美国连续配筋水泥混凝土路面开裂行为控制指标与措施研究综述

美国AASHTO 2002力学经验设计指南和中国JTG D40-2011《公路水泥混凝土路面设计规范》都将连续配筋水泥混凝土路面(简称为CRCP)横向裂缝的开裂间距和横向裂缝处钢筋位置的裂缝宽度同时作为控制指标。然而,国际上对CRCP开裂行为的合理控制指标尚存在争议。该文回顾了20世纪60年代至今美国在CRCP开裂行为控制指标与水泥混凝土材料组成、纵向和横向钢筋的布设和施工条件等对开裂间距及裂缝宽度影响的关键因素方面的研究成果。     

连续配筋混凝土路面早期横向开裂分析

结合耒宜高速公路连续配筋混凝土路面(CRCP路面)试验路的调查结果，分析了CRCP路面早期横向开裂的影响因素。结果表明，混凝土的温缩和于缩作用受到钢筋和地基的约束是造成开裂的主要原因。从而为了解CRCP路面的裂缝成因及合理控制裂缝间距、裂缝宽度和钢筋应力提供了参考依据。     

玄武岩纤维筋连续配筋混凝土路面冲断破坏力学分析

板底出现脱空、横向裂缝间距过窄及横向裂缝传荷能力下降会导致连续配筋混凝土路面产生冲断破坏。该文考虑冲断破坏影响因素,建立玄武岩纤维筋连续配筋混凝土路面三维脱空有限元模型,分析板底脱空、横向裂缝间距和裂缝传荷能力对冲断破坏的力学性能影响。研究结果表明:随着板底脱空区域宽度的增加,受荷板的板顶最大横向拉应力及其竖向位移显著增大,横向裂缝传荷能力显著降低,板底脱空极易导致混凝土板的断裂和破碎,良好的板底支撑可以减少冲断破坏。板底脱空条件下,横向裂缝间距越窄,受荷板的板顶最大横向拉应力及其竖向变形愈大,裂缝传荷能力愈差,愈易产生冲断破坏。板底脱空时,增大横向裂缝剪切刚度改善混凝土板的力学性能效果比板底未脱空时的改善效果更为显著,工程上应提高玄武岩纤维筋与水泥混凝土的黏结强度,使横向裂缝剪切刚度增大,集料嵌挤强度高,裂缝传荷能力增强,可以极大地改善混凝土板的力学状态。     

连续配筋混凝土路面横向裂缝传荷作用的数值模拟和敏感性分析

国内现行的水泥混凝土路面规范在对连续配筋混凝土路面(CRCP)进行配筋设计时,忽略了横向裂缝的传荷作用,现有研究对传荷作用影响因素的敏感性分析也不够全面具体。针对这些不足,分析了横向裂缝的传荷机理;运用ABAQUS有限元软件建立了CRCP的带裂缝数值模型;运用等效面积原理,将单轮接触面积简化为矩形,在横向裂缝边缘施加等效荷载,对某实体工程进行了力学响应计算;利用Grovetti和Zollinger的经验公式对裂缝传荷效率(LTE)的有限元解进行了验证;通过敏感性分析,确定了筋材种类、基层刚度、纵向配筋率、地基反应模量和横向裂缝宽度等因素对CRC板层底拉应力分布和LTE的影响。计算结果表明:在横向裂缝两侧设置剪切刚度弹簧单元可以较好地模拟传荷作用;绘制了CRC板在车辆荷载作用下的应力和应变云图;得出了该实体工程的LTE为89.73%、传荷性能评级为优的结论;钢筋、BFRP筋和GFRP筋对应的LTE分别为89.73%,88.11%和87.73%;大刚度基层、半刚性基层和柔性基层对应的LTE分别为92.32%,89.73%和89.47%;直径8,16 mm和24 mm对应的LTE分别为87.77%,89.73%和92.55%;地基模量50,100 MPa和150 MPa对应的LTE分别为89.73%,91.82%和99.04%;裂缝宽度0.2,0.5 mm和0.8 mm对应的LTE分别为94.40%,89.73%和86.49%。     

连续配筋混凝土路面横向裂缝传荷力及其影响因子研究

现有设计规范对连续配筋混凝土路面(CRCP)进行结构计算时,较少关注横向裂缝的传荷力作用,关于其传递机理和影响因子的研究也不充分。文章在某路面结构的基础上,建立了CRCP的带缝有限元模型,并在横向裂缝位置嵌入了系列剪切刚度弹簧,模拟了传荷力作用;绘制了单侧偏荷载作用下,CRCP横向裂缝两侧的应力和应变云图;用Grovetti解和Zollinger解验证了模型的可靠性;分析了钢筋类型、基层刚度、钢筋配筋率、地基模量和裂缝宽度等因子对CRC板米塞斯应力分布的影响。文章成果可以指导刚性路面的设计和计算,也利于推广CRCP在道路工程实践中的应用。     

连续配筋混凝土路面的冲断破坏及其影响因素

连续配筋混凝土路面（CRCP）是一种高性能的水泥混凝土路面结构,冲断是CRC板的主要破坏形式,对影响冲断发生的因素进行了研究。横向裂缝的宽度过大会导致裂缝传荷能力的丧失,间距过小使车轮荷载在横向的分配占优势,混凝土板的横向应力大于纵向应力。充分的板厚可以提供足够的抗拉强度,适当的纵向钢筋配筋率可以产生较好的开裂模式,良好的板底支撑可以防止冲断的出现。     

考虑裂缝传荷能力损失的连续配筋混凝土路面设计

目前连续配筋混凝土路面(CRCP)的设计基于两种方法,一种是根据CRCP板厚与普通接缝式混凝土路面板厚的一定比值关系,另一种是直接与某些相关参数如裂缝宽度、裂缝间距和钢筋应力的设计限制标准等建立关系.在均匀支承条件下,CRCP路面的厚度设计应考虑两点,一是使路面裂缝处保持较高的传荷效率,二是控制板的疲劳开裂,大致发生早期折断破坏.在非均匀支承条件下,荷载会加速集料的损耗和由于挠曲应力作用造成的累积疲劳损坏.     

水压下开裂混凝土中水分渗透红外试验

为了研究水下隧道开裂混凝土中水分渗透过程和影响因素,基于Richards方程和立方定律提出了外水压力下水分在开裂非饱和混凝土中的运动方程,根据水下隧道一侧承受外水压力、一侧接触大气的服役环境,设计了混凝土内部孔洞和裂缝承受冷却压力水的渗透试验,采用红外热像仪可视化研究水分入渗开裂混凝土的过程;通过红外辐射特性来分析裂缝几何特征、外水压力和初始饱和度对开裂混凝土中水分渗透的影响,并将试验结果与水分运动方程的影响因素进行对比。结果表明：外水压力越大、混凝土初始饱和度越小,则开裂混凝土试块的内外温差越大,表面温度变化曲线越陡峭,说明水分流速相应地越快,入渗深度越大,证明外水压力和初始饱和度都是开裂混凝土中水分运移的驱动因素;裂缝宽度越大、裂缝长度越长,混凝土试块表面红外温度越低,试块内外温差越大,说明裂缝面积越大导致冷却水入渗流量越大和渗透深度越深,证明裂缝宽度与开裂混凝土的渗透性正相关;另外垂直裂缝方向相比平行裂缝方向的红外热图观测效果更明显。在进行水下隧道渗漏预测时不宜忽略裂缝几何特征、外水压力和初始饱和度,不然会低估水流速度和流量,影响水下隧道的长期安全和耐久寿命。     

玄武岩纤维筋连续配筋复合式路面荷载应力分析

运用 ABAQUS 有限元软件,建立了基于弹性地基双层板模型和裂缝模式下的玄武岩纤维筋连续配筋复合式路面荷载应力有限元模型,提出用粘结单元定义裂缝接触面的法向和切向接触本构行为,即用裂缝剪切刚度来模拟裂缝间的嵌锁作用。通过分析确定了不同裂缝间距下复合式路面的临界荷位---纵向自由边中部,并比较了 BFRP筋和钢筋两种配筋条件下混凝土板应力随 AC 层厚度、CRC 层厚度、筋位置、配筋率及裂缝剪切刚度的变化规律。计算结果表明,2种配筋条件下混凝土板应力值随参数变化规律相似,应力值基本相等,这为 BFRP筋应用于 CRC ＋AC 复合式路面提供了理论依据。     

连续配筋混凝土路面收缩应力及参数敏感性分析

连续配筋混凝土路面(简称CRCP)受到钢筋和基层的约束,在温降和混凝土干缩作用下产生收缩应力,当收缩应力超过连续配筋混凝土(简称CRC)强度时便会开裂。该文建立了CRCP在温降和干缩作用下的应力分析模型,得到收缩应力表达式及应力沿公路纵向分布,分析混凝土强度、干缩、热膨胀系数、基层摩阻、钢筋与混凝土之间的粘结刚度等参数对CRCP收缩应力影响的敏感性。结果表明:收缩应力在板中最大,裂缝处为0;混凝土强度、干缩、热膨胀系数、基层摩阻、钢筋与混凝土之间的粘结刚度是影响CRCP开裂的关键参数。     

连续配筋砼路面小板段荷载应力简化公式研究

连续配筋水泥混凝土路面(CRCP)在铺筑完成一段时间后,会在路面纵向上断裂成许多单独的板块。借助正交设计和多元统计回归方法,在有限元计算的基础上,提出了单块小板段的荷载应力简化计算公式。极差分析结果表明,CRCP荷载应力影响因素的重要程度从大到小依次为:板厚、裂缝宽度、地基反应模量、混凝土模量。单因素单变量的回归分析,确定了荷载应力和各影响因素之间的大致关系。通过对各变量的假设组合分析,以单变量多因素的多元统计回归方法获得了一定精度并能通过假设检验的拟合公式。     

连续配筋混凝土路面温度场研究及设计参数敏感性分析

针对现有研究较少关注温度场形成条件对连续配筋混凝土路面(CRCP)结构设计参数影响的不足,依托南方某实体路面结构,以工程传热理论和有限元(FE)方法为指导,利用Fortran语言编制的热力学边界条件子程序拓展有限元软件Abaqus的主程序功能,对CRCP的温度场进行了仿真模拟,对钢筋埋置位置的温降幅值和正、负温度梯度等设计参数的敏感性进行了分析。计算结果表明:①CRCP板厚越大,正、负温度梯度越小;②钢筋埋置位置越深,温降幅值越小;③水泥混凝土的热传导率越大,正温度梯度越大,负温度梯度减小,温降幅值变化不大;④两个温度参数(温降幅值、温度梯度)均随水泥混凝土比热容的增大而减小。     

典型气候与施工条件下连续配筋水泥混凝土路面配筋率指标研究

配筋率是连续配筋水泥混凝土路面(Continuously Reinforced Concrete Pavement,简称CRCP)重要指标之一。钢筋主要用于约束混凝土收缩变形,保证在自然开裂条件下横向开裂的宽度在允许范围内。针对中国幅员辽阔、气候条件差异大的情况,该文使用自行开发的RP_TMP程序,根据美国AASHTO 2002路面力学-经验设计方法,分别计算了西安、漠河、沈阳、南京、拉萨、乌鲁木齐、昆明等7个代表性地区在高温和低温施工季节时,CRCP的平均开裂间距和裂缝宽度。参考欧美等国家CRCP的开裂控制指标,确定了保证裂缝宽度在最不利季节时小于0.5mm的所需配筋率,可供工程技术设计与研究人员参考。     

Plastic Shrinkage Cracking Behavior of Pavement Cement Concrete at Early Age

针对目前路面水泥混凝土易于出现塑性开裂的情况,为更合理优化路面混凝土原材料与配合比设计参数,采用笠井芳夫教授提出的大板法,对比研究了水泥细度、矿物掺和料种类及掺量、混凝土配合比设计参数对路面混凝土早期塑性开裂性能的影响.试验结果表明,水泥的比表面积越大,矿物掺和料掺量越高,水灰比越小,混凝土浆集比越大时,越不利于路面水泥混凝土的塑性开裂控制.且相对于粉煤灰与矿粉,硅灰作为矿物掺和料时,硅灰将更显著降低混凝土抗塑性开裂等级.为提高路面水泥混凝土的抗裂性,宜选择比表面积小于360 kg/m3的水泥,水灰比大于0.4、浆集比小于275:725的配合比设计参数.当混凝土中掺加活性矿物掺和料时,应加强混凝土的早期养护,以抑制塑性裂缝的出现.     

预应力钢-混箱形组合连续梁负弯矩区开裂分析

为研究预应力钢-混箱形组合连续梁墩顶部位(负弯矩区)的受弯性能及预应力设置方法,以广吉高速某组合连续梁桥为背景,以1∶4的缩尺比制作该桥负弯矩区模型梁进行纯弯试验,结合有限元计算结果,分析组合梁负弯矩区的破坏形态、裂缝开展及开裂弯矩等力学性能;模拟改变预应力位置及预应力张拉水平,研究预应力设置对组合梁开裂性能的影响。结果表明:模型梁最终发生塑性弯曲破坏,破坏时裂缝均匀分布且间距与箍筋间距相近,模型梁开裂弯矩为156.0kN·m;在不同预应力张拉水平下,混凝土板对称轴单侧预应力筋合力点至对称轴的距离s与1/2板宽B的比值为0.15～0.50时,开裂荷载较大;预应力张拉水平越高,开裂荷载对预应力筋位置的变化越敏感;原型梁开裂弯矩为15 840kN·m,当s=0.4B时,开裂弯矩可提高约11%。     

隧道内连续配筋混凝土路面早期裂缝发展研究

对隧道内CRCP从铺筑至7d龄期的裂缝长度、宽度和间距进行调查,结合早期温度场、应力场的分布,得到了隧道内CRCP早期裂缝的发展规律及影响因素.研究表明:混凝土铺筑后的前4d,尤其是前2d,内部温度明显高于气温,应力呈显著上升趋势,85％的早期开裂出现在这一阶段;水泥水化、早期干缩是混凝土内部温度、应力上升的主要因素;使用低热水泥、降低单位用水量、提高混凝土的均匀性可以有效地控制裂缝长度、宽度和间距.     

连续配筋混凝土路面裂缝的发展规律分析

连续配筋混凝土路面(CRCP)作为一种特殊混凝土路面,主要为了提高路用性能和防治各种病害。其薄弱面为裂缝位置,而对裂缝评价的直观指标为裂缝间距和宽度。以不同配筋率的两段CRCP为依托进行长期观测,分析归纳了CRCP路面的裂缝形态、宽度以及间距的发展规律,并对裂缝间距以及宽度的优劣进行了评定。此外还提出了裂缝间距与宽度与配筋率及龄期的关系。     

斜向预应力混凝土路面数值模拟

为研究斜向施加预应力路面的受力特性,通过理论推导由斜向预应力产生的路面板内压应力计算公式,预应力筋的直径、布设角度和间距是影响板内应力的主要因素。建立力学模型,模拟分析预应力筋作用位置、布设间距和角度以及直径大小对路面板应力的影响,结果表明,斜向预应力混凝土路面的锚固区和板角部分区域出现拉应力,但混凝土不会出现开裂;预应力筋布置在1/2板厚偏下是合理的,此时板底压应力大于板顶部,路面板产生负弯矩;预应力布设角度建议范围为25＆#176;～45＆#176;;考虑到经济性和预应力筋张拉空间,建议预应力筋布设间距最小为0．5 m,预应力筋的布设间距也不能过大,过大易造成路面板应力分布不均匀;可通过调整预应力筋的直径,以得到合理的布设角度和间距。     

土工合成材料与土界面剪切特性数值模拟

应用有限单元法,建立了土工合成材料拉拔试验计算模型,分析筋土界面力学行为,研究拉拔端不同位移时筋土界面摩阻力与筋材拉伸变形的分布特点,以及筋材刚度与试验超载对筋土界面摩阻力、筋材拉伸变形的影响。结果表明:筋土界面摩阻力并非均匀分布,位于拉拔端附近界面摩阻力有一峰值;对于高强度筋材,随着拉拔端拉伸位移的增大,峰值摩阻力逐渐后移,直至整个界面发生剪切滑动;筋材拉伸刚度与超载需匹配,超载越大,筋材刚度越高,筋材承载能力越强。     

预应力CFRP筋混凝土板试验研究

设计了一种以CFRP筋用作预应力筋的新型板结构,对预应力CFRP筋混凝土板实现过程中的关键性问题—CFRP筋锚固系统进行了试验研究,并对预应力CFRP筋混凝土板进行室内抗弯性能试验,系统地分析了预应力CFRP筋混凝土板的开裂荷载、极限荷载、CFRP筋应力状态和破坏形态等,结果表明:受拉区配有普通钢筋的无粘结预应力CFRP筋混凝土板的抗弯受力过程大致可分成3个阶段:加载初期的弹性受力阶段,裂缝出现至拉区普通钢筋屈服的弹塑性阶段,CFRP筋主要承拉的变形快速发展破坏阶段;无粘结预应力CFRP筋混凝土板的破坏形式为CFRP筋的低模量导致的变形快速发展,裂缝延伸,有效受压混凝土面积减小导致的混凝土压碎失效;裂缝形态多为等间距的平行裂缝,裂缝初期发展较慢,在普通钢筋屈服后迅速开展。