连续配筋水泥混凝土路面的临界荷位(2)

时间:2013-08-26 13:53 来源:发表吧作者:发表吧点击: 次

　　2.1基本假定及单元选用

　　基本假定：

　　1）混凝土和钢筋是各向同性、均质的弹性材料，地基选用Winkler地基.

　　2）钢筋和混凝土是完全理想联接的，没有滑移，使用植入方式处理.

　　3）路面选用三板系统，如图4所示，中间板段长度根据需要为0.5～3m，其中两边板端部除竖直方向外，其他方向都约束住.事实上三板系统中两边板跟中间板段长度差不多，但是，本文计算主要是为了降低边界约束对裂缝传力的影响，所以，将边板看作一个（带裂缝的）整体来进行计算.

　　4）路面板单元采用二十节点六面体二次完全积分单元，钢筋采用二节点杆单元.

　　单元选用：

　　如图1所示，在3种混凝土节点上设置弹簧单元，赋予z轴向弹簧刚度为各节点的节点刚度（表2）.在钢筋节点上设置3个方向上的弹簧单元，其中，y和z向分别为钢筋切向刚度，x向为纵向刚度，见表1.

　　2.2轮载分布

　　实际工程中，多车道混凝土路面大多选择分幅施工，通过减小单幅混凝土板块的宽度以减小温度效应.同时，单车道混凝土路面比较少见.因此，本文选择双车道混凝土路面进行研究.为计算连续配筋路面的临界荷位，本文选取如5所示的8个荷载位置分别进行荷载应力计算.

　　其中，荷位1～4是轮载作用于中间板块正中间的情况，对应于荷位1～4，荷位5～8位于横缝边缘.图中各板块正中间的双竖线表示两车之间的安全距离.考虑到荷载划分的方便，本文取此双线之间的距离为0.45m.

　　2.3模型验证

　　由于连续配筋路面在道路纵向上是连续的，因此当图4中中间板块受到轮载作用时，其变形会传导到相邻两侧板上.也就是说，中间板块的变形对两侧板存在一定长度的影响区间，此区间长度即决定本计算中两边板的长度取值.当边板中存在横向裂缝时，边板的整体刚度削弱，区间长度会有所调整，但是本文只关心取定长度下边板边缘区间段受力为零.由于参数变化，每一种参数组合对应一个区间长度.但是很明显，当中间板块长度和横向裂缝宽度越小时，边板受影响的区域越大.取中间板段宽0.5m，裂缝宽度0.1mm，板厚0.24m，板中配筋，钢筋间距0.16m，钢筋直径18mm，边板宽分别取1.5，2.5和4.5m进行计算，材料参数见表3[10].按图5中的荷位1进行边板影响区域计算.

　　经计算，两边板在板长方向上出现的最大应力点的连线垂直于横向裂缝，并经过外侧车轮轮迹中心点.对左边板，以裂缝处为应力取值点初始位置，在垂直裂缝方向上间断取点，取值点连线经过应力最大点，各点的应力点如图6所示.

　　从裂缝处到边板板端距离/m

　　由图6可知，当边板长分别为1.5和2.5m时，在接近边板端部处应力迅速递减为零，虽然符合模型边界条件，但是这一现象也表明中间板块荷载对边板端部处存在一定影响，也即边板长度取值不够.也就是说，如果此时限定边板端部位移为零，则边界条件必定会对整个系统中的应力产生影响，从而影响计算结果的精确性.而当板长为4.5m时，板长向应力在4m处即趋于零，并在4～4.5m内板体应力都为零，表明荷载对边板的影响位置最大在4m左右，本文选取4.5m，满足要求.

　　3临界荷位计算

　　当边板长度取定之后，也就确定了本次计算所需的所有参数.按图5中的8种荷载位置对三板块系统进行应力计算，确定中间板块的最大板宽向拉应力的荷载位置，即为临界荷位.在取定边板长度为4.5m情况下，变化中间板块的长度，分别为0.5，1，2和3m，其他参数同2.3节.计算所得结果如表4所示.从表4可以看出，当板长较大（≥1.0m）时，与板宽向应力相比，板长向应力为主要应力.而当板长较小（0.5m）时，板宽向应力成为主要应力.同实际情况相对应，在CRCP横向裂缝不断产生、板长不断减小的过程中，板长向拉应力逐渐减小，从而使板宽向应力成为小板段CRCP中的控制应力.这符合CRCP寿命周期中的行为方式：即当板块板长较大时，板体在荷载和温度的共同作用下在长度方向上不断开裂，当板体长度减小为一定（0.3～0.6m）时，CRCP将不再在板长向上发生断裂，反而会在荷载作用下出现板宽向的小板条断裂，即punchout破坏.

　　总体来说，板宽向应力随板长变化改变不大.但是，不同板长情况下，荷位8在板宽向的应力在与其他荷位的比较中总是最大的，也就是说，荷位8为所求的临界荷位.此时，板宽向最大拉应力位于左车道外侧车轮板底轮迹中心处（见图5），距离路面板边缘为1.43m.

　　当中间板条较小时（0.5～1.0m），从表4中可以看出，荷位5相较于荷位6和荷位7，与荷位8非常接近.荷位5情况下，板宽向最大应力也是出现于左车道外侧车轮板底轮迹中心处（见图5），距离路面板边缘0.95m.荷位8和荷位5情况下，最大板宽向应力的发生位置与实际中punchout的发生位置（距路面板纵向边缘1.0～2.0m）能很好地吻合.考虑行车道划分，正常行驶的轮迹分布是以荷位1和荷位5为中心的类似正态分布.在混凝土疲劳计算中，需考虑荷载位置在路面横断面上的概率分布，对各位置处的损伤进行累计计算，而推荐荷位8作为路面承载力检验的核算位置.

　　4结论

　　以三板系统模拟连续配筋水泥混凝土路面，计算获得了路面的临界荷位.CRCP裂缝处钢筋和混凝土的传荷刚度计算公式的确定，为模拟CRCP荷载应力计算提供了关键参数.在此基础上，大量计算结果表明：

　　1）三板系统中，当边板长度大于4m时，边界条件将不对应力计算产生影响.本文中边板长度4.5m满足计算要求.

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