金衛(wèi)華

（上海隧道工程有限公司，上海市 200030）

0 引言

連續(xù)配筋混凝土加鋪瀝青層復(fù)合路面（CRCP+AC復(fù)合路面）即在連續(xù)配筋水泥混凝土路面（CRCP）上加鋪瀝青層（AC）的復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)，因其兼?zhèn)淞薈RCP路面全壽命周期費(fèi)用低、使用壽命長(zhǎng)和AC路面行車穩(wěn)定性、舒適性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外路面改建以及新建工程中受到廣泛的應(yīng)用推廣[1]。

對(duì)于連續(xù)配筋水泥混凝土路面的設(shè)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中主要采用以下三項(xiàng)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行控制：

（1）路面平均橫向開裂間距不大于1.8 m。

（2）路面平均裂縫寬度不大于0.5 mm。

（3）鋼筋拉應(yīng)力不超過(guò)鋼筋屈服強(qiáng)度[2]。

以上三項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算確定都與CRCP層、AC層和其他路面結(jié)構(gòu)層的溫度場(chǎng)有關(guān)，但是在以往的計(jì)算和分析中，通常只對(duì)CRCP層的混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬而忽略其他結(jié)構(gòu)層中溫度分布情況對(duì)混凝土和鋼筋溫度應(yīng)力的影響[3]，并且均假設(shè)板厚方向溫度梯度為線性分布[4-5]，這顯然與實(shí)際情況存在出入。申愛琴[6]的研究結(jié)果表明：只有當(dāng)AC層的厚度小于2 cm時(shí)，將其內(nèi)的溫度梯度設(shè)為線性分布與分線性分布計(jì)算得到的溫度應(yīng)力相差不大；當(dāng)AC層厚于2 cm時(shí)，其內(nèi)部溫度分布將對(duì)混凝土和鋼筋的溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。另外，在目前的CRCP溫度應(yīng)力計(jì)算中，往往將最高溫度設(shè)置為初始溫度[7]，假設(shè)在此溫度下混凝土內(nèi)不存在溫度應(yīng)力，然后假設(shè)降溫連續(xù)均勻發(fā)生，降溫幅度為溫差值。此種計(jì)算方法存在兩個(gè)問(wèn)題：一是沒(méi)有考慮路面結(jié)構(gòu)層厚度方向溫度的不均勻分布；二是忽略了溫度隨時(shí)間的周期性變化。綜上，前述方法求得的溫度應(yīng)力值顯然與路面實(shí)際情況不符。因此綜合考慮路面各結(jié)構(gòu)層厚度方向的溫度梯度非線性分布和溫度周期性變化，分析總結(jié)出CRCP路面的溫度應(yīng)力變化規(guī)律，對(duì)于CRCP路面的設(shè)計(jì)和施工都具有重大意義。

1 有限元模型的建立

1.1 基本假設(shè)

建模時(shí)考慮路面裂縫的存在，由前期調(diào)研可知，CRCP路面裂縫的平均寬度為0.8 mm，平均間距為0.9 m。路面結(jié)構(gòu)模型在深度方向上采用不等尺寸網(wǎng)格劃分，對(duì)于CRCP層和AC層進(jìn)行加密處理。

對(duì)于模型做出以下假設(shè)：

（1）路面各層材料線彈性均勻并且各向同性。

（2）路面各層材料的熱力學(xué)參數(shù)保持不變。

（3）同一深度的路面結(jié)構(gòu)具有相同的溫度值，即溫度僅在厚度方向存在不均勻現(xiàn)象。

（4）路面各層之間溫度函數(shù)連續(xù)、層間接觸連續(xù)。

1.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)工程實(shí)際，確定模型的典型路面結(jié)構(gòu)為AC層+CRCP層+水泥穩(wěn)定碎石基層+土基。結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，選取夏季高溫天氣下典型氣溫用于分析計(jì)算，其日照時(shí)間為6:00—18:00，日照時(shí)數(shù)為12 h，日最低氣溫為27.2℃，最高氣溫為34.7℃，日太陽(yáng)輻射總量為25.8 MJ/m2。用于計(jì)算的路面結(jié)構(gòu)形式及各層材料熱學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)取值

2 混凝土溫度應(yīng)力分析

欲考慮溫度梯度在路面厚度方向上的非線性分布，需將不同節(jié)點(diǎn)的參考溫度設(shè)為不同的值，這在ANSYS建模中無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)，故本文通過(guò)APDL命令流的方法將第一個(gè)荷載步中路面各結(jié)構(gòu)層的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)讀取出來(lái)作為參考溫度，然后一一導(dǎo)入后續(xù)荷載步中的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)并與參考溫度相減，得到每一時(shí)刻不同路面結(jié)構(gòu)層的溫度差值，并計(jì)算出路面各層每一時(shí)刻的溫度應(yīng)力。圖1為不同時(shí)刻瀝青層頂部、底部和混凝土層頂部、底部的溫度應(yīng)力曲線，可見混凝土頂部溫度應(yīng)力大于底部，因此后續(xù)研究中均取混凝土層頂部的溫度應(yīng)力值進(jìn)行分析。

圖1 不同時(shí)刻溫度應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

2.1 溫度非線性分布對(duì)水泥混凝土溫度應(yīng)力的影響

申愛琴[6]的結(jié)果顯示，當(dāng)混凝土路面厚度限制在工程常用的范圍內(nèi)時(shí)，與考慮了非線性溫度梯度計(jì)算得到的混凝土最大溫度應(yīng)力相比，不考慮非線性溫度梯度所得結(jié)果要大25%～30%。由此可見，非線性溫度梯度對(duì)素混凝土板溫度應(yīng)力的影響不可以忽略。

為研究非線性溫度梯度對(duì)CRCP路面板的影響，現(xiàn)以1 d為周期分別設(shè)置非線性和線性溫度梯度，對(duì)混凝土溫度應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 線性與非線性分布下溫度應(yīng)力對(duì)比曲線

由圖2可見，非線性溫度分布計(jì)算得到的最大混凝土應(yīng)力為0.899 MPa，而線性分布得到的結(jié)果為1.035 MPa，可知非線性分布比線性分布結(jié)果小13.4%。并且與線性分布相比，非線性分布情況下混凝土最大應(yīng)力出現(xiàn)的時(shí)刻要晚近1 h，此時(shí)非線性分布最大應(yīng)力值為0.832 MPa，線性分布為0.944 MPa，非線性分布的計(jì)算結(jié)果比線性分布小11.9%。

2.2 瀝青層厚度對(duì)水泥混凝土溫度應(yīng)力的影響

設(shè)瀝青層厚度分別為6 cm、8 cm、10 cm和12 cm四種不同形式，計(jì)算分析不同的AC層厚度對(duì)于CRC層溫度應(yīng)力的影響。圖3是不同AC層厚度下的混凝土層頂面最大溫度應(yīng)力曲線。從圖中可以看出，當(dāng)AC層厚度變大時(shí)，混凝土層頂?shù)淖畲鬁囟葢?yīng)力將減小，并且變化趨勢(shì)越來(lái)越緩。說(shuō)明增大AC層厚度可以減小混凝土最大溫度應(yīng)力，但是當(dāng)AC層厚度過(guò)大時(shí)其對(duì)于混凝土應(yīng)力的減小作用也逐步減弱，因此AC層厚度并非越大越好。

2.3 CRC層厚度對(duì)水泥混凝土溫度應(yīng)力的影響

設(shè)CRC層厚度分別為18 cm、20 cm、22 cm和24 cm以討論其對(duì)混凝土溫度應(yīng)力的影響。圖4為混凝土層頂部最大應(yīng)力隨CRC層厚度的變化曲線。由圖可知，當(dāng)瀝青層厚度很小時(shí)（小于6 cm），混凝土層頂面最大溫度應(yīng)力受CRC層厚度的變化影響很?。划?dāng)瀝青層厚度較大時(shí)（大于8 cm），增加CRC層厚度可以有效降低混凝土層頂部的最大溫度應(yīng)力。

圖3 混凝土溫度應(yīng)力隨AC層厚度變化曲線

圖4 混凝土溫度應(yīng)力隨CRC層厚度變化曲線

2.4 基層摩阻系數(shù)對(duì)混凝土應(yīng)力的影響

設(shè)基層摩阻系數(shù)分別為10MPa/mm、30MPa/mm、50 MPa/mm、80 MPa/mm，以研究基層摩阻系數(shù)不同取值對(duì)混凝土溫度應(yīng)力的影響。圖5為混凝土板長(zhǎng)方向各點(diǎn)的溫度應(yīng)力在不同基層摩阻系數(shù)下的變化曲線。從圖5可以看出，混凝土板頂最大溫度應(yīng)力出現(xiàn)在板中，隨著基層摩阻系數(shù)的增大，混凝土最大溫度應(yīng)力也增大，這說(shuō)明邊界條件相同時(shí)，降低混凝土層與基層的層間黏結(jié)效應(yīng)，減小基層摩阻系數(shù)，可以減小混凝土的最大溫度應(yīng)力。

圖5 基層摩阻系數(shù)對(duì)溫度應(yīng)力影響曲線

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前連續(xù)配筋混凝土加鋪瀝青層復(fù)合路面溫度應(yīng)力分析中存在的未考慮路面各結(jié)構(gòu)層厚度方向的溫度梯度非線性分布和溫度周期性變化等問(wèn)題，改進(jìn)了ANSYS建模中參考溫度的設(shè)定，建立了更為符合實(shí)際情況的溫度應(yīng)力分析模型，對(duì)影響溫度應(yīng)力的重要影響因素進(jìn)行了敏感性分析。所得結(jié)果如下：

（1）在其他條件相同的情況下，非線性溫度梯度比線性溫度梯度計(jì)算結(jié)果小13.4%，且混凝土最大溫度應(yīng)力出現(xiàn)的時(shí)刻要晚近1 h，與實(shí)際情況更加接近。

（2）增大AC層厚度可以減小混凝土最大溫度應(yīng)力，但是當(dāng)AC層厚度過(guò)大時(shí)其對(duì)于混凝土應(yīng)力的減小作用也逐步減弱，因此AC層厚度并非越大越好。

（3）當(dāng)瀝青層厚度很小時(shí)（小于6 cm），混凝土層頂面最大溫度應(yīng)力受CRC層厚度的變化影響很??；當(dāng)瀝青層厚度較大時(shí)（大于8 cm），增加CRC層厚度可以有效降低混凝土層頂部的最大溫度應(yīng)力。

（4）邊界條件相同時(shí)，降低混凝土層與基層的層間黏結(jié)效應(yīng)，減小基層摩阻系數(shù)，可以減小混凝土的最大溫度應(yīng)力。