连续配筋混凝土路面结构设计理论与方法研究

第 !卷 第 "期 "##!年 $月 交 通 运 输 工 程 学 报 %&’()*+&,-(*,,./*)0-(*)12&(3*3.&)4)5.)66(.)5 7&+8! 9&8" %’)6"##! 收稿日期:"##!;#<;!= 基金项目:国家自然科学基金资助项目>?@AA=#BAC 作者简介:胡长顺>!@??;CD男D陕西扶风人D长安大学教授D博士生导师D从事路面结构理论研究E 文章编号:!$A!;!$"##!C#";##?A;#$ 连续配筋混凝土路面结构 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 理论与方法研究 胡长顺D曹东伟 >长安大学 公路学院D陕西 西安 A!##$BC 摘 要:连续配筋混凝土路面>FGFHC是一种高性能混凝土路面结构型式D对 FGFH设计原理进行 了系统研究I在荷载应力 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 中D将 FGFH中纵向钢筋作连续化处理D建立了正交各向异性薄膜单 元D对考虑裂缝条件下的 FGFH荷载应力进行了三维有限元分析D得到了 FGFH的两种临界荷位 和配筋率等参数对板底应力的影响规律D并与普通混凝土板的荷载应力进行了对比I在温度应力分 析中D建立了考虑钢筋与混凝土间粘结滑移本构关系的 FGFH温度应力计算模型与微分方程D并 求得 FGFH在降温和干缩变形作用下的解答D分析了参数的敏感性和混凝土徐变所引起的松弛应 力效应I解析法和数值法相结合D计算分析了 FGFH端部锚固力与凸形锚固地梁的应力和位移D给 出了端墙部分设计参数的建议值及用于端部结构设计的计算诺谟图I同时进行室内模型试验D验证 了理论分析结果I最后给出了 FGFH板厚与配筋设计及端部锚固结构的成套设计方法D为中国制 定相应 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 提供了参考依据I 关键词:连续配筋混凝土路面J荷载应力J温度应力J锚固端J设计方法 中图分类号:KB!$8#! 文献标识码:L MNOPQRQSTUNVPQWXYZN[\QOPW[W]^ WNOTN_W_S‘YaQTN]WXbQ[ W^NbXQOQcZdQeQNO>^ a^ cC fghijkl;minkDhopqrkl;stu >v/w&&+&,x.5wy*zDFw*)5{*)K).|6(1.3zD}.{*)A!##$BDFw.)*C ~!SOXZbO:F&)3.)’&’1+z(6.),&(/60/&)/(6362*|6"6)3>FGFHC.1&)6&,w.5w26(,&("*)/6/&)/(636 2*|6"6)313(’/3’(61EL 1z136"*3./*)*+z1.1&)FGFH061.5)2(.)/.2+61.1/&)0’/360E#)3w6 |6w./+6;+&*013(611*)*+z1.1D3w6&(3w&5&)*+*).1&3(&2./"6"$(*)6"&06+.1613*$+.1w60$z3(6*3.)5 3w6+&)5.3’0.)*+$*(1*1/&)3.)’’"D*)03w(660."6)1.&)*+,.).366+6"6)3*)*+z1.1.1/*((.60&’3 y.3w/&)1.06(.)53(*)1|6(16/(*/%E-y&/(.3./*++&*02&1.3.&)1*(6,&’)0&’3E#)3w6("*+13(611 *)*+z1.1D3w6/*+/’+*3.&)"&06+*)06&’.+.$(.’"0.,,6(6)3.*+6&’*3.&)1*(6613*$+.1w60&)3w6$*1.1 &,(616*(/w.)53w6$&)0;1+.2/&)13.3’3.|6(6+*3.&)$63y66)3w6(6.),&(/60$*(1*)0/&)/(636E-w6 *)*+z3./1&+’3.&).106(.|603&/*+/’+*363w613(611*)00.12+*/6"6)3’)06(3w636"26(*3’(60(&2 *)0/&)/(6361w(.)%*56E-w62*(*"636(’116)1.3.|.3z*)013(611(6+*(*3.&)/*’160$z/&)/(636 /(662*(6*)*+z)60EK1.)5)’"6(./*+"63w&01*)0*)*+z3./"63w&01D3w6*)/w&(,&(/6*3FGFH 6)01.1/*+/’+*360D*)03w60.12+*/6"6)3*)013(611&,3(6/w+’51*(6*)*+z)60D3w6061.5) 2*(*"636(1*(6(6/&""6)060*)03w6061.5))&"&5(*"1*(62(&|.060E-w6.)0&&("&06+3613.1 /*((.60&’33&|6(.,z3w63w6&(63./*+|*+’61E-w6"63w&0,&(061.5).)5FGFH1+*$3w./%)611D (6.),&(/6"6)3*)06)013(’/3’(6.12(&|.060E *QY+WX[S:/&)3.)’&’1+z(6.),&(/60/&)/(6362*|6"6)3>FGFHCJ+&*013(611J3w6("*+13(611J *)/w&(6)0J061.5)"63w&0 万方数据 连续配筋混凝土路面!"#"$%是在纵向连续配 置足够数量的钢筋&施工时不设接缝的一种高性能 混凝土路面结构’"#"$消除了普通混凝土路面的 横向接缝&具有行车舒适性好&承载能力高&使用寿 命长&养护维修少等优点’"#"$与公路交通运输发 展趋势相适应&目前在国外已得到较多应用&国内也 逐渐引起人们的重视’本文分析了 "#"$荷载应 力(温度应力和端部锚固结构&并提出了可用于工程 实践的设计方法)*+’ , 荷载应力分析 ,-, 计算模型 "#"$与普通混凝土路面的区别在于.纵向连 续配筋&裂缝处传荷能力强&裂缝间距!板长%随机变 化’"#"$荷载应力分析时&若考虑横向裂缝则很难 得到解析解)/+&采用有限元法求解的关键是连续配 筋的模型化’由于 "#"$钢筋在混凝土中是以一定 的间距离散分布的&较简单的模型是将每根钢筋作 为杆单元考虑&但这样会使计算模型十分复杂&建模 工作量较大’根据连续配筋混凝土路面的结构特点 及力学特性&将钢筋作连续化处理&使之等效为一具 有正交各向异性的材料特性的均质薄层&即沿纵向 钢筋对混凝土有明显的加强&而其它两个方向没有 强化作用&从而提出了正交各向异性的薄膜单元&根 据正交各向异性材料的应力应变关系和几何方程& 可以得到薄膜单元的刚度矩阵&建立考虑裂缝条件 下 "#"$荷载应力分析有限元模型’为验证模型正 确性和可靠性&在相同参数条件下进行了两个方面 的计算比较.一是与 "#"$无限长板的荷载应力解 析解)/+进行对比0二是与钢筋用杆单元的模型进行 对比’结果表明两种方法相差很小&但本文提出的有 限元模型计算简便&且计算精度也是可以保证的&能 够有效地研究 "#"$在车辆荷载作用下的应力状 态’ ,-1 临界荷位 荷载工况考虑双轮组轮载与轴载&作用位置主 要考虑板相邻裂缝中部与横向裂缝一侧&对 "#"$ 的车辆荷载作用不利位置展开分析’由于裂缝间距 不等&"#"$板的不利荷位与裂缝间距有关&通过车 辆荷载在路面的各种可能作用位置!纵缝与横缝(板 中与板角及不同裂缝间距%时板底应力的对比分析& 得到了 "#"$的两种临界荷位.当横向裂缝间距小 于 *234时&临界荷位是轮载作用于横向裂缝中部 一侧&记为临界荷位 *0当裂缝间距大于 /234时& 临界荷位是轴载作用在纵向自由中边部&记为临界 荷位 /0当横向裂缝间距在 *234与 /234之间时& 应分别对两个荷位进行荷载应力验算&取最大值作 为控制应力’ ,-5 参数分析 影响 "#"$荷载应力的主要因素有.板的平面 尺寸(混凝土模量(土基模量(板厚(配筋率和钢筋位 置等’图 *与图 /示出了不同临界荷位时 "#"$板 底应力随板厚的变化情况’计算分析表明&无论何种 临界荷位&应力都随着板厚和地基模量的增加而减 小&随混凝土模量增加而增大&这些规律与普通混凝 土板的规律是相同的’配筋率变化会改变钢筋的传 荷能力&对临界荷位 /时&纵向配筋率的增大将引起 板内最大主应力的减小0对临界荷位 *&纵向配筋率 的增大将导致板内最大主应力的略微增大&且都是 在横向裂缝较密(间距较小时&路面板底应力受配筋 率的变化影响较大&当裂缝间距较大时&纵向配筋率 对应力的影响较小’对于纵向配筋在板厚截面的位 置&计算分析表明&钢筋配置在板厚 *6/处是产生荷 载应力最小的位置’ 图 * 临界荷位 *的板底 应力随板厚变化 图 / 临界荷位 /的板底 应力随板厚变化 图 7 不同板长时 "#"$ 与 8""$应力对比 图 9 不同板长时 "#"$ 与 8""$弯沉对比 ,-: "#"$与 8""$板底应力对比 图 7和图 9是车辆荷载作用于临界荷位 *时不 同板长的普通混凝土!8""$%和 "#"$板底最大应 力与位移的对比&图中 8""$*是与 "#"$相同平面 尺寸的混凝土板&8""$/是常见尺寸!9234;3-< 4%混凝土板’从图中可见&"#"$连续配筋的传荷 作用增强了板的整体工作能力和荷载扩散能力& "#"$板的弯沉值要小于同尺寸 8""$&但其板底应 力略有增大&与目前常用的普通尺寸混凝土板相比& =3 交 通 运 输 工 程 学 报 /<<*年 万方数据 由于 !"!#的裂缝间距要小于其板长$板底应力要 明显减小% 当车辆荷载作用于临界荷位 &时$!"!#的板 底应力要小于 ’!!#$且在裂缝间距较小时板底应 力减小的幅度较大$表明 !"!#通过其配筋的传荷 作用$减小了板底的最大应力$使板处于有利的工作 状态% ( !"!#温度应力分析 !"!#配筋的目的是通过钢筋约束限制裂缝宽 度$防止雨水下渗锈蚀钢筋$保证路面使用耐久性% ()* 计算模型 配筋设计中考虑的主要荷载是降温和干缩$温 度应力包括路面板平均降温引起的温缩应力与温度 梯度产生的翘曲应力%若建立 !"!#裂缝间距+裂 缝宽度与荷载间的关系$必须在温度应力分析中考 虑钢筋混凝土间的粘结与滑移作用%本文在分析中 采用了钢筋和混凝土间的线性粘结滑移本构关系$ 即钢筋与混凝土间的粘结应力与两者间的相对滑移 成正比%地基对 !"!#路面板的约束作用可归为两 种介质接触面上剪应力与两者相对位移关系的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 $在考虑地基摩阻力时应用了三种计算模型,-线 性模型$即认为地基摩阻力与结构的位移成正比$其 比例系数称为地基摩阻系数./分段线性模型$地基 摩阻系数在不同范围内为不同常数.0双曲线模型$ 地基摩阻系数随结构位移而变化% ()( 温缩应力+干缩应力与翘曲应力 根据上述计算模型$由应力平衡条件+几何关系 和本构方程可以建立温度应力计算的微分方程组$ 求出微分方程的通解后$代入边界条件就可得到具 体解答%对于年温度变化条件产生的温缩应力$分析 可知混凝土应力 12在板中位置最大$混凝土位移 32+钢筋应力 14及钢筋混凝土间粘结应力 54和裂缝 宽度 62在裂缝处最大$其计算公式为 127 829:; <=>?@ABCDE>?=FG HI JDE>?=FK <=>? 147 8494:; 92L94@HG =>?CJDE>?=FI HK <=>?CJDE>?=F@ IG H 327 EHK ?CJDE>?=F 547 M4EHK ?CJDE>?=FK H 627 &EHK ?CJDE>?=FK H 其中 =7NL&$<7OP$>?7 QR4M4 S282EHK H !? @ABCDCEF!78/GH>F!IAJ KLMN 当 78较小时 ;<=>!?@ABCDC>O!I?CPJFLMA 式中2F!= !!?QR OS< DCBT C4O为板宽4S<为地基摩阻 系数4I为端部锚固计算的有效影响长度"其它参数 同前# *(’ 凸形锚固地梁结构分析 计算得出了端部锚固荷载后"建立凸形锚固地 梁的有限元模型并进行分析"主要考察下面三个指 标2端部位移&路面板最大拉应力和端墙最大拉应 力#同时"还使用矩阵位移法进行了分析"计算模型 的主要问题是如何考虑端部结构受到土的约束力" 如端墙&路面板与土基接触面上的垂直土压力和水 平摩阻力"这些力的大小与结构变形有关"处理时给 出了两种方法"一种是将其作为外部荷载等效移至 结点上"另一种是附加刚度矩阵#计算分析表明有限 元法与矩阵位移法得出的结果不仅在规律上完全相 符"而且数值上也是吻合的# *(* 分析结果 根据上述计算原理研究端墙高度&端墙间距等 主要设计参数对 +,+-端墙结构应力与位移的影 响规律见表 U#根据分析结果可得端墙主要设计参 数的建议值为2端墙间距为VWX0"端墙高度为!(. WU(.0"端墙底宽为 .(VW.(X0#建议在施工中 对 +,+-端部结构区域的土基进行充分压实"并使 用刚度较大的材料#在设计两个以上的端墙时可按 每个端墙受力相等的原则转化为两个端墙进行 计算# 表 U 设计参数对 +,+-端墙位移应力影响 产生正增量的参数 端墙间距 IY 端墙高度 ZY 端墙底宽 OY 混凝土模量 BC 板厚 [C 土基模量 B\ 端墙个数 端部位移 减小 略有增大 基本不变 略有减小 减小 减小 减小 路面最大应力 减小 与 IY有关 减小 略有增大 减小 减小 减小 端墙最大应力 减小 与 IY有关 基本不变 略有增大 增加 减小 减小 .X 交 通 运 输 工 程 学 报 U..!年 万方数据 为了便于生产设计应用!将端部最大位移"路面 板设计弯矩和端墙设计弯矩等有限元分析结果绘制 成计算诺谟图#图 $给出路面厚度为 %%&’和 %( &’时的锚固端端墙设计弯矩计算诺谟图# 图 $ )*)+锚固端端墙设计弯矩计算诺谟图 ,-. 凸形锚固地梁的模型试验研究 为验证理论分析的正确性!进行了室内模型试 验研究#试验在大试槽里进行!用有机玻璃模拟路面 和端墙#试验实施过程为/铺筑土基0承载板测试0应 变片粘贴与土压力盒的埋设0结构就位0测试#测试 的主要指标为端部位移"路面板最大压应力"端墙最 大压应力#测试结果和理论分析的对比表明!两者在 规律是相符的!个别数据数值上相差较大!但就设计 所关心的指标11最大端部位移"路面板最大拉应 力"端墙最大拉应力等误差很小!证明理论分析结果 是可靠的!同时还测得了端墙背后土压力的分布 形式# . )*)+结构设计方法 连续配筋混凝土路面设计的主要问题为板厚设 计"配筋设计和端部结构设计# .-2 板厚设计 在确定普通混凝土板的板厚时!现行规范以板 的横向疲劳开裂为控制对象!以板底弯拉应力为控 制指标!考虑板纵缝中部的荷载应力与温度翘曲应 力不超过混凝土的弯拉强度#)*)+允许产生横向 裂缝!因此不能作为主要破坏现象!其主要破坏现象 是板边冲断!因此板厚设计应从两个方面来考虑/首 先是要防止短的裂缝间距的形成!在临界荷位 3应 不产生由荷载应力过大引起的纵缝0二是在现有裂 缝间距条件下临界荷位 %不产生横缝#故建议 )*)+板厚的确定分为两步/首先由临界荷位 %确 定板的初始设计厚度0然后对临界荷位 3进行板厚 验算# )*)+临界荷位 %与 4))+的临界荷位相同! 故可在考虑传荷能力变化的基础上!)*)+初始设 计板厚可直接按现行规范方法计算#根据前述 )*)+与 4))+荷载应力比较结果!在荷载应力计 算时可考虑增加应力折减系数 567!在裂缝间距 8 大于 %-9’时!567:3-;;!当 3’<8<%-9’!567 取 ;-=;>3-;;!当 8较小时取低值!8较大时取高 值!即 ?@: 575A56567?@B3 式中/?@为荷载疲劳应力057为考虑纵缝传荷能力 的应力折减系数05A为考虑累计荷载作用的疲劳应 力系数056为考虑超载和动载等因素的综合修正系 数0567为考虑 )*)+纵向连续配筋传荷能力的应力 影响系数0?@B3为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 轴载作用相邻裂缝中部时的板 底应力# 翘曲疲劳应力可参照现行规范计算!其中板长 取为 )*)+裂缝间距!计算表明 )*)+翘曲应力比 普通混凝土路面减小的幅度很大#根据计算得到的 荷载疲劳应力和翘曲疲劳应力!当两者之和不大于 混凝土弯拉强度的 3;CD!并不低于弯拉强度的 =9D时!此时的板厚可作为设计厚度!否则要改变厚 度重新计算!直到满足要求为止# 得到板的初始设计厚度后进行配筋设计!由配 筋设计可得 )*)+设计裂缝间距!然后验算临界荷 位 3的板底应力!防止由于裂缝间距过小导致的板 边冲断破坏!即 ?@: 5A56?@B% 其中/?@B%为标准轴载作用于临界荷位 3时的板底应 力!与裂缝设计间距有关#纵向钢筋传荷能力应按使 用末期的不利状态考虑!可假定有一半的钢筋损坏! 图 E为裂缝间距 3-9’的板底应力计算诺谟图!计 算温度疲劳应力时应注意计算点位为板宽中点# 图 E 裂缝间距为 3-9’的 ?@B%计算图 .-F 配筋设计 配筋的目的在于控制 )*)+的裂缝!主要是裂 缝间距和裂缝宽度#设计控制指标可考虑裂缝间距" 3(第 %期 胡长顺!等/连续配筋混凝土路面结构设计理论与方法研究 万方数据 裂缝宽度!钢筋应力和钢筋混凝土粘结应力四项"由 于 #$#%裂缝间距是影响 #$#%内部应力状态与 外部使用性能最主要的参数"故裂缝间距可作为设 计指标"后三项可作为验算指标&由前述 #$#%温 缩应力和干缩应力计算公式可得出 ’()设计要求 *+,*-,*. ’/)验算要求 01/’23456789)-0+,:0; <81 =8:’23456 789)-86 2845;, :<8; >81 ?8’23456 789)-0+, :>8; 裂缝间距按下式确定 <51 =3’23456 789)-3’*-) 其中@-31 A+BC:(DEFGH’BC+); IH’BC+)6A+BC "-81 +BCGIH’BC+)D( A+BCGIH’BC+)6(" -01 (6A(6A+BCGIH’BC+)& 式中@*-为 #$#%设计裂缝间距J*+和 *. 分别为 裂缝间距的下限与上限J:<8;为钢筋屈服强度J:>8; 为钢筋混凝土的粘结强度J<5为混凝土抗拉强度J 789为 #$#%混凝土远期干缩应变J其它参数同前& 结合国外研究和许昌!铜川的试验路调查结果" 建议 #$#%的最佳裂缝间距为 (KLM/KNO"允许最 大裂缝宽度为 (KLOO"钢筋屈服强度和钢筋混凝 土间的粘结强度可根据有关资料确定&为使 #$#% 具有理想的使用性能"除结构设计外"在混凝土配合 比设计中"要使配置的混凝土线膨胀系数较低"混凝 土的干缩变形较小"如选择适当性质的骨料!水泥 等&#$#%配筋设计中"钢筋应选择螺纹钢筋或月牙 纹钢筋"不宜使用光圆钢筋"配筋时要选择直径较小 的钢筋"但控制横向间距不小于 (LGO& 部分设计参数可参照现行规范取值"对混凝土 抗拉强度!钢筋与混凝土间的粘结强度与刚度系数 等可进行试验或取文献:(;的建议值& PKQ 端部锚固结构设计 #$#%端部结构设计时是以端部位移为最终设 计控制指标"并考虑端部路面板和端墙的最大弯矩 进行结构配筋设计&端部锚固结构的设计方法为@ ’()根据设计资料’必要时进行实验)计算端部 变形"确定端部的最大允许位移"按前述方法计算端 部锚固力"得到端墙结构的设计荷载& ’/)进行端墙的应力!位移分析&依据计算得到 的端部锚固力初步确定端墙个数和端墙高度!端墙 间距及墙宽&如果端墙个数 RS/"先依据每端墙承 受锚固力相等的原则转换成 /个端墙"然后由设计 诺谟图得出端部锚固力作用下的最大位移!路面板 设计弯矩和端墙设计弯矩’也可使用矩阵位移法计 算)& ’C)将端部计算得到的位移同端部允许位移进 行比较&若前者大于后者"则增加端墙个数J若前者 小于后者"则说明锚固端墙的承载能力过剩"这时可 减少端墙个数和改变几何尺寸"也可将端部计算得 到的位移作为端部允许位移重新计算端部锚固力" 重新设计锚固端墙& ’T)根据路面板设计弯矩和端墙设计弯矩进行 配筋设计& U 结 语 #$#%是一种高性能的混凝土路面结构"与普 通混凝土路面既有联系又有区别&本文根据 #$#% 的特点"在设计原理方面进行了荷载应力分析!温度 应力分析!端部锚固结构分析等工作"并给出了设计 方法"为#$#%的设计提供了科学依据&由于#$#% 在中国还是一种新型路面结构"其设计方法也将随 实践应用的增多而完善& 参考文献@ :(; 胡长顺"曹东伟"等V连续配筋混凝土路面设计理论与 方法研究:$;V国家自然科学基金项目研究报告"西 安@长安大学"/LLLV :/; 王 虎"胡长顺"王秉纲V连续配筋混凝土路面在横向 荷载作用下的解析解:W;V西安公路交通大学学报" (XXX"(X’T)V :C; 田寅春"胡长顺"等V连续配筋混凝土路面荷载应力分 析:W;V西安公路交通大学学报"/LLL"/L’C)V :T; 曹东伟"胡长顺V连续配筋混凝土路面温度应力分析 :W;V西安公路交通大学学报"/LL("/(’/)V :N; 张洪亮V连续配筋混凝土路面端部锚固结构研究:Y;V 西安@长安大学"/LLLV /Z 交 通 运 输 工 程 学 报 /LL(年 万方数据