连续配筋水泥混凝土路面开裂过程及影响因素分析

2016-11-15屠建波

城市道桥与防洪 2016年1期

关键词：筋材模量温差

屠建波，王诚

（1.浙江省交通规划设计研究院，浙江杭州 310006；2.后勤工程学院军事土木工程系，重庆市401311）

连续配筋水泥混凝土路面开裂过程及影响因素分析

屠建波1，王诚2

（1.浙江省交通规划设计研究院，浙江杭州 310006；2.后勤工程学院军事土木工程系，重庆市401311）

为了解CRCP路面的开裂过程及影响因素，借助有限元软件ANSYS，对CRCP路面早期及后期的开裂过程进行了分析，并讨论了地基阻力、筋材模量、温差及黏结刚度对CRCP路面开裂行为的影响。结果表明：在水泥混凝土面层铺设初期，裂缝大约在其间距为40 m时稳定；当水泥混凝土板长小于15 m时，地基摩阻力对板中混凝土的应力影响很小；筋材模量越大，筋材约束混凝土变形的能力就越强，最终水泥混凝土的开裂间距越小；温差越大，水泥混凝土路面的开裂速度也越快，但最终水泥混凝土的裂缝间距是趋于一致的；筋材与混凝土间的黏结刚度越大，水泥混凝土路面的开裂速度越快，最终的裂缝间距也越小。

连续配筋水泥混凝土路面；有限元分析；开裂过程；影响因素

0　引言

连续配筋水泥混凝土路面（CRCP）是指在水泥混凝土面层配置一定数量的纵向连续钢筋和横向钢筋，横向不设接缝的路面。CRCP路面［1］是道路工程师为了克服普通水泥混凝土路面的各种病害及改善路用性能而采用的一种路面结构形式，具有完整而平坦的行车表面，增强了路面板的整体刚度，改善了汽车行驶的舒适性。

由于钢筋混凝土本身的特性，CRCP路面不可避免地会因湿气变化、温度变化、地基摩阻力及筋材约束等因素作用而产生收缩裂缝。裂缝会影响路面的整体性，是CRCP路面设计的重要控制指标。因此，本文综合连续配筋水泥混凝土路面在施工和使用过程中的实际情况，在不考虑荷载作用的前提下，对水泥混凝土强度形成期间和强度形成后的CRCP路面进行分析，了解了干缩、温缩、筋材约束及地基约束作用过程及效果，从而对CRCP的开裂过程进行探讨，为优化CRCP路面设计方案提供理论依据。

1　CRCP开裂过程及计算模型建立

1.1开裂过程

CRCP路面［2］出现裂缝通常是由干缩、温缩、地基约束力及钢筋约束力共同作用引起的。由于在水泥混凝土强度形成期间，钢筋对混凝土的约束力很小，因此，本文把水泥混凝土强度形成期间的路面开裂称为早期开裂，强度形成后的路面开裂称为后期开裂。

路面的早期裂缝主要是由干缩、温缩以及地基约束力引起。面层刚铺筑完成时，是没有裂缝的板体，失水、降温使面层板体向中轴收缩。由于地基阻力的作用，板体收缩受到约束，板体产生收缩应力。当收缩应力大于材料的抗拉强度时，在最大应力处或基层薄弱处产生收缩裂缝。

路面的后期裂缝主要由温缩、地基约束力及钢筋约束力引起。随着时间的推移，路面干缩失水基本完成，此时路面的收缩主要为温缩，温缩受到地基阻力和钢筋约束力的作用，导致裂缝的产生。特别是经过一个冬天的降温影响，路面内部收缩裂缝进一步发展，最终形成稳定的规则裂缝。

1.2计算模型

图1　有限元计算模型

2　CRCP早期开裂分析

由于在水泥混凝土强度形成期间，筋材对混凝土的约束力很小，因此不考虑筋材约束。对板长为100 m的连续配筋路面进行有限元分析，以期得到路面建成初期在干缩应力与地基阻力作用下裂缝发展的规律以及稳定以后的裂缝间距。

由于路面建成初期，温差变化不大，因此，为方便计算，在混凝土强度形成之前仅考虑干缩应力和地基阻力。计算模型中面板厚度为26 cm，地基摩擦系数取1.5，水泥单位重γc=24 000 N/m3，混凝土初期抗拉强度取2.5 MPa，干缩应变εsh取0.000 2。为了方便计算，干缩应变的产生通过降低温度来模拟，见下式：

式中：εsh为干缩应变；αT为温缩系数，10-6/℃；ΔT为降温幅度，℃。

通过计算得到0.000 2的干缩应变折合成20℃的温差。试验结果如表1和图2所示。

表1　不同混凝土板长的板中应力

图2　不同板长时混凝土板中应力

由表1知，在水泥混凝土面层铺设初期，由于混凝土的干缩作用及地基阻力的作用，面层产生裂缝，大约在裂缝间距为40 m时稳定。因此，在后面的分析中，以40 m作为起始路面长度。

3　CRCP后期开裂分析

在对连续配筋混凝土路面的后期开裂进行分析时，本文通过有限元对地基阻力、筋材模量、温差及黏结刚度对开裂行为的影响进行分析。分析一种因素的影响时，其他因素保持不变。计算模型中板长为40 m，面板厚度为26 cm，筋材直径为16 mm，纵筋间距为11 cm。

3.1地基阻力影响

新的用户如果想要获得水权，或许可从政府预留的水权中申请，但更普遍的情况是必须从老用户手中购买。愿意卖水权者，肯定是他自己用水的效益不如卖水收入高；而买水权者，肯定他使用水资源的效益要超过购买水权的成本。因此，通过水权的交易，水资源不断从低效用水者向高效用水者转移，从而实现水资源的高效配置，并可借助市场机制随时动态调整、不断优化。

为了研究地基摩阻力对路面后期开裂的影响，在其他条件相同的情况下，对仅考虑筋材约束和同时考虑地基阻力及筋材约束两种情况下的板中应力进行比较。计算模型中筋材为50 GPa的玄武岩纤维筋，摩擦系数取1.5，温差取35℃，黏结强度取34 MPa/mm，结果如图3所示。

图3　地基阻力对板中应力的影响

由图3可知，当水泥混凝土板长小于15 m后，地基摩阻力对板中混凝土的应力影响很小，混凝土开裂主要受筋材的约束，筋材约束越强，板体断裂越快。对于连续配筋水泥混凝土路面，裂缝间距指标为1～2.5 m，因此在后面的开裂影响因素分析时，忽略地基摩阻力的影响。

3.2筋材模量影响

为了研究混凝土强度形成后筋材模量对混凝土开裂的影响，筋材模量分别取210 GPa（钢筋）、150 GPa、100 GPa、50 GPa（玄武岩纤维筋），温差取35℃，黏结强度取34 MPa/mm，结果如图4所示。

图4　筋材模量的影响

由图4看出，在不计地基阻力影响下，当温差和黏结刚度相同时，筋材的模量对混凝土开裂间距有较大影响；筋材模量越大，筋材约束混凝土变形的能力就越强，开裂速度越快，表现为最终水泥混凝土的开裂间距越小；并且连续配筋路面板中应力随着板长减小而减小，板长大于20 m时应力变化较为缓慢，板长小于20 m时，应力急剧减小。

通过长期观测玄武岩筋CRCP路面和钢筋CRCP路面的开裂速度，发现玄武岩筋CRCP路面开裂较慢，与前面有限元分析的结论一致，即路面开裂速度随筋材模量的增大而增大。为了保证行车舒适性，CRCP路面的裂缝宽度要很小，而裂缝宽度与裂缝间距正相关，路面要求较快完成开裂，因此有必要提高玄武岩纤维筋的模量。

3.3温差影响

为了研究混凝土强度形成后温差对混凝土开裂的影响，温差分别取30℃、35℃、40℃、45℃，筋材模量取50 GPa（玄武岩纤维筋），黏结强度取34 MPa/mm，结果如图5所示。