论文部分内容阅读
【摘 要】连续配筋混凝土存在横向裂缝，横向裂缝达到一定宽度后，沥青层在横向裂缝处容易产生反射裂缝，引起沥青加铺层层底产生较大的拉应力和沥青加铺层层底出现较大的剪应力，严重影响沥青层的使用寿命。本文对连续配筋水泥混凝土路面产生的裂缝对沥青加铺层的影响进行了分析。
【关键词】连续配筋路面；罩面层；裂缝；张拉应力；剪应力
Impact analysis of asphalt overlay to continuously reinforced concrete pavement
Zhao Ya-zun,Wei Wei-xin
(1.Baoding Transportation Bureau Highway Engineering Department Hebei 071000;
2.Xuanhua County Transportation Bureau Xuanhua Hebei 075100)
【Abstract】Existence of transverse cracks in continuously reinforced concrete, transverse cracks reach a certain width, the transverse cracks in the asphalt layer prone to reflective cracking, causing the bottom layers of asphalt have a greater tensile stress and the bottom layers of asphalt there larger shear stress seriously affect the life of asphalt layer. In this paper, continuously reinforced concrete pavement cracks on the asphalt layer are analyzed.
【Key words】Continuously reinforced concrete pavement;Overlay layer;Crack;Tension stress;Shear stress
连续配筋水泥混凝土路面的开裂是一个较长期的过程，因此在连续配筋路面上加铺罩面层后，罩面层必须能抵制连续配筋路面开裂的影响，如果裂缝宽度过大则会导致罩面层的一次性拉开或者疲劳开裂，从而形成严重的反射裂缝；另一方面，当连续配筋路面开裂后，裂缝处沥青罩面层在交通荷载的作用下会产生剪切应力，从而形成剪切型反射裂缝。因此，裂缝的状态会在很大程度上影响加铺层的设计效果。
1. CRCP开裂引起的罩面层张拉应力
连续配筋混凝土开裂过程中，由于沥青面层与连续配筋混凝土层间的粘结作用，会在沥青加铺层底产生较大的拉应力，这对加铺层的受力是不利的。分析计算时假设应变为线形函数，形变为一次产生，由此计算得到不同CRCP层裂缝宽度时所对应的加铺层底拉应力。
考虑到沥青混合料是一种粘弹性材料，其模量和强度随着温度的变化及材料组成的不同而变化，模量的变化将导致沥青加铺层对荷载响应的变化。因此不同季节、不同材料组成的沥青加铺层中产生的应力和应变是不同的。加铺层厚度取10cm，模量取值1000MPa~5000 MPa，对不同裂缝宽度下加铺层底部的拉应力进行分析。
图1 张拉应力计算模型
ε (x)=ax+b；
ΔL=(ax+b)dx;
ρ＝εΕ
初始条件：
ε(0)=0
1/2=1/20ε (x)dx
对应不同裂缝宽度与间距，可以求得应变最大值，考虑不同季节沥青混合料的弹性模量（冬季5000MPa，夏季1000 MPa），从而得到沥青加铺层在混凝土板开裂不同宽度时的层底拉应力：（见表1）
常温（15℃）以及低温（-10℃）下沥青混合料的劈裂强度如表2、表3所示：
可以看出，沥青混合料的模量对加铺层底由裂缝产生的张拉应力影响较大。随着温度的降低，沥青混合料模量增加，温度应力也急速增长。但是随着温度的降低，沥青混合料的劈裂强度也随之上升。
在寒冷的冬季，沥青混合料模量很高（5000 MPa），当混凝土板开裂且裂缝宽度达到1.2mm时，沥青加铺层受到的张拉应力即接近于沥青混合料的劈裂抗拉强度3.18 MPa，将导致沥青加铺层的开裂。
在温度较高沥青加铺层模量较低时，沥青加铺层受到的由于混凝土板开裂引起的张拉应力远小于沥青混合料的劈裂抗拉强度，沥青加铺层不宜开裂。
综合来看，考虑沥青混合料的应力松弛特性及并未骤然降温到极限温差，连续配筋水泥混凝土板裂缝宽度小于1.2mm对于沥青加铺层是安全的。
2. CRCP开裂引起的罩面层剪应力
连续配筋水泥混凝土路面裂缝出现后，车辆荷载行经裂缝位置时，在裂缝位置处沥青罩面层层底将出现较大的剪应力。同时，行驶车辆从“远离裂缝——渐近裂缝 -裂缝正上方——渐远裂缝 ——远离裂缝”的接近过程中，沥青罩面层中会产生较复杂的应力分布。为此对不同裂缝宽度(裂缝宽度1mm~4mm)、不同荷位（远离裂缝 ——渐近裂缝——裂缝正上方）时加铺层底部剪应力进行分析。行车荷载取标准轴载，荷位如图5.6所示，沥青加铺层厚4cm，模量为2000 MPa。
图2 加铺层剪应力分析图示
图3 层底剪应力与裂缝宽度间的关系
图4 层底剪应力与加载位置（缝宽2mm）
计算可得出不同荷位下加铺层底剪应力与裂缝宽度之间的关系,如图3、图4所示：
可以看出：
2.1 沥青加铺层层底剪应力随着车辆荷载与裂缝位置的变化而不断变化，偏载作用时（荷位2、6）剪应力达到最大，荷载对称作用时（荷位4）剪应力最小。
2.2 从有限元计算结果看，裂缝的宽度对加铺层层底剪应力影响不大，在最不利荷位时，当裂缝由1mm增加到2mm时，加铺层内剪应力增加了7%；从2mm增加到4mm时，应力略有减小，但是幅度不大。
2.3 随着荷载位置的变化，裂缝宽度对加铺层底剪应力的影响也随之变化。离裂缝较远时（荷位1），加铺层底应力在裂缝宽度为1.5mm时达到最大值；靠近裂缝时（荷位3），加铺层底应力在裂缝宽度为1.8mm时达到最大值；而在最不利荷位时，层底应力在缝宽为2mm时达到最大值。可以看出，在汽车行进的过程中，裂缝宽度对加铺层底应力的影响是不断变化的，1.5mm宽以上的裂缝对反射裂缝的发展较为不利。
3. 结束语：
由于连续配筋水泥混凝土路面存在横向裂缝，横向裂缝达到一定宽度后，沥青层在横向裂缝处容易产生反射裂缝，引起沥青加铺层层底产生较大的拉应力和沥青加铺层层底出现较大的剪应力，严重影响了沥青层的使用寿命。疲劳应力分析表明，AC+CRCP复合式路面具有较长的使用寿命，在重载超载的情况下，承重层不会发生结构破坏。但由于CRCP路面横向裂缝的出现，在行车荷载甚至超载情况下，复合式路面抗反射裂缝的疲劳寿命是否能够达到设计要求，需要进一步的研究。
参考文献
［1］ 唐益民.连续配筋水泥混凝土路面荷载应力分析. ［东南大学硕士论文］.1995.
［2］ 田寅春.胡长顺.王秉刚.连续配筋混凝土路面荷载应力分析［J］.西安公路交通大学,公路工程学院.陕西.西安.2000.7.
［3］ 邓学钧,黄晓明.路面设计原理与方法［M］.北京:人民交通出版社,2001:201~204.
［4］ 王小林.连续配筋混凝土路面基本理论、试验和设计方法研究.［东南大学硕士论文］.1990.
［文章编号］1006-7619（2011）02-16-094
［作者简介］ 赵亚尊（1972.11-），男，职称：高级工程师，长安大学交通与土建专业毕业，一直从事高等级公路技术和施工组织管理工作。
【关键词】连续配筋路面；罩面层；裂缝；张拉应力；剪应力
Impact analysis of asphalt overlay to continuously reinforced concrete pavement
Zhao Ya-zun,Wei Wei-xin
(1.Baoding Transportation Bureau Highway Engineering Department Hebei 071000;
2.Xuanhua County Transportation Bureau Xuanhua Hebei 075100)
【Abstract】Existence of transverse cracks in continuously reinforced concrete, transverse cracks reach a certain width, the transverse cracks in the asphalt layer prone to reflective cracking, causing the bottom layers of asphalt have a greater tensile stress and the bottom layers of asphalt there larger shear stress seriously affect the life of asphalt layer. In this paper, continuously reinforced concrete pavement cracks on the asphalt layer are analyzed.
【Key words】Continuously reinforced concrete pavement;Overlay layer;Crack;Tension stress;Shear stress
连续配筋水泥混凝土路面的开裂是一个较长期的过程，因此在连续配筋路面上加铺罩面层后，罩面层必须能抵制连续配筋路面开裂的影响，如果裂缝宽度过大则会导致罩面层的一次性拉开或者疲劳开裂，从而形成严重的反射裂缝；另一方面，当连续配筋路面开裂后，裂缝处沥青罩面层在交通荷载的作用下会产生剪切应力，从而形成剪切型反射裂缝。因此，裂缝的状态会在很大程度上影响加铺层的设计效果。
1. CRCP开裂引起的罩面层张拉应力
连续配筋混凝土开裂过程中，由于沥青面层与连续配筋混凝土层间的粘结作用，会在沥青加铺层底产生较大的拉应力，这对加铺层的受力是不利的。分析计算时假设应变为线形函数，形变为一次产生，由此计算得到不同CRCP层裂缝宽度时所对应的加铺层底拉应力。
考虑到沥青混合料是一种粘弹性材料，其模量和强度随着温度的变化及材料组成的不同而变化，模量的变化将导致沥青加铺层对荷载响应的变化。因此不同季节、不同材料组成的沥青加铺层中产生的应力和应变是不同的。加铺层厚度取10cm，模量取值1000MPa~5000 MPa，对不同裂缝宽度下加铺层底部的拉应力进行分析。
图1 张拉应力计算模型
ε (x)=ax+b；
ΔL=(ax+b)dx;
ρ＝εΕ
初始条件：
ε(0)=0
1/2=1/20ε (x)dx
对应不同裂缝宽度与间距，可以求得应变最大值，考虑不同季节沥青混合料的弹性模量（冬季5000MPa，夏季1000 MPa），从而得到沥青加铺层在混凝土板开裂不同宽度时的层底拉应力：（见表1）
常温（15℃）以及低温（-10℃）下沥青混合料的劈裂强度如表2、表3所示：
可以看出，沥青混合料的模量对加铺层底由裂缝产生的张拉应力影响较大。随着温度的降低，沥青混合料模量增加，温度应力也急速增长。但是随着温度的降低，沥青混合料的劈裂强度也随之上升。
在寒冷的冬季，沥青混合料模量很高（5000 MPa），当混凝土板开裂且裂缝宽度达到1.2mm时，沥青加铺层受到的张拉应力即接近于沥青混合料的劈裂抗拉强度3.18 MPa，将导致沥青加铺层的开裂。
在温度较高沥青加铺层模量较低时，沥青加铺层受到的由于混凝土板开裂引起的张拉应力远小于沥青混合料的劈裂抗拉强度，沥青加铺层不宜开裂。
综合来看，考虑沥青混合料的应力松弛特性及并未骤然降温到极限温差，连续配筋水泥混凝土板裂缝宽度小于1.2mm对于沥青加铺层是安全的。
2. CRCP开裂引起的罩面层剪应力
连续配筋水泥混凝土路面裂缝出现后，车辆荷载行经裂缝位置时，在裂缝位置处沥青罩面层层底将出现较大的剪应力。同时，行驶车辆从“远离裂缝——渐近裂缝 -裂缝正上方——渐远裂缝 ——远离裂缝”的接近过程中，沥青罩面层中会产生较复杂的应力分布。为此对不同裂缝宽度(裂缝宽度1mm~4mm)、不同荷位（远离裂缝 ——渐近裂缝——裂缝正上方）时加铺层底部剪应力进行分析。行车荷载取标准轴载，荷位如图5.6所示，沥青加铺层厚4cm，模量为2000 MPa。
图2 加铺层剪应力分析图示
图3 层底剪应力与裂缝宽度间的关系
图4 层底剪应力与加载位置（缝宽2mm）
计算可得出不同荷位下加铺层底剪应力与裂缝宽度之间的关系,如图3、图4所示：
可以看出：
2.1 沥青加铺层层底剪应力随着车辆荷载与裂缝位置的变化而不断变化，偏载作用时（荷位2、6）剪应力达到最大，荷载对称作用时（荷位4）剪应力最小。
2.2 从有限元计算结果看，裂缝的宽度对加铺层层底剪应力影响不大，在最不利荷位时，当裂缝由1mm增加到2mm时，加铺层内剪应力增加了7%；从2mm增加到4mm时，应力略有减小，但是幅度不大。
2.3 随着荷载位置的变化，裂缝宽度对加铺层底剪应力的影响也随之变化。离裂缝较远时（荷位1），加铺层底应力在裂缝宽度为1.5mm时达到最大值；靠近裂缝时（荷位3），加铺层底应力在裂缝宽度为1.8mm时达到最大值；而在最不利荷位时，层底应力在缝宽为2mm时达到最大值。可以看出，在汽车行进的过程中，裂缝宽度对加铺层底应力的影响是不断变化的，1.5mm宽以上的裂缝对反射裂缝的发展较为不利。
3. 结束语：
由于连续配筋水泥混凝土路面存在横向裂缝，横向裂缝达到一定宽度后，沥青层在横向裂缝处容易产生反射裂缝，引起沥青加铺层层底产生较大的拉应力和沥青加铺层层底出现较大的剪应力，严重影响了沥青层的使用寿命。疲劳应力分析表明，AC+CRCP复合式路面具有较长的使用寿命，在重载超载的情况下，承重层不会发生结构破坏。但由于CRCP路面横向裂缝的出现，在行车荷载甚至超载情况下，复合式路面抗反射裂缝的疲劳寿命是否能够达到设计要求，需要进一步的研究。
参考文献
［1］ 唐益民.连续配筋水泥混凝土路面荷载应力分析. ［东南大学硕士论文］.1995.
［2］ 田寅春.胡长顺.王秉刚.连续配筋混凝土路面荷载应力分析［J］.西安公路交通大学,公路工程学院.陕西.西安.2000.7.
［3］ 邓学钧,黄晓明.路面设计原理与方法［M］.北京:人民交通出版社,2001:201~204.
［4］ 王小林.连续配筋混凝土路面基本理论、试验和设计方法研究.［东南大学硕士论文］.1990.
［文章编号］1006-7619（2011）02-16-094
［作者简介］ 赵亚尊（1972.11-），男，职称：高级工程师，长安大学交通与土建专业毕业，一直从事高等级公路技术和施工组织管理工作。