玄武岩纤维筋连续配筋复合式路面荷载应力分析

玄武岩纤维筋连续配筋复合式路面荷载应力分析

黄志义;罗圆月;王金昌;胡晓宇

【摘要】In this paper,the finite element software ABAQUS is used to build the load stress mod-el about BFRP(basalt fiber reinforced

polymer)continuously reinforced composite pavement.The model is based on the double panel model on the elastic foundation and the cohesive element is applied to define the normal and tangential contact constitutive behavior of cracks,in another word,the joint shear stiff-ness is used to simulate interlock action between cracks.Through a mass of analysis,the middle of longi-tudinal free edge is found out as the critical load position under different transverse crack spacing.In both cases of BFRP reinforcement and steel reinforcement,the influence of the thickness of AC and CRC layer,bar distribution,reinforcement ratio,joint shear stiffness on the concrete slab stress is discussed. The calculation results indicate that the value and change law of concrete slab stress is similar,which provide theoretical foundation for the BFRP applied to CRC +AC composite pavement.%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。

【期刊名称】《公路工程》

【年(卷),期】2014(000)005

【总页数】6页(P6-11)

【关键词】玄武岩纤维筋;连续配筋混凝土;复合式路面;粘结单元;临界荷位;荷载应力

【作者】黄志义;罗圆月;王金昌;胡晓宇

【作者单位】浙江大学交通工程研究所，浙江杭州 310058;浙江大学交通工程研究所，浙江杭州 310058;浙江大学交通工程研究所，浙江杭州 310058;浙江大学交通工程研究所，浙江杭州 310058

【正文语种】中文

【中图分类】U416.22

1 概述

连续配筋混凝土复合式路面(CRC+AC)是一种新型的复合式路面，它是在连续配筋混凝土(CRC)路面上加铺沥青混凝土(AC)面层的一种耐久性路面结构，其结合了连续配筋混凝土板的高强度性和沥青路面的行车舒适性。CRC+AC这一刚柔相济的复合式路面结构具有使用寿命长、整体强度高、维修费用小等特点，是今后重载交通高速公路长寿命路面结构的发展方向之一。但是，在CRC层中，钢筋不可避免地存在锈蚀问题，从而影响路面的使用性能，同时，研究表明，连续配筋混凝土内

的纵向钢筋主要起控制裂缝的作用(轴向受力)［1－2］，对荷载应力影响不大，这对钢材这一战略资源来说实为大材小用。以玄武岩纤维筋(BFRP筋)替代钢筋的连

续配筋混凝土复合式路面则是近年来出现的新型路面，BFRP筋是以玄武岩纤维为增强材料，以合成树脂为基体材料，并掺入适量辅助剂，经拉挤工艺和特殊的表面处理形成的一种新型复合材料［3］。其原材料立足于我国丰富的玄武岩自然资源，具有强度高、耐腐蚀、重量轻等优点，具有良好的应用前景。

在CRCP裂缝模型有限元分析中，日本Kanazama大学的Tatsuo Nishizwa及Tohoko大学的Tadashi Fukuda等人采用了一系列线性弹簧组成的裂缝模型来模拟连续配筋混凝土路面横向裂缝的传荷性能［4］;东南大学唐益民［5］等人建立

了裂缝弹簧模型，用单元尺寸为零的三向线性弹簧联接单元模拟裂缝处的传荷能力，并提出了考虑裂缝处传递水平力的局部迭代法;刘朝晖［6］采用裂缝虚拟填料的方法模拟横向裂缝开裂后的机械嵌锁作用，并通过变化虚拟填缝材料的刚度来模拟裂缝的开裂程度。本文运用ABAQUS有限元软件，用粘结单元定义裂缝接触面的法向和切向接触关系，即用裂缝剪切刚度来模拟裂缝间的嵌锁作用，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。

2 有限元模型

CRC+AC复合式路面荷载应力有限元模型计算采用三维模型，模型共分为4个结

构层:沥青混凝土层(AC层)、水泥混凝土层(CRC层)、基层+底基层和土基。其中

考虑CRC层有横向裂缝，按多板系统进行分析。有限元模型如图1和图2所示。图1 三维有限元模型Figure 1 Three-dimension model

2． 1 基本假定

①玄武岩纤维筋呈直线规则排列，混凝土与玄武岩纤维筋完全粘结，两者变形协调，忽略横向玄武岩纤维筋的作用;