连续配筋混凝土路面配筋设计研究概述

王衍辉 杨福斌 徐士翠

1 概述

水泥混凝土路面具有承载能力大、养护费用少、稳定性好、耐疲劳、抗冻性和耐磨性优良、对腐蚀性介质相对不敏感等优点，并且不会出现车辙、壅包等现象，加之我国优质路用沥青资源的匮乏和水泥资源相对丰富，修筑水泥混凝土路面具有广阔的前景。

连续配筋混凝土路面(Continuously Reinforced Concrete Pavement，以下简称CRCP)是道路工作者为克服普通混凝土路面诸如唧泥、错台等接缝处病害而研究的一种路面，在路面纵向连续配足够数量的钢筋，以控制混凝土路面板纵向收缩产生的裂缝宽度和数量。同时，横向也配有一定数量的钢筋来支撑纵向钢筋。在施工时完全不设胀、缩缝(施工缝及构造所需的胀缝除外)，形成一条完整而平坦的行车平面，从而改善了汽车行驶的平顺性，同时又增强了路面板的整体强度。CRCP结构图如图1所示。

2 CRCP应用

20世纪80年代以来CRCP以其良好的使用性能在欧美国家得到了广泛的应用，最早应用CRCP的国家是美国，之后比利时、英国、法国、澳大利亚、加拿大、意大利、西班牙、日本等很多国家都修筑了CRCP，并将CRCP应用于国道、汽车专用道路和城市道路，特别是高等级公路和重要道路。我国CRCP应用较晚，东南大学、长安大学和长沙理工大学等科研机构进行了CRCP试验路和实体工程的研究工作。2001年在京珠高速公路耒阳至章宜段修建了总长40.1 km的CRCP，实现了CRCP在国内高速公路中由无到有的突破。

3 CRCP病害

混凝土路面板受到基层和钢筋等结构约束作用，在环境荷载和混凝土干缩等因素影响下必然开裂，主要以横向裂缝为主。路面开放交通以后，加之车辆荷载的作用，裂缝宽度较大以及横向裂缝间距较小的板经不起车辆荷载反复疲劳作用将会产生纵向的开裂。由两条横缝、一条纵缝和路面边缘所包围的路面面积是典型的CRCP冲断破坏。冲断破坏还有其他的形式，如密集裂缝处冲断和“Y”形冲断等，见图2。基于路面长期性能(Long-Term Pavement Performance，简称LTPP)研究的试验路数据，Elkins等发现大部分冲断发生在横缝间距为0.3 m～0.6 m的密集裂缝处。

4 冲断机理

关于冲断的发展存在两种观点:一种观点认为纵向开裂是由上至下的开裂，如同悬臂梁;另一种观点认为纵向开裂是由下至上的开裂，如同简支梁。两种观点一致认为冲断原因如下:1)横向裂缝宽度大、裂缝传荷能力(LTE)低，车辆荷载作用引起混凝土板的横向应力增加;2)重复轴载作用增加了混凝土板的疲劳;3)当累积疲劳超过了疲劳强度，CRCP产生纵向开裂，即产生冲断。

为减少冲断，应使裂缝宽度尽可能的小。AASHTO 2002计算公式表明裂缝宽度是裂缝间距的函数，裂缝间距越大，裂缝宽度越大。同时，调查也发现冲断经常发生在较小裂缝间距处。裂缝间距是混凝土抗拉强度、配筋率、混凝土板厚、温降和干缩以及基层摩阻的函数。裂缝宽度影响CRCP结构的连续性，保持横向裂缝处结构连续性对保证CRCP良好性能是至关重要的，结构连续性用裂缝传荷效率(LTE)来衡量。裂缝宽度越小，横向裂缝传荷能力越好;裂缝较宽，在车辆荷载反复作用下，裂缝处传荷能力下降，最终导致板顶部或底部横向拉应力增加，增加疲劳，并最终产生纵向裂缝，引起冲断。CRCP配筋设计的基本思想是通过合理配筋使CRCP产生适当的横向裂缝来释放由于温度和湿度变化引起的应力，并使裂缝宽度较小来保持结构在横向裂缝处的连续性。裂缝间距和裂缝宽度(或LTE)对冲断产生有重要的影响。

5 配筋设计

5.1 国外配筋设计

AASHTO 2002设计CRCP时以平整度和冲断为指标，对路面设计寿命内不同时期进行分析。不同时期计算采用的设计参数不同，采用时间增量法，在分析CRCP早期性能时，采用的是早期混凝土参数、环境荷载等。分析通车后CRCP性能时采用的混凝土参数、环境荷载和交通荷载等也是随着时间变化的。因此AASHTO 2002能够对设计寿命期内不同时刻CRCP性能进行预估，这种预估的前提是对混凝土参数、环境荷载和交通荷载等随时间变化的预估。AASHTO 2002设计指南给出了CRCP配筋设计计算公式，该公式是基于理论的经验公式，式(1)～式(4)分别为AASHTO 2002计算平均裂缝间距、裂缝宽度、裂缝处钢筋应力和冲断数的理论经验公式。

理论经验公式表明裂缝宽度是裂缝间距的函数，裂缝宽度与裂缝间距基本成正比;冲断受混凝土板厚、配筋率、基层类型和施工等因素影响。

5.2 国内配筋设计

JTG D40-2002水泥混凝土路面设计规范中给出了横向平均裂缝间距式(5)、裂缝宽度式(6)和钢筋应力式(7)的计算公式。在配筋设计时初拟配筋率，再计算裂缝间距、裂缝宽度和钢筋应力，任何一项不能满足规范要求时需要增大或减小配筋率重新计算直到满足要求。

裂缝宽度是裂缝间距的函数，裂缝宽度与裂缝间距基本成正比，没有考虑冲断。

5.3 国内外配筋设计评述

AASHTO 2002中CRCP配筋设计是基于理论的经验方法，而且有配套的设计软件MEPDG，在CRCP设计过程中考虑到CRCP全寿命进行裂缝间距、裂缝宽度、钢筋应力和冲断发展的分析，不同时刻计算时采用不同的路面参数。AASHTO 2002将冲断作为一个指标，综合考虑了板厚、配筋率、基层类型、施工和荷载的影响，设计过程更符合实际。国内规范仅对裂缝间距、裂缝宽度和钢筋应力进行控制，采用的设计参数跟路面使用时间没有关系，采用最不利条件下的荷载，没有考虑施工方法等对路面的影响。

6 结语

可见，国内外均通过裂缝间距、裂缝宽度和钢筋应力来控制CRCP合理裂缝形式，合理的裂缝形式是避免冲断的必要条件。国外对冲断数进行了预估，冲断与混凝土板厚、配筋率、基层类型、施工及荷载有关，说明合理裂缝间距只是不冲断的前提条件。

因此为保证CRCP良好的使用性能，以裂缝间距、裂缝宽度(或LTE)和钢筋应力为指标进行配筋设计以达到合理裂缝间距的同时，还应该考虑冲断指标。

［1］ 王衍辉.连续配筋混凝土路面横向裂缝分布预估［D］.西安:长安大学，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，水泥混凝土路面设计规范［S］.

［4］ 胡长顺，曹东伟.连续配筋混凝土路面结构设计理论与方法研究［J］.交通运输工程学报，2001(6):36-37.

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