硕士论文 连续配筋混凝土路面端部锚固地梁研究

为了克服普通水泥混凝土的上述缺点，提高行车舒适性，道路工作者提出了连续配筋混凝土路面（ContinuouslyReinforcedConcretePavement，以下简称CRCP）的路面结构形式。CRCP在路面纵向配有足够数量的钢筋，以控制混凝土路面板纵向收缩产生的裂缝的扩展，因此，CRCP在施工时完全不设胀、缩缝（除施工缝及构造所需的胀缝处），形成一条完整而平坦的行车表面，改善了行车平稳性和舒适性，同时也增加了路面板的整体强度[2]。CRCP与普通水泥混凝土路面相比较具有以下优点[27][28]:
1.2
1.2.1
CRCP以其良好的使用性能在许多发达国家得到应用。如美国、比利时、日本、法国、英国等都相继采用这种路面结构形式。其中，美国和比利时是使用CRCP最成功的国家。
美国最先使用连续配筋混凝土路面，早在1921年，当时美国联邦公路局在华盛顿区附近修筑了长600m的试验路，其中含有不同数量的纵向钢筋，以探索这一种路面的工作原理和使用效果。随后得克萨斯州、弗吉尼亚州、宾西法尼亚州、马里兰州等地开展了大规模的工程实验，得到了比较满意的结果。美国在全国修建高速公路时（州际与国防公路系统），大量铺筑了连续配筋混凝土路面，据统计，目前总里程已超过45000km[3]，经过多年的使用实践，绝大部分路面完好无损。
1.端部锚固地梁
端部锚固地梁的构造如图1-1所示。一般来说，采用三根端部地梁已能控制路面位移。路面端部的变形控制主要依靠端部地梁所依靠的土基的抗剪强度予以平衡。锚固设施一般无法完全限制CRCP的端部变形，所以还应在与CRCP连接的路面一定范围内设置几条胀缝以消除残余变形。
2.混凝土灌注桩锚固
构造如图1-2所示。在纵向设置多排（一般一个车道一排）混凝土灌注桩，桩顶与路面联成整体。该构造也是靠土的抗力来限制端部变形。
1.3
端部锚固地梁是CRCP端部处理中一种简单、实用的形式，国内的学者做了相关的研究，但考虑的因素还不完善，有待进一步研究。本文主要进行如下方面的工作：
1.应用矩阵位移法对端部锚固地梁进行位移和应力分析。
2.利用有限元软件ANSYS，对端部锚固地梁的受力状况进行了数值模拟，并与应用矩阵位移法分析的结果做了比较。
我国CRCP应用试验及相关的研究相对较晚。1989年江苏省在盐城区一级公路上修筑了长500m，宽7m，厚20cm的连续配筋混凝土试验路段。此后，在苏南路网改造工程镇江段的沿江新线上修筑了CRCP试验路长1公里，宽6米(半幅路面)。1996年，西安公路交通大学与铜川公路局在铜川境内的210国道上修建了一段宽9m，厚22cm，总长335m的CRCP试验路工程，端部锚固采用端部地梁加胀缝的形式，初步积累了CRCP的设计与施工经验，为CRCP的研究提供了依托工程。1997年在河南许昌境内107国道上修筑了路面宽2×3.75米（右幅），总长10km的CRCP，路面一端采用无宽边法兰梁，另一端靠近桥头采用端部锚固地梁加两道胀缝的锚固形式[7]。2003年，国道325线广东恩平东段一级公路圣堂镇试验路在旧水泥混凝土路面上修筑了总长1.17km的连续配筋混凝土路面加铺层[8]。2001年长沙交通学院与湖南省高速公路公司在京珠高速公路耒宜段修建了宽2×11.25m，厚28cm，总长40.lkm的连续配筋混凝土路面，端部锚固采用宽翼缘工字梁的形式，这是CRCP在我国高速公路上的首次使用[9]。
1.在纵向配置了连续钢筋，消除了普通混凝土路面的横缝，提高了裂缝处的传荷能力，改善了板角和板边的工作状态，减弱了冲击荷载对板的破坏作用，大大提高了整体强度和承载能力。
2.消除了混凝土路面接缝处的行车跳动，平整度高，行车Байду номын сангаас适。
3.不设置接缝，在连续钢筋的约束作用下裂缝宽度很小，雨水很难渗入基层而造成冲刷和侵蚀破坏，也减少了裂缝处混凝土的剥落。
随着我国高等级公路的建设发展及对路面使用性能要求的提高，CRCP在我国高等级公路上必将得到推广使用。
1.2.2
连续配筋混凝土路面在季节性温度变化下产生周期性移动，在板中部由于受到路基约束而无位移[10] [11]，但CRCP的两端在一定长度范围内将会产生移动，移动总量大约3～5cm[2]，这对于与之相连接的其他路面或桥梁、涵洞等构造物将造成危害。因此，必须采取一定的措施加以限制端部位移。端部设施有两大类：一类是采用锚固装置，阻止变形发生，因而阻止了水平力对其它结构物的影响；另一类是采用多处胀缝的设施，将端部位移逐步抵消，水平力也不再存在。具体构造有以下几种[2][12]：
我国高速公路主要采用沥青混凝土和水泥混凝土两种路面结构形式。沥青混凝土路面，具有平整度好，行车舒适，噪声小，易于维修，对路基的适应性强，面层可以分层铺筑等特点。但是，沥青混凝土路面受温度影响较大，路面养护费用高，使用年限短。水泥混凝土路面具有刚度大、强度高、稳定性好、耐疲劳、抗冻性和耐磨性优良，对油类或其它易腐蚀沥青的化学和生物介质相对不敏感，在任何温度条件下，均不会出现车辙、鼓包等现象。而且，只要铺筑和维护得当，水泥混凝土路面的使用寿命将大大长于沥青混凝土路面。但是，由于普通水泥混凝土路面在施工时不得不设置很多的接缝(胀缝、缩缝和施工缝)，雨水容易透过接缝渗透到路面基层而产生唧泥、错台等病害[1]。同时由于接缝处存在一定间隙，在车辆荷载冲击作用下，容易造成接缝边缘混凝土碎裂。
取出AB段脱离体进行分析，如图2-3所示：
图2-3AB段脱离体
A端没有水平位移，但受到路面膨胀产生的压应力；AB段路面底面受到地基摩阻力作用，A端附近摩阻力小，B端附近摩阻力大；在B端处，路面升温后产生膨胀变形，设其伸长长度为 ，当有锚固梁时， 为锚固梁限制下的端部允许位移 ，端部会受到梁的压应力；当端部没有限制时, 为升温条件下端部的自由伸长 ，B端不受力。
— 相对位移
— 地基水平摩阻力系数
文献[15]给出了 的建议值，并认为 等于0.7倍的垂直压力。但试验表明， 值并不是常数，与材料性质、弹性模量、变形速率、垂直压力等许多因素有关，尤其是结构的位移较大时，这些因素的影响通常是非线性的，因而剪应力与位移的关系也是非线性的。
文献[16]介绍了一种双曲线模型，剪应力与位移的关系可用下式表示：
4.使用寿命长，养护维修少，费用低，虽然初期投资高，但从长远来看是经济合理的。
在我国高等级公路，尤其是高速公路的建设中，CRCP的开发和应用将具有广阔的前景。我国现行的路面设计规范对CRCP作了介绍，但由于我国对CRCP的研究开展较晚，缺乏相关的理论研究和工程试验，规范条款较为简单，所以有必要对CRCP进行深入的理论分析研究，为CRCP的设计和施工提供理论指导。
图2-1剪应力与相对位移计算模型
2.1.2
在升温条件下，距CRCP端部较远的路面部分不会产生伸长变形，因为其变形会受到地基摩阻力的约束。只有在端部附近的一定距离内（图2-2中AB段，设其长度为L）才会产生水平推移，这一段称为端部锚固力计算的有效影响长度，其底面受到地基摩阻力作用。
图2-2CRCP锚固端
法国1983年在巴黎东南部的道路重建过程中，第一次采用了CRCP路面。1986年在Orleans南部的新建工程中也采用了CRCP路面。CRCP现广泛应用于高速公路和其他重交通道路的新建和补强工程中,已修筑了约550km的连续配筋混凝土路面,重建了约100km的履带车道[4]。
另外，瑞典、荷兰、德国、澳大利亚等国也已进行了研究和修建CRCP的工作。在亚洲，除日本大量铺筑连续配筋混凝土路面以外，泰国于1988年在南北高速公路上铺筑了150km长的连续配筋混凝土路面[6]。
比利时在50年代修筑了CRCP试验路，随后又做了进一步的试验。1970年开始，CRCP被推荐应用于主要的公路。截止1975年底已铺筑的CRCP总里程为225km。1975～1985年，又在1000km有中央分隔带的公路上修筑了CRCP。1981年以后，所有高速公路都采用CRCP的结构型式[4]。
英国1975年～1983年在总长27km的4段公路上铺筑了CRCP,1979年和1981年在营运中的两段道路上进行了CRCP试验。1989年，英国在一段3车道长度为4.8km路基状况很差的高速公路上修筑了CRCP。现在，英国几乎所有的CRCP都修筑在预期存在不均匀沉降的路段[5]。
端部锚固设计主要包括锚固力的计算和锚固力作用下端部的应力与位移分析。国内东南大学黄晓明和唐益民等[13]考虑了摩擦力与相对位移之间的多种关系，建立平衡微分方程，并用反复迭代法求解了端部锚固力。长安大学曹东伟[14]根据地基摩阻力的不同计算模型，采用解析法和分段迭代法计算了因升温引起的CRCP端部锚固力，给出了端部锚固力的计算方法；分别使用有限元法和矩阵位移法研究了端部锚固地梁的应力和位移；进行了室内模型试验，实测了端部位移、路面板应力、端墙应力。
3.根据分析结果，对CRCP端部锚固地梁的设计提出了建议。
第
2.1
2.1.
CRCP由于温度变化而热胀冷缩，路面与基层之间产生相对位移时，在水平接触面上由于摩擦和粘结阻力，必然产生剪应力（即摩阻力）。相对位移越大剪应力亦越大。近似地，假定某点的剪应力与该点的水平位移成正比，即：
(2-1)
式中： — 剪应力
(2-2)
式中： — 试验系数。
文献[17]通过实验认为土与结构物接触面的剪切变形实际是刚塑性的，可简化为非线性模型，如图2-1所示。即当结构物水平位移 小于某一数值 时，地基的水平摩阻力满足线性关系式(2-1)；当 大于 时，地基摩阻力为一常数 。非线性模型是对双曲线模型的简化，在应用上更加方便，同时在相对位移较大时，它比线性模型更符合实际条件。因此，本文根据剪应力与水平位移的非线性关系，计算端部锚固力。
图1-1 端部锚固地梁 (单位：cm)
图1-2 混凝土灌注桩锚固 (单位：cm)
3.宽翼缘工字梁接缝
构造如图1-3所示。设置一条宽翼缘工字梁接缝，接缝下面设枕垫板，CRCP端部搁置在枕垫板上，可以自由活动，与工字钢连接的部位以胀缝填缝料填塞，工字梁下翼缘埋入混凝土枕垫板内。在与CRCP相连的普通混凝土路面中设置数条胀缝，以分散接缝处残留的端部位移。