瀝青罩面層對(duì)玄武巖纖維連續(xù)配筋水泥混凝土路面溫縮應(yīng)力的影響研究

吳超凡

(福建省交通科技發(fā)展集團(tuán)有限責(zé)任公司，福州 350004)

連續(xù)配筋混凝土路面(CRCP)的早期裂縫一般由溫降和混凝土干縮引起[1-2]，CRCP 中的縱向連續(xù)鋼筋的主要作用是控制溫降和干縮引起的橫向裂縫， 使得橫向裂縫間距在合理的范圍內(nèi)， 不至于出現(xiàn)較小的裂縫間距和過(guò)寬的裂縫寬度而導(dǎo)致沖斷[3-4]。 為避免因鋼筋銹蝕而加速產(chǎn)生的一系列病害，如寬裂縫、沖斷等，玄武巖纖維連續(xù)配筋水泥混凝土路面近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其相關(guān)的配筋設(shè)計(jì)、 結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析等展開(kāi)了大量研究[5-7]，但關(guān)于加鋪瀝青罩面層(AC 層)對(duì)連續(xù)配筋水泥混凝土層(CRC 層)溫縮應(yīng)力的影響研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

為此，本文基于通用有限元軟件ABAQUS 構(gòu)建玄武巖纖維連續(xù)配筋復(fù)合式路面模型，對(duì)比有AC 層和無(wú)AC層對(duì)CRC 板中混凝土應(yīng)力、混凝土位移、鋼筋應(yīng)力和鋼筋位移的影響情況，并對(duì)AC 層與CRC 層的剪切剛度的影響規(guī)律進(jìn)行敏感性分析。

1 有限元模型

已有研究表明， 選取路面整個(gè)寬度與選取帶1 根鋼筋的板條(寬度為鋼筋的間距)的溫縮應(yīng)力計(jì)算結(jié)果極為接近[8]。 為了減少計(jì)算量，本文選取帶1 根鋼筋的板條進(jìn)行溫縮應(yīng)力的分析， 同時(shí)可根據(jù)對(duì)稱性取出1/2 板條進(jìn)行分析，如圖1 所示。 CRCP 路面板內(nèi)的縱向鋼筋主要抵抗混凝土的收縮變形，由于假設(shè)裂縫間距均勻，根據(jù)對(duì)稱性，可認(rèn)為裂縫處的鋼筋位移為零[9]。 在計(jì)算分析中作如下基本假設(shè)： ①路面各層材料均勻、 完全彈性且各向同性，且熱學(xué)參數(shù)在溫度變化范圍內(nèi)保持恒定；②路面厚度范圍內(nèi)溫度下降相同；③忽略橫向配筋的影響；④橫向裂縫貫穿整個(gè)路面。

圖1 溫降干縮板條應(yīng)力計(jì)算示意圖

BFRP 筋采用線性梁?jiǎn)卧瑔卧愋蜑锽31，單元大小為0.02 m，AC 層及CRC 層采用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，單元類型為C3D8，單元尺寸為0.02 m。 在溫縮應(yīng)力有限元分析中，選取1/2 的帶1 根BFRP 筋的板條進(jìn)行分析，邊界條件為整個(gè)模型一側(cè)位移約束， 另一側(cè)自由，AC 層兩端位移約束，BFRP 筋兩端位移約束，CRC 層底部位移約束，一端(裂縫間距中間處)約束，一端自由。

2 模型參數(shù)選取

表1 為AC 層、CRC 層和BFRP 筋 的 基 本 參 數(shù)。 其中，BFRP 筋直徑為12 mm，間距為8 cm，埋置深度為CRC 層1/2 處；AC 層與CRC 層二者間剪切剛度系數(shù)為0.7 MPa/mm；BFRP 筋與混凝土的粘結(jié)剛度系數(shù)取10 MPa/mm[10]；溫降為30℃，橫向裂縫間距取2 m。

表1 溫縮應(yīng)力有限元模型基本參數(shù)

對(duì)于混凝土干縮， 可在有限元模型中以修正混凝土線膨脹系數(shù)表征。 計(jì)算方法如式(1)：

式中：αc為考慮干縮作用的修正混凝土膨脹系數(shù)；αc′為混凝土膨脹系數(shù)；ΔT 為溫度下降幅度(℃)；εsh為混凝土干縮系數(shù)，一般取0.0002。

3 瀝青層的影響規(guī)律分析

從溫度應(yīng)力的角度來(lái)看， 相對(duì)于連續(xù)配筋混凝土路面而言，由于復(fù)合式路面中AC 層的存在，CRC 層中的混凝土及筋材的受力情況也必然發(fā)生改變。AC 層的影響主要包括兩個(gè)方面，一是改變了CRC 層的溫度場(chǎng)，二是AC層與CRC 層在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的變形不一致對(duì)CRC 層造成的剪切作用。

目前在進(jìn)行復(fù)合式路面混凝土及筋的溫度應(yīng)力分析時(shí)，往往忽略AC 層與CRC 層的剪切作用。陳鋒鋒[11]認(rèn)為AC 層在復(fù)合式路面中主要作用是降低CRC 層的溫度梯度， 因而在溫度應(yīng)力分析模型中可忽略AC 層。 但實(shí)際上，由于溫度變化幅度以及膨脹參數(shù)的差異，瀝青層和連續(xù)配筋層將產(chǎn)生相對(duì)錯(cuò)位， 進(jìn)而產(chǎn)生一定的剪切作用，CRC 層的溫度受力也將相應(yīng)發(fā)生改變。 特別是在計(jì)算最大溫降幅度ΔT 時(shí)，對(duì)應(yīng)的是低溫時(shí)節(jié)，此時(shí)的瀝青混合料接近彈性，塑性效應(yīng)減弱，剪切作用更不宜簡(jiǎn)單忽略不計(jì)。為比較差異，本節(jié)對(duì)比分析了考慮與不考慮二者剪切作用兩種情況下的混凝土及筋的受力差異， 計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 AC 層影響結(jié)果對(duì)比

由表2 可知，CRC 層與AC 層的剪切作用對(duì)混凝土在裂縫處位移、BFRP 筋的最大應(yīng)力和位移影響較小，但對(duì)混凝土最大拉應(yīng)力具有較大的影響，從而會(huì)影響CRC層的開(kāi)裂間距， 因此在分析復(fù)合式路面混凝土及筋的溫度應(yīng)力時(shí)將考慮AC 層與CRC 層的剪切作用。

4 AC 層與CRC 層剪切剛度的影響分析

本節(jié)對(duì)AC 層與CRC 層剪切剛度系數(shù)(KAC)分別選取0.1MPa/mm、0.3 MPa/mm、0.5 MPa/mm、0.7 MPa/mm、0.9 MPa/mm 和1.1 MPa/mm， 以研究層間剪切剛度對(duì)CRC 層溫降干縮力學(xué)指標(biāo)的影響規(guī)律。

4.1 對(duì)混凝土最大拉應(yīng)力的影響

由圖2 可知， 無(wú)論是BFRP 筋還是鋼筋連續(xù)配筋復(fù)合式路面，混凝土最大拉應(yīng)力σc均隨著層間剪切剛度系數(shù)的增大而增大。當(dāng)剪切剛度系數(shù)從0.1 MPa/mm 增大至1.1 MPa/mm 時(shí)， 采用BFRP 筋時(shí)混凝土最大拉應(yīng)力從1.709 MPa 增加至2.042 MPa， 鋼筋配筋時(shí)混凝土最大拉應(yīng)力從2.999 MPa 增加至3.273 MPa。 因此，在其它參數(shù)不變的情況下， 增大剪切剛度系數(shù)可引起混凝土最大拉應(yīng)力增大，從而減小裂縫間距，減小裂縫寬度。

圖2 混凝土最大拉應(yīng)力的變化情況

圖3 裂縫寬度的變化情況

4.2 對(duì)橫向裂縫寬度的影響

從圖3 可以看出， 隨著AC 層與CRC 層之間的剪切剛度增加，AC 層對(duì)混凝土位移約束作用增強(qiáng)， 裂縫處混凝土位移減小，即裂縫寬度減小。 在裂縫間距保持2 m 的情況下， 當(dāng)剪切剛度系數(shù)從0.1 MPa/mm 增大至1.1 MPa/mm 時(shí)，BFRP 筋配筋下的裂縫寬度從0.866 mm降至0.838 mm，減小了3.2%。 這說(shuō)明盡管增大CRC 層與AC 層的剪切剛度系數(shù)有利于縮減CRC 的裂縫開(kāi)裂寬度，但其影響十分有限。

4.3 對(duì)筋材最大拉應(yīng)力的影響

從圖4 來(lái)看，層間剪切剛度對(duì)筋的最大拉應(yīng)力影響較小。 當(dāng)剪切剛度系數(shù)從0.1 MPa/mm 增大至1.1 MPa/mm時(shí)，BFRP 筋的拉應(yīng)力從241.3MPa 減小至237.4MPa，減小1.6%。 因此，AC 層與CRC 層的剪切剛度對(duì)筋的最大拉應(yīng)力影響基本可以忽略不計(jì)。

圖4 筋材最大拉應(yīng)力的變化情況

5 結(jié)論

(1)構(gòu)建玄武巖纖維連續(xù)配筋復(fù)合式路面的有限元模型，以修正混凝土線膨脹系數(shù)表征混凝土干縮，方法可行。

(2)AC 層對(duì)CRC 混凝土應(yīng)力的影響十分顯著，當(dāng)AC 層與CRC 層的剪切剛度系數(shù)從0.1 MPa/mm 增大至1.1 MPa/mm 時(shí)，混凝土最大拉應(yīng)力從1.709 MPa 增加至2.042 MPa，增幅為19.5%。

(3)AC 層對(duì)CRC 混凝土位移、 玄武巖纖維筋(BFRP筋)的應(yīng)力和位移影響較小，可忽略不計(jì)。 但對(duì)混凝土應(yīng)力影響十分顯著。

(4)AC 層對(duì)CRC 層溫縮應(yīng)力的影響規(guī)律對(duì)采用鋼筋的CRCP 同樣適用。