首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 工程施工论文 > 沥青罩面层对玄武岩纤维连续配筋水泥混凝土路面的影响

沥青罩面层对玄武岩纤维连续配筋水泥混凝土路面的影响

2020-12-19 127 上传者：管理员

摘要：在连续配筋混凝土路面中，混凝土板在温降和干缩的作用下产生横向开裂。为研究沥青罩面层(AC层)对玄武岩纤维连续配筋水泥混凝土板(CRC层)的温缩应力的影响，通过构建有限元模型，并在模型中以修正混凝土线膨胀系数表征混凝土干缩，对AC层的影响展开分析。结果表明：AC层对CRC混凝土位移、玄武岩纤维筋(BFRP筋)的应力和位移影响较小，但对混凝土应力影响十分显著。当AC层与CRC层的剪切刚度系数从0.1MPa/mm增大至1.1MPa/mm时，混凝土最大拉应力从1.709MPa增加至2.042MPa，增幅为19.5%。该规律对采用钢筋的CRCP同样适用。

关键词：
层间剪切刚度
沥青罩面层
温缩应力
玄武岩纤维筋
连续配筋混凝土路面
道路施工
加入收藏

连续配筋混凝土路面(CRCP)的早期裂缝一般由温降和混凝土干缩引起[1,2],CRCP中的纵向连续钢筋的主要作用是控制温降和干缩引起的横向裂缝，使得横向裂缝间距在合理的范围内，不至于出现较小的裂缝间距和过宽的裂缝宽度而导致冲断[3,4]。为避免因钢筋锈蚀而加速产生的一系列病害，如宽裂缝、冲断等，玄武岩纤维连续配筋水泥混凝土路面近年来受到广泛关注。国内外学者对其相关的配筋设计、结构力学性能分析等展开了大量研究[5,6,7]，但关于加铺沥青罩面层(AC层)对连续配筋水泥混凝土层(CRC层)温缩应力的影响研究鲜见报道。

为此，本文基于通用有限元软件ABAQUS构建玄武岩纤维连续配筋复合式路面模型，对比有AC层和无AC层对CRC板中混凝土应力、混凝土位移、钢筋应力和钢筋位移的影响情况，并对AC层与CRC层的剪切刚度的影响规律进行敏感性分析。

1、有限元模型

已有研究表明，选取路面整个宽度与选取带1根钢筋的板条(宽度为钢筋的间距)的温缩应力计算结果极为接近[8]。为了减少计算量，本文选取带1根钢筋的板条进行温缩应力的分析，同时可根据对称性取出1/2板条进行分析，如图1所示。CRCP路面板内的纵向钢筋主要抵抗混凝土的收缩变形，由于假设裂缝间距均匀，根据对称性，可认为裂缝处的钢筋位移为零[9]。在计算分析中作如下基本假设：(1)路面各层材料均匀、完全弹性且各向同性，且热学参数在温度变化范围内保持恒定；(2)路面厚度范围内温度下降相同；(3)忽略横向配筋的影响；(4)横向裂缝贯穿整个路面。

BFRP筋采用线性梁单元，单元类型为B31，单元大小为0.02m,AC层及CRC层采用八节点实体单元，单元类型为C3D8，单元尺寸为0.02m。在温缩应力有限元分析中，选取1/2的带1根BFRP筋的板条进行分析，边界条件为整个模型一侧位移约束，另一侧自由，AC层两端位移约束，BFRP筋两端位移约束，CRC层底部位移约束，一端(裂缝间距中间处)约束，一端自由。

图1温降干缩板条应力计算示意图

2、模型参数选取

表1为AC层、CRC层和BFRP筋的基本参数。其中，BFRP筋直径为12mm，间距为8cm，埋置深度为CRC层1/2处；AC层与CRC层二者间剪切刚度系数为0.7MPa/mm;BFRP筋与混凝土的粘结刚度系数取10MPa/mm[10]；温降为30℃，横向裂缝间距取2m。

表1温缩应力有限元模型基本参数

对于混凝土干缩，可在有限元模型中以修正混凝土线膨胀系数表征。计算方法如式(1):

公式1

式中：αc为考虑干缩作用的修正混凝土膨胀系数；αc′为混凝土膨胀系数；△T为温度下降幅度(℃)；εsh为混凝土干缩系数，一般取0.0002。

3、沥青层的影响规律分析

从温度应力的角度来看，相对于连续配筋混凝土路面而言，由于复合式路面中AC层的存在，CRC层中的混凝土及筋材的受力情况也必然发生改变。AC层的影响主要包括两个方面，一是改变了CRC层的温度场，二是AC层与CRC层在温度变化时产生的变形不一致对CRC层造成的剪切作用。

目前在进行复合式路面混凝土及筋的温度应力分析时，往往忽略AC层与CRC层的剪切作用。陈锋锋[11]认为AC层在复合式路面中主要作用是降低CRC层的温度梯度，因而在温度应力分析模型中可忽略AC层。但实际上，由于温度变化幅度以及膨胀参数的差异，沥青层和连续配筋层将产生相对错位，进而产生一定的剪切作用，CRC层的温度受力也将相应发生改变。特别是在计算最大温降幅度△T时，对应的是低温时节，此时的沥青混合料接近弹性，塑性效应减弱，剪切作用更不宜简单忽略不计。为比较差异，本节对比分析了考虑与不考虑二者剪切作用两种情况下的混凝土及筋的受力差异，计算结果如表2所示。

表2AC层影响结果对比

由表2可知，CRC层与AC层的剪切作用对混凝土在裂缝处位移、BFRP筋的最大应力和位移影响较小，但对混凝土最大拉应力具有较大的影响，从而会影响CRC层的开裂间距，因此在分析复合式路面混凝土及筋的温度应力时将考虑AC层与CRC层的剪切作用。

4、AC层与CRC层剪切刚度的影响分析

本节对AC层与CRC层剪切刚度系数(KAC)分别选取0.1MPa/mm、0.3MPa/mm、0.5MPa/mm、0.7MPa/mm、0.9MPa/mm和1.1MPa/mm，以研究层间剪切刚度对CRC层温降干缩力学指标的影响规律。

4.1对混凝土最大拉应力的影响

由图2可知，无论是BFRP筋还是钢筋连续配筋复合式路面，混凝土最大拉应力σc均随着层间剪切刚度系数的增大而增大。当剪切刚度系数从0.1MPa/mm增大至1.1MPa/mm时，采用BFRP筋时混凝土最大拉应力从1.709MPa增加至2.042MPa，钢筋配筋时混凝土最大拉应力从2.999MPa增加至3.273MPa。因此，在其它参数不变的情况下，增大剪切刚度系数可引起混凝土最大拉应力增大，从而减小裂缝间距，减小裂缝宽度。

图2混凝土最大拉应力的变化情况

图3裂缝宽度的变化情况

4.2对横向裂缝宽度的影响

从图3可以看出，随着AC层与CRC层之间的剪切刚度增加，AC层对混凝土位移约束作用增强，裂缝处混凝土位移减小，即裂缝宽度减小。在裂缝间距保持2m的情况下，当剪切刚度系数从0.1MPa/mm增大至1.1MPa/mm时，BFRP筋配筋下的裂缝宽度从0.866mm降至0.838mm，减小了3.2%。这说明尽管增大CRC层与AC层的剪切刚度系数有利于缩减CRC的裂缝开裂宽度，但其影响十分有限。

4.3对筋材最大拉应力的影响

从图4来看，层间剪切刚度对筋的最大拉应力影响较小。当剪切刚度系数从0.1MPa/mm增大至1.1MPa/mm时，BFRP筋的拉应力从241.3MPa减小至237.4MPa，减小1.6%。因此，AC层与CRC层的剪切刚度对筋的最大拉应力影响基本可以忽略不计。

图4筋材最大拉应力的变化情况

5、结论

(1)构建玄武岩纤维连续配筋复合式路面的有限元模型，以修正混凝土线膨胀系数表征混凝土干缩，方法可行。

(2)AC层对CRC混凝土应力的影响十分显著，当AC层与CRC层的剪切刚度系数从0.1MPa/mm增大至1.1MPa/mm时，混凝土最大拉应力从1.709MPa增加至2.042MPa，增幅为19.5%。

(3)AC层对CRC混凝土位移、玄武岩纤维筋(BFRP筋)的应力和位移影响较小，可忽略不计。但对混凝土应力影响十分显著。

(4)AC层对CRC层温缩应力的影响规律对采用钢筋的CRCP同样适用。

参考文献：

[1]查旭东.连续配筋混凝土路面横向开裂发展规律[J].交通运输工程学报,2008,8(2):65-68.

[2]张洪亮,郝景贤,王衍辉,等.基于参数变异性的连续配筋混凝土路面横向裂缝分布预估方法[J].长安大学学报(自然科学版),2014,34(6):1-6.

[5]沈新,顾兴宇,陆佳颖.玄武岩纤维(BFRP)筋与混凝土粘结性能实验研究[J].交通运输工程与信息学报,2010(3):124-130.