRCP損傷分析

在進行溫度-荷載耦合分析時，需要對上述建立的模型進行以下一些更新：(1)采用損傷塑性模型參數代替原材料的熱力學參數；(2)邊界條件：橫向斷面采取橫向約束，縱向斷面采取縱向約束，地基底部采取完全固定約束；(3)選用桁架單元T3D2模擬鋼筋單元，C3D8R單元模型模擬路面結構；(4)重新設置正確的分析步，準確讀入溫度場數據進行力學分析。

對荷載100kN、200kN、300kN、溫差27 ℃的路面結構進行溫度-荷載模擬計算。通過參考文獻，定義當損傷因子達到0.8以上時，結構中將出現宏觀裂縫。從圖中可以看出，標準軸載作用下(100kN)損傷因子為0，路面尚未發生開裂，200kN作用下損傷因子為0.229 5，有微小裂縫存在，300kN作用下損傷因子達到了0.8以上，有宏觀裂縫的出現，說明重載交通作用下，CRCP確實產生了裂縫。對于素混凝土路面，損傷因子不到0.8，尚未出現宏觀裂縫，與工程實際情況相符，側面驗證了本文選用的路面結構模型及參數的合理性。

3 CRCP開裂原因分析

3.1 配筋率

(1)配筋率理論驗算

通過我國現行規范規定來驗算配筋率：①兩條裂縫之間的距離應該不小于1.0m，不大于2.5m；②裂縫寬度不能超過1mm；③鋼筋所受到的拉應力應小于鋼筋的屈服應力。通過計算，橫向裂縫間距Ld為3 276.3mm，超出了規范規定。裂縫寬度bj為1.28mm，不滿足規范小于或等于1mm的規定。鋼筋應力σs487.6MPa>fsy=335MPa，以上均不滿足規范的要求，應當調整配筋率。

(2)有限元模擬分析驗算

本小節分別選擇鋼筋直徑d為14、16、18mm，配筋率ρ分別為0.34、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9%進行模擬，其他參數保持原始數據不變，得出了路面結構的最大損傷值d、鋼筋應力S隨配筋率及鋼筋直徑的變化，如圖1、圖2。

圖1 損傷因子隨配筋率、鋼筋直徑變化

從圖中可以得出：①在同一直徑下隨著配筋率的增加損傷因子、鋼筋應力都會產生較為明顯的減少。并且損傷因子的變化趨勢隨著配筋率增加趨勢逐漸減慢，說明當配筋率較少時，對混凝土開裂的影響較為明顯，但當配筋率增加到一定程度時，配筋率不再是影響混凝土的主要因素；②在同一配筋率下隨著鋼筋直徑的增大損傷因子相應增大，鋼筋應力相應減少。產生這兩種情況的主要原因是當鋼筋直徑相同時增大配筋率，或當配筋率相同時減小鋼筋直徑，鋼筋與混凝土之間的接觸面積都會增大，鋼筋對混凝土的約束能力增強，使路面的整體工作性能提高。所以在設計時，在滿足開裂控制的情況下，應選擇最低的配筋率、最小的鋼筋直徑。在該省道公路工程中，應首選的鋼筋直徑為14mm。另外根據規范要求“冷凍地區的配筋率應在0.7%以上，一般地區的配筋率應當在0.6%以上”，并結合模擬結果，建議提高配筋率至0.6%以上。

(3)縱向配筋率設計

首先選擇14mm直徑的鋼筋，分別假設配筋率為0.6%、0.7%、0.8%、0.9%進行配筋驗算。發現配筋率為0.6%、直徑為14mm，配筋率為0.7%、直徑為14mm時不滿足設計要求，所以應選取的最佳配筋率為0.7%、最小鋼筋直徑為16mm，說明在河南某省道公路工程中配筋率偏低是連續配筋混凝土開裂的原因之一。

3.2 鋼筋的位置

調整鋼筋距離板底的位置，分別為5、7、9、11、13、15、18cm處，其他參數保持不變，得出面板混凝土的損傷因子d、鋼筋應力S隨鋼筋位置Ls的變化趨勢，如圖3、圖4 。從圖中可以分析得出：隨著鋼筋距離板頂的位置的增大，損傷因子逐漸增大，鋼筋應力逐漸降低，說明在溫度—荷載共同作用下，混凝土面板主要受到溫度的影響使板頂受拉破壞。

圖3 d隨鋼筋位置Ls的變化趨勢

圖4 S隨鋼筋位置Ls的變化趨勢

3.3 溫度的影響

保持其他參數不變，輸入熱力學參數，調整外界的最大溫差變化分別為5、10、15、20、25、30、35 ℃對路面進行模擬，得出路面結構的損傷因子d、鋼筋應力S隨溫差的變化趨勢，如圖5、圖6所示。從圖中可以直觀的看出，隨著溫差的增大，損傷因子及鋼筋應力迅速增大，在溫差達到35 ℃時損傷因子已達到0.9，鋼筋應力已大于屈服應力，可以確定路面結構幾乎已經完全損壞，所以溫度是影響混凝土早期開裂的主要原因之一。

3.4 地基模量的影響

通過調整地基的彈性模量分別為20、40、60、80、100、120、140、160、180、200MPa，其他參數保持不變，得出損傷因子及鋼筋應力在不同地基模量條件下的變化趨勢(如圖7、圖8所示)。可以看出損傷因子隨著地基模量的增大逐漸減小，且在達到80MPa之前變化較小，超過80MPa以后變化迅速；鋼筋應力隨著地基彈性模量的增加逐漸降低，說明增加地基彈性模量可以減緩混凝土的開裂。當地基彈性模量小于80MPa時，損傷因子已到達0.85以上，這時混凝土已產生了大量裂縫，板內產生的應力逐漸由鋼筋承受，鋼筋應力逐漸增大。該工程中的地基彈性模量僅僅為45MPa，說明該路面結構的地基彈性模量偏低，應當對地基進行加固處理，提高其彈性模量。

圖5 損傷因子隨溫差的變化趨勢

圖6 鋼筋應力隨溫差的變化趨勢

圖7 損傷因子隨地基彈模的變化趨勢

圖8 鋼筋應力隨地基彈模的變化趨勢

3.5 基層模量的影響

通過調整基層模量分別為200、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600MPa，其他基本參數保持不變，得出不同基層模量Ed下的損傷因子d、鋼筋應力S，如圖9、圖10所示。從圖中可以看出損傷因子d、鋼筋應力S都隨基層模量Ed的增大而減小。說明基層模量越大，對板的支撐越好，路面越不容易發生破壞。該某省道的基層模量為800MPa，通過模擬結果分析，可以適當提高基層模量。

圖9 損傷因子隨基層模量的變化

圖10 鋼筋應力隨基層模量的變化

4 結 論

(1)本工程縱向配筋率偏小。在該CRCP路面中，縱向配筋率僅為0.34%，不滿足規范中最小配筋率為6%的要求。經過計算算，建議本工程縱向鋼筋配筋率調整到0.7%以上。

(2)地基彈性模量偏低。當地基較為軟弱時，車輛荷載重復作用可能導致其產生塑性變形，引起板塊斷裂。所以地基模量偏低也是造成混凝土開裂的問題之一。

(3)對于連續配筋混凝土路面，關注配筋率和地基彈性模量的同時，對其他設計參數也要分析研究，為指導CRCP路面進行結構優化設計提供依據。

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[3] 廖公云，黃曉明.ABAQUS有限元軟件在道路工程中的應用[M].南京：東南大學出版社，2008：200-225.

2016-01-18

蔣永星(1987-)，男，河南永城人，助理工程師，主要從事城市地鐵監控量測及相關研究。

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