王衍輝 楊福斌 徐士翠
水泥混凝土路面具有承載能力大、養(yǎng)護費用少、穩(wěn)定性好、耐疲勞、抗凍性和耐磨性優(yōu)良、對腐蝕性介質相對不敏感等優(yōu)點,并且不會出現(xiàn)車轍、壅包等現(xiàn)象,加之我國優(yōu)質路用瀝青資源的匱乏和水泥資源相對豐富,修筑水泥混凝土路面具有廣闊的前景。
連續(xù)配筋混凝土路面(Continuously Reinforced Concrete Pavement,以下簡稱CRCP)是道路工作者為克服普通混凝土路面諸如唧泥、錯臺等接縫處病害而研究的一種路面,在路面縱向連續(xù)配足夠數(shù)量的鋼筋,以控制混凝土路面板縱向收縮產(chǎn)生的裂縫寬度和數(shù)量。同時,橫向也配有一定數(shù)量的鋼筋來支撐縱向鋼筋。在施工時完全不設脹、縮縫(施工縫及構造所需的脹縫除外),形成一條完整而平坦的行車平面,從而改善了汽車行駛的平順性,同時又增強了路面板的整體強度。CRCP結構圖如圖1所示。
20世紀80年代以來CRCP以其良好的使用性能在歐美國家得到了廣泛的應用,最早應用CRCP的國家是美國,之后比利時、英國、法國、澳大利亞、加拿大、意大利、西班牙、日本等很多國家都修筑了CRCP,并將CRCP應用于國道、汽車專用道路和城市道路,特別是高等級公路和重要道路。我國CRCP應用較晚,東南大學、長安大學和長沙理工大學等科研機構進行了CRCP試驗路和實體工程的研究工作。2001年在京珠高速公路耒陽至章宜段修建了總長40.1 km的CRCP,實現(xiàn)了CRCP在國內(nèi)高速公路中由無到有的突破。
混凝土路面板受到基層和鋼筋等結構約束作用,在環(huán)境荷載和混凝土干縮等因素影響下必然開裂,主要以橫向裂縫為主。路面開放交通以后,加之車輛荷載的作用,裂縫寬度較大以及橫向裂縫間距較小的板經(jīng)不起車輛荷載反復疲勞作用將會產(chǎn)生縱向的開裂。由兩條橫縫、一條縱縫和路面邊緣所包圍的路面面積是典型的CRCP沖斷破壞。沖斷破壞還有其他的形式,如密集裂縫處沖斷和“Y”形沖斷等,見圖2?;诼访骈L期性能(Long-Term Pavement Performance,簡稱LTPP)研究的試驗路數(shù)據(jù),Elkins等發(fā)現(xiàn)大部分沖斷發(fā)生在橫縫間距為0.3 m~0.6 m的密集裂縫處。
關于沖斷的發(fā)展存在兩種觀點:一種觀點認為縱向開裂是由上至下的開裂,如同懸臂梁;另一種觀點認為縱向開裂是由下至上的開裂,如同簡支梁。兩種觀點一致認為沖斷原因如下:1)橫向裂縫寬度大、裂縫傳荷能力(LTE)低,車輛荷載作用引起混凝土板的橫向應力增加;2)重復軸載作用增加了混凝土板的疲勞;3)當累積疲勞超過了疲勞強度,CRCP產(chǎn)生縱向開裂,即產(chǎn)生沖斷。
為減少沖斷,應使裂縫寬度盡可能的小。AASHTO 2002計算公式表明裂縫寬度是裂縫間距的函數(shù),裂縫間距越大,裂縫寬度越大。同時,調查也發(fā)現(xiàn)沖斷經(jīng)常發(fā)生在較小裂縫間距處。裂縫間距是混凝土抗拉強度、配筋率、混凝土板厚、溫降和干縮以及基層摩阻的函數(shù)。裂縫寬度影響CRCP結構的連續(xù)性,保持橫向裂縫處結構連續(xù)性對保證CRCP良好性能是至關重要的,結構連續(xù)性用裂縫傳荷效率(LTE)來衡量。裂縫寬度越小,橫向裂縫傳荷能力越好;裂縫較寬,在車輛荷載反復作用下,裂縫處傳荷能力下降,最終導致板頂部或底部橫向拉應力增加,增加疲勞,并最終產(chǎn)生縱向裂縫,引起沖斷。CRCP配筋設計的基本思想是通過合理配筋使CRCP產(chǎn)生適當?shù)臋M向裂縫來釋放由于溫度和濕度變化引起的應力,并使裂縫寬度較小來保持結構在橫向裂縫處的連續(xù)性。裂縫間距和裂縫寬度(或LTE)對沖斷產(chǎn)生有重要的影響。
AASHTO 2002設計CRCP時以平整度和沖斷為指標,對路面設計壽命內(nèi)不同時期進行分析。不同時期計算采用的設計參數(shù)不同,采用時間增量法,在分析CRCP早期性能時,采用的是早期混凝土參數(shù)、環(huán)境荷載等。分析通車后CRCP性能時采用的混凝土參數(shù)、環(huán)境荷載和交通荷載等也是隨著時間變化的。因此AASHTO 2002能夠對設計壽命期內(nèi)不同時刻CRCP性能進行預估,這種預估的前提是對混凝土參數(shù)、環(huán)境荷載和交通荷載等隨時間變化的預估。AASHTO 2002設計指南給出了CRCP配筋設計計算公式,該公式是基于理論的經(jīng)驗公式,式(1)~式(4)分別為AASHTO 2002計算平均裂縫間距、裂縫寬度、裂縫處鋼筋應力和沖斷數(shù)的理論經(jīng)驗公式。
理論經(jīng)驗公式表明裂縫寬度是裂縫間距的函數(shù),裂縫寬度與裂縫間距基本成正比;沖斷受混凝土板厚、配筋率、基層類型和施工等因素影響。
JTG D40-2002水泥混凝土路面設計規(guī)范中給出了橫向平均裂縫間距式(5)、裂縫寬度式(6)和鋼筋應力式(7)的計算公式。在配筋設計時初擬配筋率,再計算裂縫間距、裂縫寬度和鋼筋應力,任何一項不能滿足規(guī)范要求時需要增大或減小配筋率重新計算直到滿足要求。
裂縫寬度是裂縫間距的函數(shù),裂縫寬度與裂縫間距基本成正比,沒有考慮沖斷。
AASHTO 2002中CRCP配筋設計是基于理論的經(jīng)驗方法,而且有配套的設計軟件MEPDG,在CRCP設計過程中考慮到CRCP全壽命進行裂縫間距、裂縫寬度、鋼筋應力和沖斷發(fā)展的分析,不同時刻計算時采用不同的路面參數(shù)。AASHTO 2002將沖斷作為一個指標,綜合考慮了板厚、配筋率、基層類型、施工和荷載的影響,設計過程更符合實際。國內(nèi)規(guī)范僅對裂縫間距、裂縫寬度和鋼筋應力進行控制,采用的設計參數(shù)跟路面使用時間沒有關系,采用最不利條件下的荷載,沒有考慮施工方法等對路面的影響。
可見,國內(nèi)外均通過裂縫間距、裂縫寬度和鋼筋應力來控制CRCP合理裂縫形式,合理的裂縫形式是避免沖斷的必要條件。國外對沖斷數(shù)進行了預估,沖斷與混凝土板厚、配筋率、基層類型、施工及荷載有關,說明合理裂縫間距只是不沖斷的前提條件。
因此為保證CRCP良好的使用性能,以裂縫間距、裂縫寬度(或LTE)和鋼筋應力為指標進行配筋設計以達到合理裂縫間距的同時,還應該考慮沖斷指標。
[1] 王衍輝.連續(xù)配筋混凝土路面橫向裂縫分布預估[D].西安:長安大學,2010.
[2] Transportation Research Board of the National Academies.Guide for Mechanistic-empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structures[R].Washington DC:Transportation Reasearch Board of the National Academies,2004.
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