国外连续配筋混凝土路面应用和研究现状

邢 进

（吉林省高等级公路建设局，吉林 长春 130021）

0 引言

连续配筋混凝土路面（简称CRCP），是在水泥混凝土路面板内沿道路纵向配置一定量的连续钢筋。通过连续配置的纵向钢筋来承担水泥混凝土路面在冬夏温差作用下产生的温度应力，因此在整个路面范围避免了横缝的设置，从而在一条车道上形成了完整的道路表面，增强了行车舒适性。由于连续配置的纵向钢筋能有效制约混凝土产生过大的温度变形，使混凝土因温度收缩产生的裂缝分散在整条道路的更多部位，较大地减小了裂缝宽度，使裂缝位置对应的混凝土能够保持紧密地接触，提高了混凝土路面的整体性，减少了水泥混凝土路面在横向接缝处产生的病害。因此在西方发达国家，水泥资源丰富的地区较多地采用了连续配筋混凝土路面。

1 国外的应用现状

早在1920年代，西方世界开始尝试使用CRCP，经过80多年的应用和研究，表明：连续配筋混凝土路面不设置横向接缝，改善了混凝土路面的表面平整度；板内配置的纵向连续钢筋提高了路面的整体性，同时养护和维修费用减少；在重载交通量大和地质不良地段采用CRCP更加具有优势；将连续配筋混凝土路用在道路改建过程中也有较好的使用效果[1]。目前，在比利时、美国、瑞典、澳大利亚、荷兰、日本、英国、德国等国家，连续配筋混凝土路面有着较为成熟的应用[2-6]。其中，美国和比利时是使用CRCP最为广泛的国家[7]。1921年，美国在华盛顿特区修建了世界上第一条长度约600m的CRCP[8]。1938年开始对连续配筋混凝土路面进行系统的试验研究工作，对不同配筋率和不同钢筋形式的试验路进行研究和对比分析[9-10]。此后，在德克萨斯州、伊利诺斯州、新泽西州、加利福尼亚州等地进行了大量的实际工程建设[11]。从20世纪50年代开始，伊利诺斯州在4267公路的洲际高速公路工程中使用了连续配筋混凝土路面，并在其首府芝加哥地区的城际高速公路中都采用了CRCP，显示出连续配筋混凝土路面具有优异的使用性能，尤其在恶劣天气情况和交通繁忙的工作条件下有更加优良的表现[12-14]，在德克萨斯州甚至将连续配筋混凝土路面的使用写入了州宪法当中。截止到1995年，美国的连续配筋混凝土路面建设总里程超过48 300km[15]。比利时在欧洲最早开始修建连续配筋混凝土路面，从20世纪50年代开始修建CRCP试验路。20世纪80年代之后，比利时所有的高速公路均采用CRCP作为路面结构形式，至20世纪末期比利时大约修建了1 800万m2的连续配筋混凝土路面[6]。在日本，大约有10 697km的公路使用了连续配筋混凝土路面[16]。澳大利亚也已经制定了较为完善的CRCP设计和施工规范，并在实际道路建造过程中进行推广[2，17]。英国直到1975年才开始使用CRCP，到1983年修建了27km的连续配筋混凝土路面，1989年英国将连续配筋混凝土路面使用在地质条件很差的高速公路上，修建了一段4.8km长的CRCP，取得了较好的使用效果，之后主要在不良地质地段修建的高速公路工程中采用连续配筋混凝土路面[7，18]。在1994年，马来西亚在北起泰国边境、南至新加坡建成了一条850km长的采用连续配筋混凝土路面的双向高速公路[19]。

2 国外的研究现状

从1921年建造第一条采用CRCP路面结构形式的道路工程以来，国外学者就开始进行CRCP的研究工作，主要研究内容包括设计、施工和使用性能等方面。为了弄清连续配筋混凝土路面的使用性能，从20世纪50年代以来美国土木工程学会联合相关科研机构在有关道路养护部门的协助下，对CRCP进行了大量的实际工程调查研究，通过总结多年的CRCP跟踪观测数据，完成了一系列有价值的论文和研究报告。得出了非常重要的理论模型、总结了实用性较强的经验公式和数据回归曲线图表。

1933年，美国学者维托（Vetter C.P.）等人以CRCP中混凝土干缩和温缩应力及钢筋的屈服强度作为控制因素，计算了CRCP的最小配筋率，并给出了相应的设计公式，奠定了CRCP的设计基础[16]。Texas大学的S.R.Hudson和B.F.McCunogan等人通过大量的试验数据和工程调查结果，制定了CRCP设计诺模图[20-22]。Persson Boe于1969年在裂缝处涂抹沥青，将CRCP看成在裂缝处弹性铰接的结构，进行了设计计算和结果分析[23]。McCullough B.F.，Boedecker K.J.等人基于层状弹性理论在线弹性范围内对CRCP进行了计算分析，并将该理论应用于连接机场混凝土路面的连续配筋混凝土罩面层[24]。McCullough B.F.跟踪观测了186个设有终端锚固系统的CRCP，探索了连续配筋混凝土路面端部锚固系统的工作机理[25]。Anon在1972年给出了考虑端部锚固系统的CRCP设计方法，并制定了过渡时期的规范参考指南[26]。

美国最终在1975年提出了CRCP的设计计算程序，即CRCP－1计算程序，主要用来计算CRCP的混凝土板厚和配筋率。1979年，在CRCP－1的基础上考虑了端部锚固作用，基于弹性理论，假定地基摩阻力系数不变，截面上温缩和干缩应力均匀分布，忽略混凝土徐变变形和板的翘曲变形，得出了计算CRCP连续钢筋和混凝土应力以及混凝土路面板裂缝间距与裂缝宽度的一维纵向力学模型，给出CRCP－2设计程序[27]。此后经过多次的模型改进和参数修正，使设计程序越来越完善，直至给出了CRCP－10[28]，使CRCP的设计日臻成熟。

在CRC P的使用早期，美国在设计理论中，考虑了纵向钢筋能够参与承受车辆荷载，使CRCP的路面厚度比普通水泥混凝土路面厚度略小，导致对于交通量较大的道路，出现较为明显的破坏。这是因为在连续配筋混凝土路面中，为了将裂缝宽度控制在一个合理的范围内，往往将纵向钢筋设置在板的中性层附近，以便于承担由于混凝土干缩和温缩产生的路面应力，这样配置钢筋的形式，使钢筋协助混凝土路面板承担弯拉应力的能力极大降低，减薄混凝土路面厚度致使路面造成大量的破坏。基于上述原因，工程设计人员按照普通水泥混凝土路面的计算理论设计CRCP的路面厚度。在现行的AASHTO设计方法中，美国根据实际工程的观测和调查结果，以裂缝间距、裂缝宽度和钢筋应力作为CRCP设计中的三个控制性指标，给出了纵向连续钢筋配筋率的设计诺模图[1]。使CRCP的设计区域合理，很好地控制了CRCP的各种路面病害，使其应用范围得到了很好的推广。

基于美国的观测结果，国外学者对连续配筋混凝土路面的研究主要从CRCP的裂缝间距和裂缝宽度，考虑在温缩和干缩作用下路面内纵向钢筋和混凝土的应力状态等几个方面的控制参数入手，最终确定CRCP的配筋率和配筋方式。以此为原则，McCullougn B.F.等人在德克萨斯州建造的采用连续配筋混凝土路面作为路面结构形式的试验路中，使用了两种不同类型的粗骨料，设计了不同的配筋率和配筋方式，调查了裂缝宽度、裂缝间距等路面使用状态，比较了不同参数对CRCP的影响[29]，得出了横向裂缝是影响CRCP路面力学行为和性能的重要因素，应作为CRCP最重要的设计参数，因为裂缝宽度过大容易导致路面剥落、断板和纵向钢筋断裂等病害[30]。

随着连续配筋混凝土路面的推广和研究的深入，工程人员发现影响连续配筋混凝土路面裂缝宽度的重要因素为钢筋与混凝土之间的黏结性能、地基摩阻力系数、混凝土的导热效率和抗拉强度等[31]。1972年Xin Da－peng等人基于半无限长路面结构，考虑混凝土路面板与基层之间的地基摩阻力效应以及纵向与混凝土之间的黏结滑移效应，建立了较为合理的微分方程，提出了预测升温作用下和路面碱集料反应引起的CRCP纵向变形的一维模型，给出了CRCP纵向位移的解析表达式[21]。

美国的相关研究人员除了寻求符合C R CP实际工作状态的理论模型之外，有相当一部分学者通过对连续配筋混凝土路面试验路和实际工程的大量跟踪调查结果，制定了实用性较强的有关CRCP横向裂缝、病害以及使用寿命等参数的预测模型。Carmichael R.F.等人在得克萨斯州对4个在役的CRCP进行了诊断性研究，给出了计算机辅助预测性能模型，能够可靠地预测连续配筋混凝土路面的工作状态[32]。Darter Michael I.通过调查伊利诺伊州的CRCP病害类型和机制，确定了CRCP病害的种类和数量，并将此数据用于维护和改善CRCP设计程序[33]。Saxena S.K.，Dounias G.T.等人研究了机械和环境的压力的叠加对CRCP的综合影响，结果表明冬夏温差对CRCP产生的负荷最为严重[34]。McCullough B.F.等人在1986～1995年，在大休斯顿地区建造了85条试验路，每条路按照粗骨料类型、配筋率、钢筋直径、钢筋布置层数、施工季节等不同参数控制设计了8～22个试验段，通过长期的连续跟踪监测，分析了CRCP的温度裂缝，在此基础上评估了新的设计元素和施工因素，旨在控制早期裂缝和降低粗骨料的热膨胀系数。研究结果显示，温度裂缝的重要影响因素包括粗骨料类型、施工季节、配筋率和钢筋直径[35]。Kim Seong－Min等人基于分层理论，开发了CRCP二维和三维有限元模型，经过与实际观测数据的对比分析，说明该模型有较好的实用性[36]。Suh Young－Chan等人经过调查得出施工完成后头3天CRCP出现的裂缝最多[30]。W.Angela J.等人提出了一种CRCP病害的可靠性概率模型，并成功应用于路面管理系统[37]。Lu Jian等人采用最大熵谱分析（MESA）方法分析了不同粗骨料类型的CRCP横向裂缝间距的分布情况[22]。Selezneva Olga等人探讨了CRCP横向裂缝发生的时空特征，给出了横向裂缝发展的理论模型，该模型可以系统地表征裂缝间距纵向变化情况[38]。Khazanovich Lev等人基于神经网络和有限元理论，分析了CRCP的积累病害[39]。Nagataki Shigeyoshi等人利用微膨胀混凝土建造CRCP，得出了加入膨胀剂后，可以消除绝大部分CRCP横向裂缝[40]。

在亚洲，日本的Tatsuo Nlshaizwa等人基于弹性地基薄板理论和有限元理论，将CRCP比拟成弹性地基上的三层薄板单元，采用弹簧模型裂缝处的连接，建立了有限元模型。结果表明：当裂缝传荷能力强时，在CRCP路面板的边缘出现最大应力；当裂缝传荷能力较弱时，路面板的中间位置出现临界应力[16]。

3 结语

本文总结了连续配筋混凝土路面在国外的应用情况，系统地介绍了国外对连续配筋混凝土路面的研究成果和研究方法，为我国进行连续配筋混凝土路面的设计和推广提供了有价值的参考资料。

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