连续配筋混凝土加铺沥青层复合路面温度应力分析

金卫华

（上海隧道工程有限公司，上海市 200030）

0 引言

连续配筋混凝土加铺沥青层复合路面（CRCP+AC复合路面）即在连续配筋水泥混凝土路面（CRCP）上加铺沥青层（AC）的复合式路面结构，因其兼备了CRCP路面全寿命周期费用低、使用寿命长和AC路面行车稳定性、舒适性好等诸多优点，在国内外路面改建以及新建工程中受到广泛的应用推广[1]。

对于连续配筋水泥混凝土路面的设计，我国现行规范中主要采用以下三项指标来进行控制：

（1）路面平均横向开裂间距不大于1.8 m。

（2）路面平均裂缝宽度不大于0.5 mm。

（3）钢筋拉应力不超过钢筋屈服强度[2]。

以上三项指标的计算确定都与CRCP层、AC层和其他路面结构层的温度场有关，但是在以往的计算和分析中，通常只对CRCP层的混凝土内部温度场进行模拟而忽略其他结构层中温度分布情况对混凝土和钢筋温度应力的影响[3]，并且均假设板厚方向温度梯度为线性分布[4-5]，这显然与实际情况存在出入。申爱琴[6]的研究结果表明：只有当AC层的厚度小于2 cm时，将其内的温度梯度设为线性分布与分线性分布计算得到的温度应力相差不大；当AC层厚于2 cm时，其内部温度分布将对混凝土和钢筋的温度应力计算结果产生显著影响。另外，在目前的CRCP温度应力计算中，往往将最高温度设置为初始温度[7]，假设在此温度下混凝土内不存在温度应力，然后假设降温连续均匀发生，降温幅度为温差值。此种计算方法存在两个问题：一是没有考虑路面结构层厚度方向温度的不均匀分布；二是忽略了温度随时间的周期性变化。综上，前述方法求得的温度应力值显然与路面实际情况不符。因此综合考虑路面各结构层厚度方向的温度梯度非线性分布和温度周期性变化，分析总结出CRCP路面的温度应力变化规律，对于CRCP路面的设计和施工都具有重大意义。

1 有限元模型的建立

1.1 基本假设

建模时考虑路面裂缝的存在，由前期调研可知，CRCP路面裂缝的平均宽度为0.8 mm，平均间距为0.9 m。路面结构模型在深度方向上采用不等尺寸网格划分，对于CRCP层和AC层进行加密处理。

对于模型做出以下假设：

（1）路面各层材料线弹性均匀并且各向同性。

（2）路面各层材料的热力学参数保持不变。

（3）同一深度的路面结构具有相同的温度值，即温度仅在厚度方向存在不均匀现象。

（4）路面各层之间温度函数连续、层间接触连续。

1.2 计算参数

根据工程实际，确定模型的典型路面结构为AC层+CRCP层+水泥稳定碎石基层+土基。结合气象数据，选取夏季高温天气下典型气温用于分析计算，其日照时间为6:00—18:00，日照时数为12 h，日最低气温为27.2℃，最高气温为34.7℃，日太阳辐射总量为25.8 MJ/m2。用于计算的路面结构形式及各层材料热学参数取值见表1。

表1 计算参数取值

2 混凝土温度应力分析

欲考虑温度梯度在路面厚度方向上的非线性分布，需将不同节点的参考温度设为不同的值，这在ANSYS建模中无法直接实现，故本文通过APDL命令流的方法将第一个荷载步中路面各结构层的温度场数据读取出来作为参考温度，然后一一导入后续荷载步中的温度场数据并与参考温度相减，得到每一时刻不同路面结构层的温度差值，并计算出路面各层每一时刻的温度应力。图1为不同时刻沥青层顶部、底部和混凝土层顶部、底部的温度应力曲线，可见混凝土顶部温度应力大于底部，因此后续研究中均取混凝土层顶部的温度应力值进行分析。

图1 不同时刻温度应力随时间变化曲线

2.1 温度非线性分布对水泥混凝土温度应力的影响

申爱琴[6]的结果显示，当混凝土路面厚度限制在工程常用的范围内时，与考虑了非线性温度梯度计算得到的混凝土最大温度应力相比，不考虑非线性温度梯度所得结果要大25%～30%。由此可见，非线性温度梯度对素混凝土板温度应力的影响不可以忽略。

为研究非线性温度梯度对CRCP路面板的影响，现以1 d为周期分别设置非线性和线性温度梯度，对混凝土温度应力进行计算分析，结果如图2所示。

图2 线性与非线性分布下温度应力对比曲线

由图2可见，非线性温度分布计算得到的最大混凝土应力为0.899 MPa，而线性分布得到的结果为1.035 MPa，可知非线性分布比线性分布结果小13.4%。并且与线性分布相比，非线性分布情况下混凝土最大应力出现的时刻要晚近1 h，此时非线性分布最大应力值为0.832 MPa，线性分布为0.944 MPa，非线性分布的计算结果比线性分布小11.9%。

2.2 沥青层厚度对水泥混凝土温度应力的影响

设沥青层厚度分别为6 cm、8 cm、10 cm和12 cm四种不同形式，计算分析不同的AC层厚度对于CRC层温度应力的影响。图3是不同AC层厚度下的混凝土层顶面最大温度应力曲线。从图中可以看出，当AC层厚度变大时，混凝土层顶的最大温度应力将减小，并且变化趋势越来越缓。说明增大AC层厚度可以减小混凝土最大温度应力，但是当AC层厚度过大时其对于混凝土应力的减小作用也逐步减弱，因此AC层厚度并非越大越好。

2.3 CRC层厚度对水泥混凝土温度应力的影响

设CRC层厚度分别为18 cm、20 cm、22 cm和24 cm以讨论其对混凝土温度应力的影响。图4为混凝土层顶部最大应力随CRC层厚度的变化曲线。由图可知，当沥青层厚度很小时（小于6 cm），混凝土层顶面最大温度应力受CRC层厚度的变化影响很小；当沥青层厚度较大时（大于8 cm），增加CRC层厚度可以有效降低混凝土层顶部的最大温度应力。

图3 混凝土温度应力随AC层厚度变化曲线

图4 混凝土温度应力随CRC层厚度变化曲线

2.4 基层摩阻系数对混凝土应力的影响

设基层摩阻系数分别为10MPa/mm、30MPa/mm、50 MPa/mm、80 MPa/mm，以研究基层摩阻系数不同取值对混凝土温度应力的影响。图5为混凝土板长方向各点的温度应力在不同基层摩阻系数下的变化曲线。从图5可以看出，混凝土板顶最大温度应力出现在板中，随着基层摩阻系数的增大，混凝土最大温度应力也增大，这说明边界条件相同时，降低混凝土层与基层的层间黏结效应，减小基层摩阻系数，可以减小混凝土的最大温度应力。

图5 基层摩阻系数对温度应力影响曲线

3 结语

针对当前连续配筋混凝土加铺沥青层复合路面温度应力分析中存在的未考虑路面各结构层厚度方向的温度梯度非线性分布和温度周期性变化等问题，改进了ANSYS建模中参考温度的设定，建立了更为符合实际情况的温度应力分析模型，对影响温度应力的重要影响因素进行了敏感性分析。所得结果如下：

（1）在其他条件相同的情况下，非线性温度梯度比线性温度梯度计算结果小13.4%，且混凝土最大温度应力出现的时刻要晚近1 h，与实际情况更加接近。

（2）增大AC层厚度可以减小混凝土最大温度应力，但是当AC层厚度过大时其对于混凝土应力的减小作用也逐步减弱，因此AC层厚度并非越大越好。

（3）当沥青层厚度很小时（小于6 cm），混凝土层顶面最大温度应力受CRC层厚度的变化影响很小；当沥青层厚度较大时（大于8 cm），增加CRC层厚度可以有效降低混凝土层顶部的最大温度应力。

（4）边界条件相同时，降低混凝土层与基层的层间黏结效应，减小基层摩阻系数，可以减小混凝土的最大温度应力。