影響連續配筋混凝土路面性能的幾個因素分析

袁 玲

（安徽科技學院 建筑學院，安徽 滁州 233100）

0 引言

常見的水泥混凝土路面板具有強度高、穩定性好、施工方便等特點，但其在路基不穩定、交通量較大或重載車輛較多等情況下，路面板極易發生脆性破壞，使得路面產生裂縫、斷板、錯臺等病害，對其使用壽命和行車舒適性都有不利影響.為減少這些病害的發生，可在普通水泥混凝土路面中設置了一定數量的鋼筋網，從而形成了一種高性能路面結構，即連續配筋混凝土路面.連續配筋混凝土路面中鋼筋網的嵌入不僅提高了路面板的剛度，而且可以有效控制因混凝土收縮變形產生的裂縫寬度和數量，還有效提高了行車舒適性和路面使用壽命[1].

由于連續配筋混凝土路面的優越的性能，國內外也對其進行了大量研究.寧敏[2]以某復合式路面為研究對象，具體探討了連續配筋混凝土路面施工準備和施工流程；李盛[3]等針對目前CRCP的結構特征和缺陷，對其結構進行了研發與優化設計；張慶宇[4]以張石高速公路為工程依托，研究了AC+CRCP復合式路面的結構受力特性進行了分析；張洪亮[5]等指出了CRCP研究的發展趨勢，并對重復車輛及環境因素作用下的裂縫寬度進行了預估；蔡東鋒[6]結合新規范“概率極限狀態設計法”為基礎，對CRCP設計及施工做了一些分析探討，并介紹CRCP的應用狀況；陳鋒鋒[7]等結合滬寧高速公路擴建工程CRCP試驗段的修筑，總結了CRCP的施工工藝和注意事項.

Liu[8]等基于鋼筋和混凝土之間的線性和非線性粘結-滑移本構關系，建立了溫度應力作用下的CRCP計算模型，并推導了基于接觸原理的剛度矩陣，分析了溫度荷載下CRCP的應力分布模式和位移分布；Suh[9]等通過對四組特殊測試路面的短期觀察，對CRCP的失效預測模型進行了校準，發現混凝土水化熱對CRCP早期力學性能有重要影響，而澆筑季節和澆筑時間會對早期開裂產生影響，早期開裂分析模型和裂縫形態與路面形狀和寬度有關，骨料種類也會影響早期開裂；Kohler[10]等對CRCP出現的裂縫間距和裂縫寬度進行了試驗研究，并開發了CRCP裂縫寬度計算模型.

目前國內外對連續配筋混凝土路面進行了大量地試驗研究和施工方法的探索，并得出了很多有益的結論，但是對影響連續配筋混凝土路面性能因素進行有限元分析相對較少.有鑒于此，本文通過有限元軟件ABAQUS 2017對不同軸重作用下的連續配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面的應力和變形進行了分析，并進一步地研究了鋼筋埋置深度、鋼筋直徑和鋼筋間距對連續配筋混凝土路面應力和變形的影響.

1 連續配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面的有限元數值模型

采用通用有限元軟件ABAQUS 2017分別建立連續配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面的三維有限元數值模型，如圖1所示.兩種路面結構都包含路基、底基層、基層和路面，路面模型參數如表1所示[12].在對路面結構進行網格劃分時，水泥混凝土路面、基層、底基層和路基選擇C3D8R三維八節點縮減積分單元，連續配筋混凝土路面中鋼筋網采用T3D2三維二節點桁架單元，并采用embeded技術嵌入到水泥混凝土面層.

圖2 有限元模型網格劃分

分析中將路面結構的路面及基層均視作均質、各向同性的線彈性材料，車輛荷載采用單軸雙輪組標準軸載，輪胎接地面積假定為20×20cm2的矩形.連續配筋混凝土路面采用直徑為10mm的鋼筋，縱橫間距均為20cm，鋼筋距離路面頂部3cm.

表1 路面結構模型參數

2 不同軸載作用下連續配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面的應力和變形

為對比研究連續配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面在不同軸載作用下的應力和變形，分別選取 100、150、200、250 和 300kN 的軸載，其對應的接觸壓力分別為 0.70、0.75、0.87、0.98 和 1.10MPa.

2.1 不同軸載作用下連續配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面的應力

圖3所示為100kN軸載作用下兩類路面壓應力分布云圖.從圖3中可以看出，在輪胎與路面接觸處產生的壓應力最大，其他部位產生的壓應力相對較小，而連續配筋混凝土路面在軸載作用下的最大壓應力為-0.5890MPa小于普通水泥混凝土路面的最大壓應力-0.6577MPa.

圖3 100kN軸載作用下兩類路面壓應力分布云圖

圖4所示為不同軸載作用下連續配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面產生的最大壓應力.從圖4可以看出，隨著軸載的不斷增大，連續配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面產生的最大壓應力也在不斷增大.當軸載達到300kN時，連續配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面產生的最大壓應力分別達到了-0.9255MPa和-1.030MPa.隨著軸載的增大，連續配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面產生的最大壓應力的差值也略有增大.

圖4 不同軸載作用下兩類路面最大壓應力

2.2 連續配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面的豎向位移對比

圖5所示為連續配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面在300kN軸載作用下的路面豎向位移分布圖.從圖5可以看出，這兩類路面結構最大豎向位移均為-0.2127mm，并且位移分布模式基本一致.結合表2所示的不同軸載作用下路面豎向最大位移可以看出，這兩類路面結構在相同軸載作用下最大豎向位移基本一致，這說明連續配筋混凝土路面中路面中埋置的鋼筋網對提高結構整體剛度的作用基本可以忽略.

圖5 300kN軸載作用下路面豎向位移分布云圖

表2 不同軸載作用下兩類路面豎向最大位移

3 影響連續配混凝土路面應力和變形的幾個因素分析

3.1 鋼筋埋置深度的影響

分別取鋼筋中心距面層頂端3、8、15和20cm，研究鋼筋埋置深度對連續配筋混凝土路面性能的影響.研究中采用軸載300kN，鋼筋間距保持為20cm，鋼筋直徑為10mm.

表3 不同鋼筋層埋置深度下連續配筋混凝土路面最大壓應力和豎向最大位移

表3所示為不同鋼筋埋置深度下，連續配筋混凝土路面最大壓應力和豎向最大位移.從表3可以看出，隨著鋼筋埋置深度的增加，路面最大壓應力略有增大，而最大豎向位移則稍有增加后保持穩定.當鋼筋埋置深度為3cm時，路面最大壓應力和豎向最大位移分別為-0.9255MPa和-0.2127mm；當鋼筋層埋置深度為20cm時，路面最大壓應力和豎向最大位移分別為-0.9267MPa和-0.2131mm.

這說明隨著鋼筋埋置深度的增大，連續配筋混凝土路面最大壓應力和最大豎向位移整體上略有增大.在實際工程中，連續配筋混凝土路面在長期車載作用下面層會出現磨損，此時為保證鋼筋層避免出現外露，需要保證足夠的埋置深度.

3.2 鋼筋直徑的影響

為研究鋼筋直徑對連續配筋混凝土路面性能的影響，分別取鋼筋直徑為10、15、20和25mm.研究中采用軸載300kN，鋼筋間距保持為20cm，鋼筋距離面層頂部為3cm.

表4 采用不同鋼筋直徑連續配筋混凝土路面最大壓應力和豎向最大位移

表4所示為采用不同鋼筋直徑連續配筋混凝土路面最大壓應力和豎向最大位移.從表4可以看出，隨著鋼筋直徑的增加，路面最大壓應力和最大豎向位移均出現變小.當鋼筋直徑為10mm時，路面最大壓應力和豎向最大位移分別為-0.9255MPa和-0.2127mm；當鋼筋直徑為25mm時，路面最大壓應力和豎向最大位移分別為-0.9216MPa和-0.2108mm.

這說明隨著鋼筋直徑的增大，路面整體剛度略有上升，使得最大豎向位移略有下降，可以采用增加鋼筋直徑的方式，降低連續配筋混凝土路面最大壓應力和最大豎向位移.

3.3 鋼筋間距的影響

為研究鋼筋間距對連續配筋混凝土路面性能的影響，分別取鋼筋間距為10、15、20、25和30cm.研究中采用軸載300kN，鋼筋直徑為10mm，鋼筋距離面層頂部為3cm.

表5所示為采用不同鋼筋間距連續配筋混凝土路面最大壓應力和豎向最大位移.從表5可以看出，隨著鋼筋間距的增加，路面最大壓應力和最大豎向位移均略有增大.當鋼筋間距為10cm時，路面最大壓應力和豎向最大位移分別為-0.9252MPa和-0.2124mm；當鋼筋間距為30cm時，路面最大壓應力和豎向最大位移分別為-0.9261MPa和-0.2129mm.

這說明隨著鋼筋間距的增大，路面整體剛度略有下降，使得最大豎向位移略有上升，可以采用減小鋼筋間距的方式，降低連續配筋混凝土路面最大壓應力和最大豎向位移.

表5 采用不同鋼筋間距連續配筋混凝土路面最大壓應力和豎向最大位移

4 結論

采用有限元軟件ABAQUS 2017分別建立了連續配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面結構的三維有限元數值模型，研究了在不同軸載作用下，兩類路面結構的應力和變形，并對影響連續配筋混凝土路面結構應力和變形的幾個因素進行了分析，得到了以下結論：

①隨著軸載的不斷增大，連續配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面產生的最大壓應力的差值也略有增大；兩類路面結構在相同軸載作用下最大豎向位移基本一致，這說明連續配筋混凝土路面中路面中埋置的鋼筋網對提高路面結構整體剛度的作用基本可以忽略.

②隨著鋼筋層埋置深度的增大，連續配筋混凝土路面最大壓應力和最大豎向位移整體上略有增大.在實際工程中，連續配筋混凝土路面在長期車載作用下面層會出現磨損，此時為保證鋼筋層避免出現外露，需要保證足夠的埋置深度.

③隨著鋼筋直徑的增大，路面整體剛度略有上升，使得連續配筋混凝土路面最大壓應力和最大豎向位移略有下降，這說明可采用增加鋼筋直徑的方式提升連續配筋混凝土路面性能.

④隨著鋼筋間距的增大，路面整體剛度略有下降，使得連續配筋混凝土路面最大壓應力和最大豎向位移略有上升，這說明可采用減小鋼筋間距的方式，降低連續配筋混凝土路面的最大壓應力和最大豎向位移.

參考文獻：

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〔2〕寧敏.探討連續配筋混凝土路面施工技術的應用[J].資源信息與工程,2017,32(3)：169-170.

〔3〕李盛,楊帆,曹前,等.連續配筋混凝土路面結構優化及性能評價[J].土木工程學報,2017(7)：122-128.

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