AASHTO連續(xù)配筋混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

1、第卷年第期月中國(guó)水運(yùn)連續(xù)配筋混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法胡春華，黃清麗（湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢）摘要：介紹了美國(guó)路面設(shè)計(jì)指南，連續(xù)配筋混凝土路面的設(shè)計(jì)程序、設(shè)計(jì)輸入、結(jié)構(gòu)響應(yīng)模型、增量損傷分析和連續(xù)配筋混凝土路面病害預(yù)估。其中，沖斷的發(fā)展是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序的基礎(chǔ)，應(yīng)用力學(xué)原理及設(shè)計(jì)壽命期的損傷累積進(jìn)行模擬。增量損傷用于懈釋在整個(gè)設(shè)計(jì)期內(nèi)多個(gè)因素的變化。包括材料特性（混凝土強(qiáng)度和模量，基層侵蝕）、季節(jié)氣候條件、交通荷載、裂縫傳荷、路基支撐等，并做出簡(jiǎn)要評(píng)述。關(guān)鍵詞：連續(xù)配筋混凝土路面；設(shè)計(jì)參數(shù)；結(jié)構(gòu)響應(yīng)；損傷分析中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)：（）一、概述連續(xù)配筋混凝土路面在縱向連續(xù)加

2、筋，沒有中間的橫向收縮縫，因而具有較多的優(yōu)勢(shì)。其主要的結(jié)構(gòu)病害是邊緣的沖斷，完全的沖斷會(huì)導(dǎo)致行駛質(zhì)量下降，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的道路交通事故，在設(shè)計(jì)中直接考慮沖斷將可有效降低這些風(fēng)險(xiǎn)。作為美國(guó)國(guó)家合作公路研究計(jì)劃（）的一部分，研究并發(fā)展了連續(xù)配筋混凝土路面力學(xué)一經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)程序。二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序簡(jiǎn)介連續(xù)配筋混凝土路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及到設(shè)計(jì)特征的選擇，以使路面達(dá)到可接受可靠度水平下的性能標(biāo)準(zhǔn)。剪應(yīng)力彈簧單元用來(lái)模擬不連續(xù)的橫向裂縫及縱向接縫，其特性表征為豎向剪切彈簧剛度，單位裂縫長(zhǎng)度的剪切彈簧剛度可以由荷載傳遞效率、路基反應(yīng)系數(shù)及相對(duì)剛度半徑等預(yù)估。路基及邊緣支撐模型路基由一系列獨(dú)立的可壓縮彈簧組成，其剛度由

3、路基反應(yīng)系數(shù)確定，由軟件內(nèi)部確定，由路基彈簧支撐的板單元面積的形函數(shù)積分。模擬程序中考慮了兩種支撐損失。即由于混凝土板翹曲及引起的臨時(shí)支撐損失和由于侵蝕引起的永久支撐損失。如果路基彈簧出現(xiàn)張拉，即假定板單元節(jié)點(diǎn)與彈簧間的連接為非支撐情況，以模擬因板翹曲引起的板下臨時(shí)支撐損失。為解決因侵蝕過(guò)程引起的沿路面邊緣的永久支撐損失，模擬分析路段下的永久空隙，指定板下該面積的路基反應(yīng)值為零。假定空隙占用分析路段的全部寬度（沿交通行進(jìn)方向），空隙自路肩沿交通方向的延伸可由下式預(yù)估：從設(shè)計(jì)方法的按個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程涉及到一系列的步驟。首先選擇一初始試驗(yàn)設(shè)計(jì)。給定需要的參數(shù)，如混凝土材料參數(shù)、鋼筋材料性質(zhì)、氣候參數(shù)等。

4、程序軟件會(huì)計(jì)算出橫向裂縫間距、荷載傳遞效率、拉應(yīng)力、累積疲勞損傷及設(shè)計(jì)期內(nèi)每個(gè)月末的沖斷數(shù)，繪制出沖斷隨時(shí)間的變化曲線。比較預(yù)估的沖斷值與設(shè)計(jì)者選取的期望可靠度水平下的臨界沖斷。則根據(jù)病害值的大小可將試驗(yàn)設(shè)計(jì)分為可接受或不可接受。若試驗(yàn)設(shè)計(jì)不能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將進(jìn)行修正并重新分析，重復(fù)此過(guò)程直至滿足結(jié)構(gòu)性能標(biāo)準(zhǔn)。則從結(jié)構(gòu)的角度可認(rèn)為設(shè)計(jì)可行，進(jìn)一步測(cè)試確定是否滿足功能（平整性）標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行壽命周期成本分析。以下介紹部分連續(xù)配筋混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序中的一些模型。三、結(jié)構(gòu)響應(yīng)模型設(shè)計(jì)程序需要無(wú)數(shù)的應(yīng)力計(jì)算值，以計(jì)算在多年設(shè)計(jì)期內(nèi)每月的損傷。為減少計(jì)算時(shí)間，開發(fā)了基于有限元結(jié)構(gòu)模型的快速求解模型（神

5、經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）來(lái)計(jì)算臨界應(yīng)力。用于快速求解模型的基本有限元模型布局中，交通方向上選取段而橫向選取車道用于模擬，段寬假定為，即汀一試驗(yàn)中觀測(cè)到的最常見的沖斷寬度。臨界響應(yīng)點(diǎn)的位置（即彎曲時(shí)可能產(chǎn)生高應(yīng)力）確定為頂層板的表面，距離路面邊緣，沿橫向開裂面方向。此外，有限元模型中還包括基層、路基縱向接縫和橫向裂縫，以下介紹結(jié)構(gòu)響應(yīng)模型的主要特征。橫向裂縫及縱向接縫預(yù)估收稿日期：髓爿（一只占職艄腳），其中：（）一自路面邊緣的侵蝕延伸，英寸；路面齡期，月囈號(hào)篩的通過(guò)率，；冗一年平均降雨量，英寸職一基層侵蝕度指數(shù)（貧混凝土基層取；水泥處治基層??；瀝青處治基層及小于水泥處治基層取；水泥的粒料基層取；未處治的粒料基層

6、取）。交通荷栽模型交通荷載通過(guò)在節(jié)點(diǎn)上施加靜載來(lái)進(jìn)行模擬，該節(jié)點(diǎn)位于輪印覆蓋區(qū)域內(nèi)。板單元上每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的荷載通過(guò)板單元覆蓋面積占輪印的比例來(lái)計(jì)算，荷載計(jì)算由軟件進(jìn)行，通過(guò)指定軸載的類型（單軸、雙輪組或輪組）及通過(guò)軸載譜提供的軸重。水泥混凝土板翹曲模型由于瞬時(shí)的溫度變化及施工溫度梯度引起的連續(xù)配筋混凝土路面的翹曲應(yīng)力分析采用等效的線性溫度分布方法。該。、作者簡(jiǎn)介：胡春華（一），男，湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院副教授，從事道路工程的教學(xué)與研究工作。萬(wàn)方數(shù)據(jù)第期胡春華等：連續(xù)配筋混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法方法允許將翹曲分析的雙層體系轉(zhuǎn)換為等效的單層板，并做多個(gè)假定：（）板與基層間不存在水平約束（滑動(dòng)不

7、分離），（）混凝土板厚度范圍內(nèi)的溫度分布可以由水泥路面層厚內(nèi)點(diǎn)的溫度等效地描述，（）下基層假定為恒定溫度，（）翹曲分析中基層考慮為無(wú)重力。橫向開裂模型平均橫向裂縫間距由下式進(jìn)行預(yù)估：辮（）碗其中：三一平均裂縫間距，；一混凝土抗拉強(qiáng)度，厶一混凝土中鋼筋水平的最大應(yīng)力，；一摩擦系數(shù)。一峰值粘結(jié)應(yīng)力，；一縱向筋比例鞏鋼筋直徑，；一粘結(jié)滑移系數(shù)四、疲勞損傷模型連續(xù)配筋混凝土路面彎曲應(yīng)力的理論模擬表明，在交通及環(huán)境荷載作用引起的應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于彎曲強(qiáng)度值。另外，的損壞數(shù)據(jù)顯示，配筋混凝土路面在小段縱向開裂前數(shù)年經(jīng)受交通荷載，據(jù)此，小段連續(xù)配筋混凝土路面的縱向開裂模擬可基于疲勞損傷累積原理。假設(shè)是疲勞損傷預(yù)

8、估的基礎(chǔ)，假設(shè)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷是累積的，結(jié)構(gòu)的疲勞壽命有限且定義為，疲勞損壞前允許施加的荷載作用次數(shù)，即。車車瓷其中：一累積疲勞損傷嘞一時(shí)間增量下，第位荷載實(shí)際作用次數(shù)帆一時(shí)間增量下，第位荷載容許作用次數(shù)。相關(guān)的研究表明，容許荷載的作用次數(shù)可表示為混凝土彎曲強(qiáng)度和因交通荷載引起的彎拉應(yīng)力的函數(shù)。下式可用來(lái)預(yù)估每一荷載水平下的容許荷載作用次數(shù)。塑（）。其中：一第位荷載下，容許荷載作用次數(shù)；一混凝土的斷裂模量，萬(wàn)方數(shù)據(jù)巴一第位荷載下的彎曲應(yīng)力，；，一校正常數(shù)。為明確臨界彎曲應(yīng)力在路面設(shè)計(jì)壽命不同階段的變化情況，將分析期劃分成很短的時(shí)間增量，表給出了在損傷累積過(guò)程中考慮的設(shè)計(jì)因素和增量的匯總，總的疲勞

9、損傷由每個(gè)分析增量的疲勞損傷的總和算得。表?yè)p傷分析需要的輸入?yún)?shù)及增量匯總設(shè)計(jì)參數(shù)增量混凝土強(qiáng)度增加月混凝土頂面、底面及中面溫度小時(shí)支撐損失月基層及路基模量月橫向裂縫荷栽傳遞月荷戢作用次數(shù)年。月。小時(shí)單個(gè)軸我（）雙輪組軸栽（三輪組軸栽五、沖斷預(yù)估模型連續(xù)配筋混凝土路面設(shè)計(jì)程序很大程度上基于工程力學(xué)原理，提供路面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。但若沒有校正，力學(xué)計(jì)算的結(jié)果就無(wú)法直接用于沖斷的預(yù)測(cè)。因此，引入經(jīng)驗(yàn)公式以關(guān)聯(lián)由力學(xué)模型得到的累積疲勞損傷參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的沖斷情況。尸口：塘一。魯群（）其中：廣為第個(gè)增量月末每英里的預(yù)測(cè)沖斷數(shù)一第個(gè)增量月末的累積疲勞損傷（由板在橫向彎曲引起的）一沖斷函數(shù)的校正常數(shù)，分別取值為，一。六、結(jié)語(yǔ)連續(xù)配筋混凝土路面的設(shè)計(jì)程序是基于現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的多個(gè)臨界情形的預(yù)測(cè)：橫向開裂的發(fā)生、橫向裂縫集料嵌鎖的損失、侵蝕導(dǎo)致的邊緣支撐損失、疲勞損傷累積導(dǎo)致的混凝土縱向開裂及沖斷。該程序直接考慮了影響路面結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素：板厚、混凝土材料特性、橫向裂縫間距、加筋特性（包括配筋率、鋼筋直徑和深度）、橫向裂縫寬度及在使用期內(nèi)裂縫傳荷性能的改變、完整的軸載譜、在板厚范圍內(nèi)混凝土溫度變化的積分。除此之外。還考慮結(jié)構(gòu)性能標(biāo)準(zhǔn)及功能性能標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)滿足平整度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。不難看出，裂縫計(jì)算的方法復(fù)雜、參數(shù)繁多，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)困難較大；沖斷的預(yù)估方