连续配筋混凝土路面横向开裂的敏感性分析.pdf
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1、第 5卷第 2期 2 0 0 8年 4月 铁道科学与工程学报 J OU RNA L OF RAl l WA Y S CI E NCE A ND EN GI NE ERI N G V o 1 5 A D r NO 2 2 0 o 8 连续配筋混凝土路面横 向开裂的敏感性分析 查旭东 ( 长沙理工大学 公路工程学院, 湖南 长沙 4 1 0 0 7 6 ) 摘要: 结合湖南省耒宜高速公路连续配筋混凝土路面( C R C P ) 结构, 通过选取影响 C R C P横向开裂的 l 3个主要 因素( 包括 板厚 , 混凝土的弹性模 量、 温缩 系数 、 干缩应变、 抗压强度和徐 变 系数 , 钢筋的弹
2、性模量 、 温缩 系数 、 直径和间距 , 以及 地基 摩 阻系数、 钢筋粘结强度和温降) 的5种取值水平, 采用考虑钢筋与混凝土之间粘结滑移及面板与基层之间摩阻滑移的交界 面非线性性质和徐变作用的一维非线性分析法, 由迭代计算同时得到 C R C P的平均裂缝间距、 平均裂缝宽度和最大钢筋应 力, z A 6 按相对比较的方法对各参数影响 C R C P横向开裂的敏感性进行定量和定性分析。结果表明, 控制 C R C P横向开裂 的主要措施有 : 选取适宜的钢筋等级 、 品种 与混凝 土标号 , 选取合理的钢筋 间距和直径的配筋方式 , 并控制 混凝 土和钢筋的 收缩性 质。 关键词 : 连
3、续配筋混凝土路 面 ; 横 向开裂 ; 敏感性 ; 裂缝 间距 ; 裂缝 宽度 ; 钢 筋应力 中图分类号: U 4 1 6 2 1 6 2 文献标识码 : A 文章编号 : 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 o o 8 ) 0 2 0 O 6 4 0 7 S e n s i t i v i t y a n a l y s i s o f t r a n s v e r s e c r a c k i n g f o r c o n t i n u o u s l y r e i n f o r c e d c o n c r e t e p a v e me n t Z HA Xu d
4、 o n g ( S c h o o l o f H i g h w a y E n g i n e e r i n g ,C h a n g s h a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e T e c h n o l o g y ,C h a n g s h a 4 1 0 0 7 6 , C h i n a ) Ab s t r a c t: 5 k i n d s o f v a l u e l e v e l f o r 1 3 mmn f a c t o r s i n flu e n c i n g CRCP t r a n s v e r
5、s e c r a c k i n g we r e s e l e c t e d f r o m t h e s t r u c t u r e o f c o n t i n u o u s l y r e i n f o r c e c o n c r e t e p a v e m e n t( C R C P )i n L e i Y i( L e i y a n g t o Y i z h a n g )E x p r e s s w a y o f H u n a n P r o v i n c eTh e f a c t o r s a r e a s f o l l o w
6、s :s l a b d e p t h,e l ast i c mo d u l u s ,t e mp e r a t u r e s h rin k a g e c o e f fic i e n t ,d r y i n g s h r i n k age s t r a i n,c o mp r e s s i o n s t r e n g t h a n d c r e e p c oef fi c i e n t o f c o n c r e t e,e l ast i c mod u l u s,t e mp e r a t u r e s h rin k age c oe
7、ffic i e n t ,d i a me t e r and s p a c i n g o f l o n g i t u d i n a l r e i nfo r c e me n t ,b ase f ri c t i o n c oef fi c i e n t , r e i nfo rce me n t b o n d s t r e n gth and t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e sTh e a v e r age c r a c k s p a c i n g,t h e a v e r age c r a c k w
8、i d t h an d t h e ma x i mu m r e i nfo rce me n t s t r e s s w e r e s i mu hane o u s l y c alc u l a t e d wi t h t h e i t e rat i v e a l g o rit h ms a c c o r d i n g t o t h e o n e d i me n s i o n n o n l i n e a r an aly z i n g me t h od c o n s i d e r e d t h e c r e e p a c t i o n
9、a n d t h e n o n l i n e a r b o u n d a r y p r o p e r t i e s ,i n c l u d e d i n t h e bo n ds l i p b e t ween r e i nfo r c e me n t an d c o n c r e t e an d t he f ric t i o ns l i p b e tw een s l a t )an d b a s eS o t h e s e n s i t i v i t i e s o f CRCP t r an s v e r s e c rac k i n
10、 g i nfl u e n c e d b y e a c h f a c t o r we r e a n a l y z e d i n t h e q u an t i t a t i v e an d q u a l i t a t i v e wa y wi t h t h e r e l a t i v e c o mp a rin g me t h od Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e ma i n me asu r e s i n c o n t rol l i n g t h e C RC P t r a n s v e r
11、 s e c rac k i n g a rc i n c l u d e d i n s e l e c t i n g t h e s ui t a b l e g r a d e and t y p e o f r e i nfo r c e me n t an d c o n c r e t e g r a d e,t h e r e aso n a b l e r e i nfo rce d wa y f o r s p a c i n g an d d i a me t e r o f r e i nfo r c e me n t ,an d c o n t rol l i n g
12、 t h e s h rin k age p r o p e rti e s o f c o n c r e t e an d r e i nfo r c e me n t K e y w o r d s : c o n t i n u o u s l y r e i nf o r c e d c o n c r e t e p a v e m e n t( C R C P ) ;t r ans v e r s e c r a c k i n g ;s e n s i t i v i t y ;c ra c k s p a c i n g ; c r a c k wi d t h;r e i
13、nfo r c e me n t s t res s 收稿 日期: 2 0 0 8 0 1 1 6 基金项 目: 湖南省教 育厅科研项 目( 0 2 B 0 3 1 ) 作者简介: 查旭东( 1 9 7 0一) , 男 , 安徽岳西人 , 教授 , 从事路基路面工程的研究 维普资讯 http:/ 第 2 期 查旭东: 连续配筋混凝土路面横向开裂的敏感性分析 6 5 连续配筋混凝土路面( 简称 C R C P ) 以优 良的使 用品质和行车性能在欧美 、 日本和澳大利亚等 国家 的重交通道路上得 到广泛应用l , 我国于 1 9 8 9年 开始在高等级公路上应用 2 , 2 0 0 1 年湖南省
14、耒( 耒 阳) 宜( 宜章 ) 高速公路首次在高速公路 上铺筑 了 4 0 1 k m的 C R C P 。C R C P因纵 向配置 了足够 钢 筋而取消横 向接缝 , 面板混凝土的温缩和干缩在钢 筋和基层的约束作用下必然产生横 向开裂 , 所 以, C R C P属于带裂缝工作的钢筋混凝土结构l 。大量 调查结果表明l J , C R C P过大 的裂缝 间距易导致 裂缝过宽, 而过宽的裂缝容易导致混凝 土剥落和雨 水侵蚀 , 从而造成钢筋锈蚀 , 另外 , 过密的裂缝间距 容易导致 C R C P面板冲断破坏。因此 , 在 国内外路 面设计规范和指南中E a , 7 , 一般均 以裂缝间
15、距 ( 1 2 5 m) 、 裂缝宽度 ( 1 m i l 1 ) 和钢筋应力( 钢筋屈 服强度) 作为 C R C P的设计指标 。 影响 C R C P横向开裂的因素众多 , 主要包括 混 凝土的强度 、 刚度 、 温缩 系数 、 干缩应变和徐变 系 数 , 钢筋的配筋率 、 强度 、 刚度和温缩系数 , 行车荷 载, 降温幅度和速率, 钢筋与混凝土之间的粘结滑 移性质及 面板 与基层 之间的摩阻滑移性质 等_ 8 J 。 国内外研究者对 C R C P横 向开裂进行 了大量 的理 论分析 , 包括解析法和有限元法 , 一般假定存 在裂缝间距 , 且主要采用基于线弹性理论和线性交 界面性质
16、的静态分析方法, 而无法预测 C R C P的横 向开裂发展情况 , 同时, 缺乏各种 因素对横 向开裂 影响的敏感性分析。为此 , 本文作者提出了在温缩 和干缩作用下考虑非线性交界面性质 、 可同时求解 C R C P裂缝间距 、 裂缝宽度和钢筋应力 的非线性分 析方法 1 8 1 , 并通过数值迭代计算得到裂缝间距 , 从 而合理地预测横向开裂。据此 , 本文根据非线性分 析方法结合湖南省耒宜高速公路 C R C P结构 , 对影 响 C R C P横向开裂的因素进行敏感性 分析 , 以便供 C R C P设计参考。 1 计算参数取值水平 为了分析各 因素对 C R C P横 向开裂影 响
17、的敏 感性 , 参考耒宜高速公路 C R C P实际情况及各参数 变化范围, 分别确定各计算参数 5 种取值水平 。其 中, 由于面板厚度 、 钢筋直径和钢筋间距 3个几何 参数 的变化主要影响配筋率 , 所 以, 通过选定 5个 配筋率水平 , 当分析某一几何参数的影响时, 保持 其他 2个参数不变 , 即取 水平 3 , 由此通过配筋率 水平确定该参数的取值水平。同时 , 在 C R C P实际 设计 过程 中 , 通常 首先 根据交 通 等级 和环境 条件等 确定板厚和配筋率 , 配筋时主要考虑钢筋直径和钢 筋间距 。为此 , 在保持配筋率不变的情况下 , 通过 改变钢筋直径 和钢筋间距
18、 , 选取 5种取值水平 , 得 到各计算参数的取值水平如表 1 所示。 由于混凝 土 的温缩 和干缩是长期 作用的 , 所 以, 必然产生徐变和应力松弛现象 , 为此 , 可根据式 ( 1 ) 由最终徐 变系数确定混凝土有效模量进 行分 析 , 从而考虑徐变作用 ; 同时, 根据混凝土抗拉强度 和抗压强度的相关性 , 由式( 2 ) 计算抗拉强度_ 】 9 l : 表 1 C R C P横向开裂敏感性分析计算参数取值水平 T a b l e 1 Va l u e l e v e l s o f p a r a me t e to f s e n s i t iv i t y a n a l
19、y s i s f o r C R C P t r an s v e r s e c r a c k i n g 维普资讯 http:/ 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 8 年4月 E c a - 。 ( 1 ) R j - = 0 3 3 。 ( 2 ) 式中: 。 为混凝土有效模量( G P a ) ; E c 为混凝土弹 性模量( G P a ) ; j 6 为混凝土最终徐变系数, 其中, 已 考虑混凝土徐变 的时效系数 ; R f 为混凝土抗拉强 度( M P a ) ; R为混凝土抗压强度( MP a ) 。 对于交界面, 钢筋与混凝土之间的粘结滑移关 系采用式( 3
20、 ) 所示的考虑残余粘结应力的分段线性 模型 , 混凝土面板与基层之间的摩阻滑移关系采用 式( 4 ) 所示的考虑滑动摩擦的分段线性模型_ l 。 3 6 3 8s k , S0 0 2 5; ( 0 8 2 +3 4 8 s ) k , 0 0 2 5S 0 0 5 1 ; ( 3 ) ( 1 6 51 2 7 4 s ) k , 0 0 5 1 0 1 0 2。 ( 4 ) I 。M M M 。 4 式中: s和 k 分别为钢筋与混凝土之间的粘结 应力( MP a ) 、 相对滑移( n l l n ) 和粘结强度 ( M P a ) ; 为基层对混凝土面板的摩阻力( MP a ) ; k
21、 为地基摩 阻系数 ( M P a m m) ; U和 U 分别为混凝土面板与基 层之间的相对滑移( n l l n ) 和I 临界相对滑移 ( n l i i l ) , 当 基层上设沥青稀浆封层时, 取 0 7 n m 。 2 敏感性分析 2 1 计算结果 C R C P 横 向开裂分析采用文献 1 8 中的一维非 线性迭代分析法, 在分析某一参数对 C R C P 横向开 裂 的影响时 , 其他计算参数按表 1的中值 ( 水平 3 ) 选取, 但是, 对于配筋率不变条件下的几何参数分 析, 钢筋直径和钢筋间距按 5种取值组合 成对选 取。为此 , 根据上述设定参数 , 可以得到各参数不
22、同取值水平下的平均裂缝 间距 , 、 平均裂缝宽度 W 和最大钢筋应力 的变化曲线 , 如图 1 3所示。 由于各参数的单位及物理意义不同, 所以无法 绝对地去相互 比较各参数对 C R C P横 向开裂的影 响程度 , 为此 , 采用相对比较方法 , 在参数取值范围 内, 按各参数相对于中值 ( 水平 3 ) 增加 1 0 的幅 度 , 以相应的 3 个设计指标的平均相对变化量进行 合理的比较 。平均相对变化量为设计指标平均变 化量与各参数均取 中值时的设计 指标计算结果的 比值, 即各参数增加 1 0 时, 设计指标变化的平均 百分比, 它反映了各参数的变异性对 C R C P横 向开 裂
23、的影响程度 。 同时, 为了定性分析各参数对 C R C P横向开裂 影响的显著程度, 按表 2由参数变化 1 0 时相应 的设计指标平均相对变化量的绝 对值范 围来定义 显著性等级 , 由此得到各参数影响的显著性的定量 定性分析结果如表 3所示。其中, 当变化量为正值 时, 表示设计指标随着参数的增加而增大, 反之, 当 变化量为负值时 , 表示设计指标随着参数的增加而 减小 ; 圆括号 中数据为显著性等级。 表 2 参数对设计指标影响的显著性定义 Ta b l e 2 Ma r k e d n e s s d e fi n i t i o n o f e ff e c t i n g p
24、a r a me t e r s o n d e s i g n ; n d x s 设计指标平均相对变化量 的绝对值 C C 0 1 0 1 C 1 1 C 5 5 C k Ra T E k a , 且 f 随着 E , a , e E , k k 和 的增加而减小 , 随着 尺和 的增加而 增大, 但不随 a 变化 ; E, k 和 对 f的影响最为 显著 , e 和 次之 , E 和 再次 一 k和a 基本 没有影 响。同时 , f 随着 E a , E s , k 和 的变 化呈下凹的抛物线关系, 即参数在越小的情况下变 化, f 变化的幅度越大, 而 f随着 , R, , a 和 k
25、 基本呈线性变化 。 2 ) x ,j- 于平均裂缝宽度 W, E k RE a k Te “a , 且 w随着 , E, k 和 k 的增加而减小 , 随着 a , , R、 和 的增加而 增大 , 但不随 a 变化。同时, W随着 E 和 k 的变 化呈下凹的抛物线关系 , 而随着其他参数的变化基 本呈线性关系。除 E k 和 对 W有显著 的影响 外, 其他参数对 W的影响均很小 , 且 W的变化均小 于这些参数本身变化的 0 1 倍 。 3 ) 对于最大钢筋应力 , R a a E c E k k AT , 随着 E , a , E s , E , k 和 T的增加而减小 , 随着 R
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