影响连续配筋混凝土路面性能的几个因素分析

袁 玲

（安徽科技学院 建筑学院，安徽 滁州 233100）

0 引言

常见的水泥混凝土路面板具有强度高、稳定性好、施工方便等特点，但其在路基不稳定、交通量较大或重载车辆较多等情况下，路面板极易发生脆性破坏，使得路面产生裂缝、断板、错台等病害，对其使用寿命和行车舒适性都有不利影响.为减少这些病害的发生，可在普通水泥混凝土路面中设置了一定数量的钢筋网，从而形成了一种高性能路面结构，即连续配筋混凝土路面.连续配筋混凝土路面中钢筋网的嵌入不仅提高了路面板的刚度，而且可以有效控制因混凝土收缩变形产生的裂缝宽度和数量，还有效提高了行车舒适性和路面使用寿命[1].

由于连续配筋混凝土路面的优越的性能，国内外也对其进行了大量研究.宁敏[2]以某复合式路面为研究对象，具体探讨了连续配筋混凝土路面施工准备和施工流程；李盛[3]等针对目前CRCP的结构特征和缺陷，对其结构进行了研发与优化设计；张庆宇[4]以张石高速公路为工程依托，研究了AC+CRCP复合式路面的结构受力特性进行了分析；张洪亮[5]等指出了CRCP研究的发展趋势，并对重复车辆及环境因素作用下的裂缝宽度进行了预估；蔡东锋[6]结合新规范“概率极限状态设计法”为基础，对CRCP设计及施工做了一些分析探讨，并介绍CRCP的应用状况；陈锋锋[7]等结合沪宁高速公路扩建工程CRCP试验段的修筑，总结了CRCP的施工工艺和注意事项.

Liu[8]等基于钢筋和混凝土之间的线性和非线性粘结-滑移本构关系，建立了温度应力作用下的CRCP计算模型，并推导了基于接触原理的刚度矩阵，分析了温度荷载下CRCP的应力分布模式和位移分布；Suh[9]等通过对四组特殊测试路面的短期观察，对CRCP的失效预测模型进行了校准，发现混凝土水化热对CRCP早期力学性能有重要影响，而浇筑季节和浇筑时间会对早期开裂产生影响，早期开裂分析模型和裂缝形态与路面形状和宽度有关，骨料种类也会影响早期开裂；Kohler[10]等对CRCP出现的裂缝间距和裂缝宽度进行了试验研究，并开发了CRCP裂缝宽度计算模型.

目前国内外对连续配筋混凝土路面进行了大量地试验研究和施工方法的探索，并得出了很多有益的结论，但是对影响连续配筋混凝土路面性能因素进行有限元分析相对较少.有鉴于此，本文通过有限元软件ABAQUS 2017对不同轴重作用下的连续配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面的应力和变形进行了分析，并进一步地研究了钢筋埋置深度、钢筋直径和钢筋间距对连续配筋混凝土路面应力和变形的影响.

1 连续配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面的有限元数值模型

采用通用有限元软件ABAQUS 2017分别建立连续配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面的三维有限元数值模型，如图1所示.两种路面结构都包含路基、底基层、基层和路面，路面模型参数如表1所示[12].在对路面结构进行网格划分时，水泥混凝土路面、基层、底基层和路基选择C3D8R三维八节点缩减积分单元，连续配筋混凝土路面中钢筋网采用T3D2三维二节点桁架单元，并采用embeded技术嵌入到水泥混凝土面层.

图2 有限元模型网格划分

分析中将路面结构的路面及基层均视作均质、各向同性的线弹性材料，车辆荷载采用单轴双轮组标准轴载，轮胎接地面积假定为20×20cm2的矩形.连续配筋混凝土路面采用直径为10mm的钢筋，纵横间距均为20cm，钢筋距离路面顶部3cm.

表1 路面结构模型参数

2 不同轴载作用下连续配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面的应力和变形

为对比研究连续配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面在不同轴载作用下的应力和变形，分别选取 100、150、200、250 和 300kN 的轴载，其对应的接触压力分别为 0.70、0.75、0.87、0.98 和 1.10MPa.

2.1 不同轴载作用下连续配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面的应力

图3所示为100kN轴载作用下两类路面压应力分布云图.从图3中可以看出，在轮胎与路面接触处产生的压应力最大，其他部位产生的压应力相对较小，而连续配筋混凝土路面在轴载作用下的最大压应力为-0.5890MPa小于普通水泥混凝土路面的最大压应力-0.6577MPa.

图3 100kN轴载作用下两类路面压应力分布云图

图4所示为不同轴载作用下连续配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面产生的最大压应力.从图4可以看出，随着轴载的不断增大，连续配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面产生的最大压应力也在不断增大.当轴载达到300kN时，连续配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面产生的最大压应力分别达到了-0.9255MPa和-1.030MPa.随着轴载的增大，连续配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面产生的最大压应力的差值也略有增大.

图4 不同轴载作用下两类路面最大压应力

2.2 连续配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面的竖向位移对比

图5所示为连续配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面在300kN轴载作用下的路面竖向位移分布图.从图5可以看出，这两类路面结构最大竖向位移均为-0.2127mm，并且位移分布模式基本一致.结合表2所示的不同轴载作用下路面竖向最大位移可以看出，这两类路面结构在相同轴载作用下最大竖向位移基本一致，这说明连续配筋混凝土路面中路面中埋置的钢筋网对提高结构整体刚度的作用基本可以忽略.

图5 300kN轴载作用下路面竖向位移分布云图

表2 不同轴载作用下两类路面竖向最大位移

3 影响连续配混凝土路面应力和变形的几个因素分析

3.1 钢筋埋置深度的影响

分别取钢筋中心距面层顶端3、8、15和20cm，研究钢筋埋置深度对连续配筋混凝土路面性能的影响.研究中采用轴载300kN，钢筋间距保持为20cm，钢筋直径为10mm.

表3 不同钢筋层埋置深度下连续配筋混凝土路面最大压应力和竖向最大位移

表3所示为不同钢筋埋置深度下，连续配筋混凝土路面最大压应力和竖向最大位移.从表3可以看出，随着钢筋埋置深度的增加，路面最大压应力略有增大，而最大竖向位移则稍有增加后保持稳定.当钢筋埋置深度为3cm时，路面最大压应力和竖向最大位移分别为-0.9255MPa和-0.2127mm；当钢筋层埋置深度为20cm时，路面最大压应力和竖向最大位移分别为-0.9267MPa和-0.2131mm.

这说明随着钢筋埋置深度的增大，连续配筋混凝土路面最大压应力和最大竖向位移整体上略有增大.在实际工程中，连续配筋混凝土路面在长期车载作用下面层会出现磨损，此时为保证钢筋层避免出现外露，需要保证足够的埋置深度.

3.2 钢筋直径的影响

为研究钢筋直径对连续配筋混凝土路面性能的影响，分别取钢筋直径为10、15、20和25mm.研究中采用轴载300kN，钢筋间距保持为20cm，钢筋距离面层顶部为3cm.

表4 采用不同钢筋直径连续配筋混凝土路面最大压应力和竖向最大位移

表4所示为采用不同钢筋直径连续配筋混凝土路面最大压应力和竖向最大位移.从表4可以看出，随着钢筋直径的增加，路面最大压应力和最大竖向位移均出现变小.当钢筋直径为10mm时，路面最大压应力和竖向最大位移分别为-0.9255MPa和-0.2127mm；当钢筋直径为25mm时，路面最大压应力和竖向最大位移分别为-0.9216MPa和-0.2108mm.

这说明随着钢筋直径的增大，路面整体刚度略有上升，使得最大竖向位移略有下降，可以采用增加钢筋直径的方式，降低连续配筋混凝土路面最大压应力和最大竖向位移.

3.3 钢筋间距的影响

为研究钢筋间距对连续配筋混凝土路面性能的影响，分别取钢筋间距为10、15、20、25和30cm.研究中采用轴载300kN，钢筋直径为10mm，钢筋距离面层顶部为3cm.

表5所示为采用不同钢筋间距连续配筋混凝土路面最大压应力和竖向最大位移.从表5可以看出，随着钢筋间距的增加，路面最大压应力和最大竖向位移均略有增大.当钢筋间距为10cm时，路面最大压应力和竖向最大位移分别为-0.9252MPa和-0.2124mm；当钢筋间距为30cm时，路面最大压应力和竖向最大位移分别为-0.9261MPa和-0.2129mm.

这说明随着钢筋间距的增大，路面整体刚度略有下降，使得最大竖向位移略有上升，可以采用减小钢筋间距的方式，降低连续配筋混凝土路面最大压应力和最大竖向位移.

表5 采用不同钢筋间距连续配筋混凝土路面最大压应力和竖向最大位移

4 结论

采用有限元软件ABAQUS 2017分别建立了连续配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面结构的三维有限元数值模型，研究了在不同轴载作用下，两类路面结构的应力和变形，并对影响连续配筋混凝土路面结构应力和变形的几个因素进行了分析，得到了以下结论：

①随着轴载的不断增大，连续配筋混凝土路面和普通水泥混凝土路面产生的最大压应力的差值也略有增大；两类路面结构在相同轴载作用下最大竖向位移基本一致，这说明连续配筋混凝土路面中路面中埋置的钢筋网对提高路面结构整体刚度的作用基本可以忽略.

②随着钢筋层埋置深度的增大，连续配筋混凝土路面最大压应力和最大竖向位移整体上略有增大.在实际工程中，连续配筋混凝土路面在长期车载作用下面层会出现磨损，此时为保证钢筋层避免出现外露，需要保证足够的埋置深度.

③随着钢筋直径的增大，路面整体刚度略有上升，使得连续配筋混凝土路面最大压应力和最大竖向位移略有下降，这说明可采用增加钢筋直径的方式提升连续配筋混凝土路面性能.

④随着钢筋间距的增大，路面整体刚度略有下降，使得连续配筋混凝土路面最大压应力和最大竖向位移略有上升，这说明可采用减小钢筋间距的方式，降低连续配筋混凝土路面的最大压应力和最大竖向位移.

参考文献：

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〔2〕宁敏.探讨连续配筋混凝土路面施工技术的应用[J].资源信息与工程,2017,32(3)：169-170.

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〔4〕张庆宇.连续配筋混凝土路面结构设计与施工技术研究[D].上海交通大学,2006.

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