CN111339669B - 基于密集裂缝处冲断预估的crcp配筋率设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于密集裂缝处冲断预估的CRCP配筋率设计方法，包括如下步骤：1)初拟路面结构与配筋率；2)确定路面结构设计所需要的材料参数；3)在平均裂缝间距为0.3m的条件下，计算确定连续配筋混凝土路面荷载疲劳应力σ_pr；4)在平均裂缝间距为0.3m的条件下，计算确定连续配筋混凝土路面温度疲劳应力σ_tr；5)根据公路等级确定可靠度系数γ_r，通过判断γ_r·(σ_pr+σ_tr)与f_r的关系判断连续配筋混凝土路面是否产生冲断，满足要求则初拟方案合理，否则重新设计配筋率以及路面厚度直至满足要求为止。本发明填补了内对于CRCP路面配筋率计算时未考虑冲断预估的空缺。配筋率对于CRCP性能和经济性至关重要，因此，本发明具有显著的社会与经济效益。

Description

基于密集裂缝处冲断预估的CRCP配筋率设计方法

技术领域

本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种基于密集裂缝处冲断预估的CRCP配筋率设计方法。

背景技术

连续配筋混凝土路面(CRCP)指面层内配置纵向连续钢筋和横向连续钢筋，而在路面的横向不设胀缝、缩缝(施工缝及构造所需的胀缝除外)的水泥混凝土路面。与普通水泥混凝土路面相比，CRCP行车平稳，使用寿命长，易于养护，发展前景良好。

冲断是指两个间距很小的(一般小于0.6m)横向裂缝。短的纵向裂缝和路面边缘或纵向接缝所围成的面积及剥落、破碎等严重的Y型裂缝。国内外众多学者研究成果表明，冲断是CRCP的主要破坏形式。CRCP在使用前期，路面因为混凝土的干缩和温缩所产生的细微横向裂缝，并不会降低路面的服务水平。随着CRCP使用时间的增加，混凝土在荷载应力、环境应力等作用下，横向裂缝越来越多，导致裂缝间间距变小，且裂缝宽度增大，在车辆荷载的重复作用下，水泥混凝土面板疲劳累积，产生纵向裂缝，从而冲断发生。研究表明：在裂缝间距较小的位置处经常有冲断病害的发生，国外学者对冲断发生的概率进行了调查分析，大概90％的冲断出现在横向裂缝间距为0.3～0.6m范围内。所以，合理地控制CRCP裂缝间距可以减少冲断数目，从而延长CRCP的使用寿命、提高CRCP的服务水平。

在1993版美国AASHTO规范中，采用裂缝间距、裂缝宽度以及钢筋拉应力三项作为配筋率设计的设计指标。该设计方法没有直接以冲断作为设计指标来进行配筋率设计。我国《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2011)中，对连续配筋混凝土路面纵向配筋的设计也参照了1993版美国AASHTO规范，采用三个设计指标来控制冲断。但实践证明，冲断这三个指标与冲断不相关，即不能通过控制这三个指标而控制冲断。由于这个原因，在2002版的美国AASHTO路面力学经验法设计指南中，直接以冲断作为指标，采用增量法进行预估。通过平均裂缝间距进行计算CRCP的疲劳损伤预估，利用疲劳损伤与冲断数的经验公式来预估冲断从而进行配筋率设计的。但是冲断一般出现在密集裂缝处，因此国外预估冲断的方法明显是不合适的。另外，计算过程材料参数较多，需要路面设计年限内每个小时的材料参数、温度参数等，对于中国等发展中国家，这些参数很难获取。

发明内容

本发所要解决的技术问题是针对连续配筋混凝土路面的冲断病害，提供一种考虑在密集裂缝处的冲断破坏的连续配筋混凝土路面的配筋率设计方法。

为达到上述目的，本发明所述一种基于密集裂缝处冲断预估的CRCP配筋率设计方法包括以下步骤：

步骤1、根据交通参数以及交通等级，初拟路面结构与配筋率，所述路面结构包括组成路面的各层类型及其厚度；

步骤2、确定路面结构设计所需要的材料参数，材料参数包括面层混凝土弹性模量E_c、混凝土线膨胀系数α_c、混凝土抗弯拉强度f_r、路床顶综合回弹模量E_t和最大负温度梯度T_g；

步骤3、根据步骤2确定的材料参数计算连续配筋混凝土路面荷载应力σ_pr和连续配筋混凝土路面温度应力σ_tr；

步骤4、根据公路等级得可靠度系数γ_r以及步骤3得到的连续配筋混凝土路面荷载应力σ_pr和连续配筋混凝土路面温度应力σ_tr，判断γ_r·(σ_pr+σ_tr)与混凝土抗弯拉强度f_r的关系：

当γ_r·(σ_pr+σ_tr)＜f_r时，则不会产生冲断，则步骤1设计的路面结构与配筋率合格；

当γ_r·(σ_pr+σ_tr)≥f_r时，则会产生冲断，则调整步骤1设计的路面厚度与配筋率，并重复步骤3至步骤4，直至γ_r·(σ_pr+σ_tr)＜f_r成立。

进一步的，步骤3中，所述连续配筋混凝土路面荷载应力σ_pr根据式(1)～式(4)计算：σ_pr＝k_f·k_c·σ_p(1)；

b＝(x₅+x₆·LTE³)² (4)；

式中：

k_f——考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数；

k_c——考虑计算理论与实际差异以及动载等因素影响的综合系数，按公路等级确定；

σ_p——CRCP板横向拉应力；

L——平均裂缝间距；

l——相对刚度半径；

P_s——单轮车载；

h——路面板厚度；

a和b均为中间变量；

x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆均为回归系数；

LTE——横向裂缝处初始的弯沉传荷系数。

进一步的，相对刚度半径l的计算公式为：

进一步的，步骤3中，所述连续配筋混凝土路面温度应力σ_tr根据式(5)～式(8)计算：

σ_t.max＝σ_t1+σ_t2 (7)

σ_tr＝k_tσ_t.max (8)

上述式中：

σ_t1——最大温度梯度时面层板产生的最大温度翘曲应力；

σ_t2——最大季节温降下面层板产生的最大温缩应力；

h_c——混凝土板厚度；

B_L——综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数，

ρ——配筋率；

LTE_lj——路肩传荷系数；

α_c——混凝土的线膨胀系数(/℃)；

ΔT——昼夜温差(℃)；

T_g——公路所在地最大负温度梯度，参照该地区最大正温度梯度的1/4～1/3取用；

C_L——混凝土面层板的温度翘曲应力系数

k_t——考虑温度应力累计疲劳作用的温度疲劳应力系数；

a_t、b_t和c_t——回归系数。

σ_t.max——面层板最大温度应力；

k_t——考虑温度应力累计疲劳作用的温度疲劳应力系数。

进一步的，综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数B_L通过公式(8)至公式(10)计算：

t＝L/3l (8)；

其中，C_L为混凝土面层板的温度翘曲应力系数。

进一步的，步骤3中，在平均裂缝间距L取0.3m的条件下，计算连续配筋混凝土路面荷载应力σ_pr和连续配筋混凝土路面温度应力σ_tr。

进一步的，步骤4中，通过增大路面厚度与配筋率的方式调整路面厚度与配筋率。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，填补了现行规范在计算CRCP配筋率时未考虑冲断破坏这一主要病害的空缺，能够较好地抑制CRCP的冲断破坏，提高路面质量以及使用寿命，对科学合理地设计CRCP配筋率有重要意义。配筋率对于CRCP性能和经济性至关重要，因此，本发明具有显著的社会与经济效益。

进一步的，取密集裂缝处平均裂缝间距为0.3m的条件下，计算连续配筋混凝土路面荷载应力σ_pr和连续配筋混凝土路面温度应力σ_tr之和小于混凝土抗弯拉强度f_r，可以认为在密集裂缝处不产生冲断，且绝大部分冲断也不会发生，保证了路面的使用寿命。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

为了更好对理解本发明，以下将结合具体实例对本发明作进一步详细说明，所用的实例仅用于本发明的技术方案，但不限制本发明。

一种基于密集裂缝处冲断预估的连续配筋混凝土路面配筋率控制指标的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、根据交通参数以及交通等级，初拟路面结构与配筋率，其中路面结构包括组成路面的各层类型及其厚度。

步骤2、确定路面结构设计所需要的材料参数，材料参数包括面层混凝土弹性模量E_c、基层弹性模量E_b、混凝土线膨胀系数α_c、混凝土抗弯拉强度f_r、面层与基层摩阻系数μ、路床顶综合回弹模量E_t和最大负温度梯度T_g。

步骤3、在取密集裂缝处平均裂缝间距L为0.3m的条件下，按照式(1)～式(9)计算确定连续配筋混凝土路面荷载应力σ_pr：

S＝1.97h_ce^-1.26cw (2)

a＝exp(x₁+x₂·(1+exp[-(LTE-x₃)/x₄]))^-1 (5)

b＝(x₅+x₆·LTE³)² (6)

k_f＝Ne^0.057 (8)

σ_pr＝k_f·k_c·σ_p (9)

式中：

h_c为连续配筋混凝土板厚度；

e为自然对数；

J_s——路面板与路肩之间的接缝的荷载传递能力，几种类型的J_s值见下表

不同路肩类型的J_s值

k_f——考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数；

k_c——考虑计算理论与实际差异以及动载等因素影响的综合系数，按公路等级确定；

σ_p——CRCP板横向拉应力(MPa)；

l——相对刚度半径(m)；

P_s——单轮车载(KN)，标准轴载下取50KN；

h_c——路面板厚度(m)；

x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆——回归系数(x₁＝6.4741；x₂＝619.9838；x₃＝2.7368；x₄＝0.2411；x₅＝15.1743；x₆＝-11.5691)。

LTE——横向裂缝处初始的弯沉传荷系数；

r——单轴单侧双轮载的当量荷载半径(m)，当常用轴载P_s＝0.100MN、(q_s＝0.57MPa)时，

r＝0.238m；

R——加固钢筋所提供的残余荷载传递能力，R＝2.5ρ-1.25；

LTE_base——基层对于裂缝处弯沉传荷系数的贡献；当使用粒料基层时，取20％，当使用

沥青处治或水泥处治基层时，取30％，当使用贫混凝土基层时，取40％；

J_c——横向裂缝的刚度；

s——横向裂缝的抗剪切能力，其中cw为裂缝宽度，此计算参考《公路水泥混凝土路面设

计规范》；

步骤4、在取密集裂缝处平均裂缝间距为0.3m的条件下，按照式(10)～式(17)计算确定连续配筋混凝土路面温度应力σ_tr：具体包括以下步骤：

t＝L/3l (10)

σ_t.max＝σ_t1+σ_t2 (15)

σ_tr＝k_tσ_t.max (17)

上述式中：

ρ为配筋率；

ΔT为昼夜温差(℃)；

E_c为面层混凝土弹性模量；

σ_t.max——面层板最大温度应力(MPa)

σ_t1——最大温度梯度时面层板产生的最大温度翘曲应力(MPa)；

σ_t2——最大季节温降下面层板产生的最大温缩应力(MPa)；

α_c——混凝土的线膨胀系数(/℃)；

L——平均裂缝间距，取0.3m；

LTE_lj——路肩传荷系数，可取30％；

T_g——公路所在地最大负温度梯度，参照该地区最大正温度梯度的1/4～1/3取用；

B_L——综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数；

C_L——混凝土面层板的温度翘曲应力系数；

k_t——考虑温度应力累计疲劳作用的温度疲劳应力系数；

a_t、b_t和c_t——回归系数，按所在地区的公路自然区划查表1确定。

表1回归系数a_t、b_t和c_t

步骤5、参考《公路水泥混凝土路面设计规范》并根据公路等级确定可靠度系数γ_r，通过判断γ_r·(σ_pr+σ_tr)与f_r的关系判断是否产生冲断，若不会产生冲断则认为步骤1初拟的配筋率合理，否则增大步骤1设计的配筋率以及路面厚度直至满足要求为止。

当γ_r·(σ_pr+σ_tr)＜f_r时，则认为不会产生冲断，满足要求；

当γ_r·(σ_pr+σ_tr)≥f_r时，则认为会产生冲断，不满足要求。

实施例1

公路自然区划III区内拟新建一条二级公路，道路设计基准期为20年，重交通荷载等级，设计车道标准轴载允许作用次数为2×10⁷次。

一种基于密集裂缝处冲断预估的连续配筋混凝土路面配筋率控制指标的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，根据交通参数以及交通等级，初拟路面结构与配筋率。根据公路自然区划III区内拟新建一条二级公路，道路设计基准期为20年，重交通荷载等级等交通参数，参考《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2011)初拟路面结构：混凝土面层28cm,水泥稳定碎石基层18cm，级配碎石底基层18cm；初拟配筋率0.7％。

步骤二，确定路面结构设计所需要的材料参数。参考《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2011)确定所需材料参数：面层混凝土弹性模量E_c30000MPa、基层弹性模量E_b1000MPa、混凝土线膨胀系数α_c1×10-5/℃、混凝土抗拉强度f_t5MPa、路床顶综合回弹模量E_t80MPa、最大负温度梯度T_g30℃/m。

步骤三，在平均裂缝间距为0.3m的条件下，按照式(1)～式(9)计算确定连续配筋混凝土路面荷载应力σ_pr；

裂缝宽度参考《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2011)计算得0.2mm；

s＝1.97·h·e^-1.26cw＝1.97×0.28×e^-1.26×0.2＝0.431(2)

b＝(x₅+x₆·LTE³)²＝(15.1743-11.5691·0.9971³)²＝13.048 (6)

k_f＝Ne^0.057＝(2×10⁷)^0.057＝2.6 (8)

参考《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2011)，二级公路的k_c取1.05。

σ_pr＝k_f·k_c·σ＝2.6·1.05·1.26＝3.44MPa (9)

步骤四，在平均裂缝间距为0.3m的条件下，按照式(10)～式(17)计算确定连续配筋混凝土路面温度应力σ_tr；

t＝L/3l＝0.3/(3·1.09)＝0.09 (10)

B_l＝0.9437·exp(0.2559·h)·C_L+0.5758·(1-C_L) (12)

＝0.9437×e^0.2559·0.28×0.000012+0.5758×(1-0.000012)＝0.58

σ_t2＝0.531·h^-0.509·LTE^-0.014·ρ^0.128·L^0.001·LTE_lj ^0.021·(-0.671+4475.125·α_c·ΔT+2.289×10^-5·E_c)

＝0.531·0.28^-0.509·99.71^-0.014·0.7^0.128·0.3^0.001·0.3^0.021·(-0.671+4475.125·10^-5·30+2.289×10^-5·30000)

＝1.20MPa(14)

σ_t,max＝0.73+1.20＝1.93MPa (15)

σ_tr＝k_t·σ_tm＝0.50·1.93＝0.965MPa (17)

步骤五，根据γ_r·(σ_pr+σ_tr)与f_r关系判断是否产生冲断，满足要求则初拟方案合理，否则重新设计配筋率以及路面厚度直至满足要求为止。

查《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2011)得二级公路安全等级为二级，可靠度系数为1.04。

γ_r(σ_tr+σ_pr)＝1.04×(0.965+3.44)＝4.58MPa≤f_r＝5MPa；

满足要求，初拟方案合理。

Claims (7)

1.基于密集裂缝处冲断预估的CRCP配筋率设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据交通参数以及交通等级，初拟路面结构与配筋率，所述路面结构包括组成路面的各层类型及其厚度；

步骤2、确定路面结构设计所需要的材料参数，材料参数包括面层混凝土弹性模量E_c、混凝土线膨胀系数α_c、混凝土抗弯拉强度f_r、路床顶综合回弹模量E_t和最大负温度梯度T_g；

步骤3、根据步骤2确定的材料参数计算连续配筋混凝土路面荷载应力σ_pr和连续配筋混凝土路面温度应力σ_tr；

步骤4、根据公路等级得可靠度系数γ_r以及步骤3得到的连续配筋混凝土路面荷载应力σ_pr和连续配筋混凝土路面温度应力σ_tr，判断γ_r·(σ_pr+σ_tr)与混凝土抗弯拉强度f_r的关系：

当γ_r·(σ_pr+σ_tr)＜f_r时，则不会产生冲断，则步骤1设计的路面结构与配筋率合格；

当γ_r·(σ_pr+σ_tr)≥f_r时，则会产生冲断，则调整步骤1设计的路面厚度与配筋率，并重复步骤3至步骤4，直至γ_r·(σ_pr+σ_tr)＜f_r成立。

2.根据权利要求1所述的一种基于密集裂缝处冲断预估的CRCP配筋率设计方法，其特征在于，步骤3中，所述连续配筋混凝土路面荷载应力σ_pr根据式(1)～式(4)计算：

σ_pr＝k_f·k_c·σ_p (1)；

a＝exp(x₁+x₂·(1+exp[-(LTE-x₃)/x₄]))^-1 (3)；

b＝(x₅+x₆·LTE³)² (4)；

式中：

k_f——考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数；

k_c——考虑计算理论与实际差异以及动载等因素影响的综合系数，按公路等级确定；

σ_p——CRCP板横向拉应力；

L——平均裂缝间距；

l——相对刚度半径；

P_s——单轮车载；

h——路面板厚度；

a和b均为中间变量；

x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆均为回归系数；

LTE——横向裂缝处初始的弯沉传荷系数。

3.根据权利要求2所述的一种基于密集裂缝处冲断预估的CRCP配筋率设计方法，其特征在于，步骤3中，相对刚度半径l的计算公式为：

4.根据权利要求1所述的一种基于密集裂缝处冲断预估的CRCP配筋率设计方法，其特征在于，步骤3中，所述连续配筋混凝土路面温度应力σ_tr根据式(5)～式(8)计算：

σ_t.max＝σ_t1+σ_t2 (7)

σ_tr＝k_tσ_t.max (8)

上述式中：

σ_t1——最大温度梯度时面层板产生的最大温度翘曲应力；

σ_t2——最大季节温降下面层板产生的最大温缩应力；

h_c——混凝土板厚度；

B_L——综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数，

ρ——配筋率；

LTE_lj——路肩传荷系数；

α_c——混凝土的线膨胀系数(/℃)；

ΔT——昼夜温差(℃)；

T_g——公路所在地最大负温度梯度，参照该地区最大正温度梯度的1/4～1/3取用；

C_L——混凝土面层板的温度翘曲应力系数

k_t——考虑温度应力累计疲劳作用的温度疲劳应力系数；

a_t、b_t和c_t——回归系数；

σ_t.max——面层板最大温度应力；

k_t——考虑温度应力累计疲劳作用的温度疲劳应力系数。

5.根据权利要求1所述的一种基于密集裂缝处冲断预估的CRCP配筋率设计方法，其特征在于，步骤3中，综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数B_L通过公式(8)至公式(10)计算：

t＝L/3l (8)；

其中，C_L为混凝土面层板的温度翘曲应力系数。

6.根据权利要求1所述的一种基于密集裂缝处冲断预估的CRCP配筋率设计方法，其特征在于，所述步骤3中，在平均裂缝间距L取0.3m的条件下，计算连续配筋混凝土路面荷载应力σ_pr和连续配筋混凝土路面温度应力σ_tr。

7.根据权利要求1所述的一种基于密集裂缝处冲断预估的CRCP配筋率设计方法，其特征在于，所述步骤4中，通过增大路面厚度与配筋率的方式调整路面厚度与配筋率。