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        混凝土底基層CRCP+AC 路面結(jié)構(gòu)超載分析

        2022-03-26 10:33:34
        山東交通科技 2022年1期
        關(guān)鍵詞:基層混凝土結(jié)構(gòu)

        趙 旭

        (上海城建養(yǎng)護(hù)管理有限公司,上海 201101)

        引言

        隨著我國(guó)交通量以及交通軸載的增大,對(duì)道路路面結(jié)構(gòu)的整體承載力、耐久性以及行車(chē)功能性都提出了較高的要求。傳統(tǒng)半剛性基層瀝青路面在超載作用下容易出現(xiàn)裂縫、車(chē)轍、推移等早期損壞現(xiàn)象,連續(xù)配筋混凝土路面(CRCP)作為一種具備高承載力、高耐久性的路面,上覆兩層或三層瀝青混凝土形成剛?cè)峤Y(jié)合的復(fù)合路面體系,即CRCP+AC 結(jié)構(gòu)。這種復(fù)合路面兼具連續(xù)配筋混凝土路面高強(qiáng)度和瀝青路面柔性加鋪行車(chē)舒適的綜合性能[1-3],理論層面具備適應(yīng)超載的能力。

        通過(guò)研究CRCP+AC 路面結(jié)構(gòu)超載分析,可以較好地分析路面結(jié)構(gòu)在不同軸載作用下的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律,為道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、路面損壞預(yù)防以及敏感參數(shù)分析等提供針對(duì)性地指導(dǎo)。劉朝輝和鄭健龍[4]通過(guò)建立CRC+AC 層間剪應(yīng)力分析模型,計(jì)算不同瀝青層厚度和不同軸載作用下層間剪應(yīng)力,并且通過(guò)不同荷位的計(jì)算與分析,得出不同裂縫間距復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)的兩種臨界荷位,通過(guò)變換若干AC層厚度、CRC 板厚度以及地基模量分析參數(shù)對(duì)復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)荷載應(yīng)力的影響[5]。程焰兵[6]建立帶裂縫的連續(xù)配筋混凝土復(fù)合式瀝青路面的三維有限元模型,分析了移動(dòng)荷載下CRC+AC 復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。蒙藝[7]基于彈性層狀體系借助Bisar3.0分析改變相關(guān)結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)對(duì)復(fù)合式路面層間剪應(yīng)力的影響規(guī)律,研究表明沿輪心方向的輪后緣處最容易發(fā)生剪切破壞現(xiàn)象,AC 層厚度對(duì)層間剪應(yīng)力影響明顯,面層的合理厚度為8~12 cm。國(guó)內(nèi)外學(xué)者就連續(xù)配筋混凝土路面應(yīng)力分析開(kāi)展了深入研究[8-13],復(fù)合路面結(jié)構(gòu)的底基層形式主要為半剛性材料,連續(xù)配筋混凝土路面底基層為混凝土材料的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析研究相對(duì)較少,作為一種重載適應(yīng)程度較強(qiáng)的CRCP+AC 路面結(jié)構(gòu)形式,該路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)分析及關(guān)鍵力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)隨著重載變化的相關(guān)規(guī)律研究就顯得尤為重要。

        1 路面計(jì)算模型

        1.1 路面結(jié)構(gòu)組合及材料參數(shù)

        連續(xù)配筋復(fù)合路面結(jié)構(gòu)組合見(jiàn)圖1。復(fù)合路面結(jié)構(gòu)層的材料參數(shù)見(jiàn)表1。

        圖1 路面結(jié)構(gòu)組合

        表1 路面結(jié)構(gòu)層的材料參數(shù)

        1.2 模型尺寸與假設(shè)

        模型選取連續(xù)配筋水泥混凝土板塊尺寸為5 m×4 m,脹縫寬度為2 cm。由于連續(xù)配筋混凝土復(fù)合式路面中鋼筋分布均勻,故將鋼筋布設(shè)層按照實(shí)體單元建模,將鋼筋連續(xù)化處理,并采用空間正交各向異性材料模型模擬該層縱向、橫向配筋率不同以及厚度方向沒(méi)有配筋的特性。連續(xù)配筋水泥板、瀝青面層、混凝土底基層等均采用空間等參元8 節(jié)點(diǎn)六面體單元進(jìn)行模型建立。

        1.3 荷載條件

        將100 kN 雙圓均布標(biāo)準(zhǔn)荷載簡(jiǎn)化為雙矩形均布荷載:接地寬度B=18.6 cm,接地長(zhǎng)度L=19.2 cm,軸載P=100 kN,接地壓力p=0.7 MPa,輪數(shù)nw=4,兩輪中心距31.4 cm。選取連續(xù)配筋復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)的荷載作用位置于橫縫邊緣中部。

        1.4 單元類(lèi)型及邊界條件

        計(jì)算模型采用C3D8R 單元類(lèi)型,可以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,同時(shí)提高軟件運(yùn)算效率,選取0.025 m 作為近似全局網(wǎng)格布置尺寸。模型的邊界條件:X、Z 方向均為軸向約束,結(jié)構(gòu)底面為固定約束,路面頂層完全自由。路面三維模型中X、Y、Z 分別表示行車(chē)方向、路面深度方向和路幅方向。路面結(jié)構(gòu)的三維有限元模型及網(wǎng)格模型見(jiàn)圖2。

        圖2 路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型及網(wǎng)格劃分模型

        2 標(biāo)準(zhǔn)軸載下的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律

        2.1 剪應(yīng)力

        路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力分布見(jiàn)圖3。分析可知:最大剪應(yīng)力沿路面深度方向呈現(xiàn)逐級(jí)遞減的分布形態(tài)與規(guī)律。最大剪應(yīng)力的極值出現(xiàn)在復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)的4 cm、8 cm 位置,最大剪應(yīng)力峰值分別為0.541 MPa、0.526 MPa,經(jīng)過(guò)瀝青面層與CRCP 層的交界后,最大剪應(yīng)力迅速下降,到路面CRCP 層上部6~7 cm 處略有上升,第二處剪應(yīng)力極值為0.412 MPa,其后剪應(yīng)力呈現(xiàn)下降趨勢(shì),到C25 混凝土層底剪應(yīng)力出現(xiàn)第三處極值,此時(shí)剪應(yīng)力大小已降低至0.169 MPa,到級(jí)配碎石層剪應(yīng)力基本消散趨于零。

        圖3 路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力分布

        2.2 縱向拉應(yīng)力

        路面結(jié)構(gòu)的縱向拉應(yīng)力見(jiàn)圖4。瀝青加鋪層位于壓應(yīng)力區(qū),極值位于瀝青加鋪層層底,最大值0.095 MPa。接著進(jìn)入拉壓應(yīng)力交界區(qū),連續(xù)配筋混凝土層層底的拉應(yīng)力相對(duì)較小,為0.016 2 MPa。進(jìn)入C25 混凝土層之后,縱向拉應(yīng)力迅速增大,最大值為0.085 MPa。C25 整體的板體性更好,剛度大使得路面結(jié)構(gòu)的中性面下降,因此,瀝青面層全部處于壓應(yīng)力區(qū)域,縱向拉應(yīng)力的最大值位于C25 混凝土底部。

        圖4 路面結(jié)構(gòu)縱向拉應(yīng)力分布

        2.3 橫向拉應(yīng)力

        路面結(jié)構(gòu)的橫向拉應(yīng)力分布見(jiàn)圖5。相較縱向拉應(yīng)力而言,橫向拉應(yīng)力整體的數(shù)值較大,瀝青面層與CRCP 層均位于壓應(yīng)力區(qū),極值出現(xiàn)在瀝青層層底處,為0.149 MPa,CRCP 層層底位于拉壓應(yīng)力交界區(qū),進(jìn)入C25 混凝土層之后,橫向拉應(yīng)力迅速增大,最大值為0.091 MPa。

        圖5 路面結(jié)構(gòu)橫向拉應(yīng)力分布

        2.4 壓應(yīng)力

        路面結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力分布見(jiàn)圖6。由于選取的計(jì)算點(diǎn)位在橫縫附近,相比于傳統(tǒng)的半剛性基層瀝青路面壓應(yīng)力的峰值沒(méi)有出現(xiàn)在輪胎與路表的接觸區(qū)域,整個(gè)復(fù)合路面的壓應(yīng)力分布呈現(xiàn)“單峰”形式,壓應(yīng)力最大值位于CRCP 層層底位置處,峰值為0.228 MPa。

        圖6 路面結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力分布

        3 關(guān)鍵力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)的重載分析

        綜合考慮CRCP 層的受力特性與材料層位,選取瀝青面層之間以及瀝青面層-基層的界面最大剪應(yīng)力、CRCP 層與C25 層層底橫向拉應(yīng)力及縱向拉應(yīng)力、路表彎沉指標(biāo)作為關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)的分析群體。初步設(shè)定軸載為100~200 kN,超載率選取為0%、20%、40%、60%、80%、100%。

        3.1 界面剪應(yīng)力

        CRCP 復(fù)合式路面的界面剪應(yīng)力隨著軸重的增加的應(yīng)力變化見(jiàn)圖7。瀝青層界面剪應(yīng)力與面-及層間剪應(yīng)力的增長(zhǎng)速率基本一致,整體的幅值較大,從0.228 MPa 和0.247 MPa 增長(zhǎng)至0.456 MPa 及0.493 MPa。表明要關(guān)注瀝青層間以及面基層間的黏結(jié)問(wèn)題,良好的層間黏結(jié)可以防止層間滑移,提高面層的服務(wù)使用壽命。

        圖7 界面剪應(yīng)力超載分析

        3.2 橫向拉應(yīng)力

        層底橫向拉應(yīng)力見(jiàn)圖8。CRCP 層作為主要承重層,層底的橫向拉應(yīng)力相對(duì)較小,隨著軸載的增加,其橫向拉應(yīng)力從0.025 MPa 增長(zhǎng)到0.048 MPa,增長(zhǎng)速率相對(duì)混凝土基層而言小。C25 混凝土層層底橫向拉應(yīng)力從0.091 MPa 增長(zhǎng)到0.182 MPa。表明混凝土基層CRCP+AC 路面更需要關(guān)注該層層底的疲勞開(kāi)裂,在計(jì)算疲勞壽命時(shí)均應(yīng)考慮。

        圖8 層底橫向拉應(yīng)力

        3.3 縱向拉應(yīng)力

        層底縱向拉應(yīng)力見(jiàn)圖9。路面結(jié)構(gòu)的層底縱向拉應(yīng)力與前述規(guī)律相似,CRCP 層層底的橫向拉應(yīng)力相對(duì)較小,其橫向拉應(yīng)力從0.016 MPa 增長(zhǎng)到0.032 MPa,增長(zhǎng)速率相對(duì)混凝土基層而言小。C25 混凝土層層底拉應(yīng)力從0.085 MPa 增長(zhǎng)到0.170 MPa。與橫向應(yīng)力對(duì)比,縱向拉應(yīng)力比橫向拉應(yīng)力的數(shù)值范圍相對(duì)較小,表明橫向開(kāi)裂或許會(huì)更加嚴(yán)重。

        圖9 層底縱向拉應(yīng)力

        3.4 路表彎沉

        路面結(jié)構(gòu)路表彎沉見(jiàn)圖10。路表彎沉大小分布較廣,從標(biāo)準(zhǔn)軸載的51(0.01 mm)增長(zhǎng)至102(0.01 mm)處,表明隨著軸載的增加,路表的縱向變形相對(duì)較大,如果軸載進(jìn)一步加大,路表將會(huì)出現(xiàn)較大的路面沉陷等路面損壞現(xiàn)象。

        圖10 路面結(jié)構(gòu)路表彎沉

        4 結(jié)語(yǔ)

        (1)瀝青層間的界面剪應(yīng)力與面-及層間剪應(yīng)力的增長(zhǎng)速率基本一致,整體的幅值較大;對(duì)于瀝青面層應(yīng)考慮車(chē)轍增強(qiáng)的現(xiàn)象,在設(shè)計(jì)階段應(yīng)采取模量較高的材料。(2)CRCP 層層底橫向與縱向拉應(yīng)力相對(duì)較小,隨著軸載的增加,其增長(zhǎng)速率相對(duì)混凝土基層而言小,混凝土底基層路面更需要關(guān)注混凝土層底的疲勞開(kāi)裂,在計(jì)算疲勞壽命時(shí)均應(yīng)考慮。(3)復(fù)合式路面的彎沉變化較為明顯,從標(biāo)準(zhǔn)軸載的51(0.01 mm)增長(zhǎng)至102(0.01 mm)處,連續(xù)配筋復(fù)合式路面在重載路段可能出現(xiàn)路面沉陷等問(wèn)題。

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