CN112507426A - 有效控制连续配筋混凝土路面裂缝形态的变配筋设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有效控制连续配筋混凝土路面裂缝形态的变配筋设计方法，包括以下步骤：根据路面结构中基层类型确定相关参数；计算伸缩缝的自由段长度L1和固定段长度L2：根据自由段及固定段受力特点，分别计算自由段合适的配筋率和固定段合适的配筋率，得到裂缝间距、裂缝宽度和钢筋应力，若横向裂缝间距、裂缝宽度和钢筋应力满足设定条件，则计算结束，若不满足设定条件，则自由段减小裂缝间距，减小配筋率，使其达到要求；固定段引入钢筋作用率，调整配筋率重新计算，直至满足要求。通过本方法能够准确计算自由段、固定段配筋率，确定配筋设计，减少迭代次数，提高精确程度；进而使路面裂缝分布均匀，路面裂缝宽度合理，路面质量能够更好的控制，路面使用寿命更长。
Description
技术领域
本发明涉及建筑工程技术领域，具体涉及一种有效控制连续配筋混凝土路面裂缝形态的变配筋设计方法。
背景技术
连续配筋混凝土路面(以下简称CRCP)是纵向连续配置足够数量的钢筋，不设接缝的混凝土路面。由于CRCP避免了设置横向接缝(除施工缝外)，从而提高了路面平整度。具有行车舒适性好，承载能力高，使用寿命长，养护维修少等显著优点。
根据连续配筋混凝土的受力特点，连续配筋混凝土路面是允许带裂缝工作的一种结构，在气温下降及湿度下降时，混凝土板会产生收缩，气温上升时会产生膨胀，为了适应路面板的胀缩变形，一般在连续配筋路面一定距离设置伸缩缝。在伸缩缝两端路面一定长度范围内混凝土受到基层摩阻力与钢筋与混凝土之间的握裹力，该范围内混凝土因温度与湿度变化，产生的胀缩应力会大于混凝土基层摩阻力与握裹力，因此路面长度一定范围内是自由滑动的，由于混凝土的抗拉强度较低，尤其是在混凝土浇筑初期，强度尚未完全形成，在温度与湿度的变化下，摩阻力与握裹力会限制混凝土的收缩变形，当摩阻力与握裹力大于混凝土早期抗拉强度是，会导致路面板自由段产生早期裂缝。随着路面长度的增加，路面与基层的摩阻力是逐渐增大的，当自由段达到一定长度后，路面板受到的摩阻力与收缩应力相等，故路面板将不再产生滑动，形成固定段，固定段主要考虑钢筋与混凝土之间的握裹力与混凝土的收缩应力之间关系，当温度下降，混凝土收缩，握裹力会限制混凝土收缩，当握裹力大于混凝土抗拉强度时，混凝土路面产生裂缝。在自由段与固定段受力不同，路面裂缝间距、裂缝宽度均不同，因此控制路面裂缝间距、裂缝宽度等裂缝形态是非常重要的。
研究表明CRCP路面裂缝形态是CRCP设计的控制指标之一。裂缝的产生主要是由于水泥混凝土在温缩及干缩的综合作用下，混凝土内部应力超过水泥混凝土的极限抗拉强度。裂缝形态主要由裂缝间距及裂缝宽度来衡量，裂缝间距过大会导致裂缝处钢筋受到较大的拉应力，裂缝开口宽度也较大，使得雨水易于进入CRCP内部引起钢筋锈蚀；裂缝间距过小虽然裂缝宽度不大，但会使得CRCP板在荷载集中作用下出现冲断破坏，丧失面板的整体性。因此，对CRCP路面裂缝形态及其发展趋势的研究可以用来指导优化CRCP设计。
目前国内对连续配筋混凝土面层的纵向配筋应满足：纵向钢筋埋置深度处的裂缝间隙平均宽度不大于0.5m，横向裂缝的平均间距不大于1.8m，钢筋所承受的拉应力不超过其屈服强度。同时根据实践表明，由于整段CRCP采用统一配筋率设计，往往导致CRCP中间段裂缝间距较小，两端裂缝间距较大，约束越强间距越小，较高的配筋率对应较小的裂缝间距。因此在满足规范要求指标的前提下，针对不同的路段的特点采用不同的配筋率，一方面能够充分发挥钢筋应力，减少钢筋用量，节约工程造价，另一方面能够更好的控制裂缝间距与裂缝宽度，使路面处于良好的使用状态。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种有效控制连续配筋混凝土路面裂缝形态的变配筋设计方法，能够根据混凝土板不同的受力特点，合理、准确的计算所需的路面配筋率，并计算与验算混凝土板每一处横向裂缝宽度、钢筋应力及裂缝间距，进而通过调整配筋设计控制路面裂缝分布均匀，路面裂缝宽度合理，使路面使用寿命更长。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种有效控制连续配筋混凝土路面裂缝形态的变配筋设计方法，包括以下步骤：
步骤1，根据路面结构中基层类型确定相关参数，相关参数包括基层摩阻力系数μ、伸缩缝间距L、钢筋模量Es、混凝土模量Ec和温差△T；
步骤2，计算伸缩缝的自由段长度L1和固定段长度L2；
步骤3，根据设定横向裂缝间距初拟值，确定自由端配筋率，计算自由段裂缝间距Li和自由段配筋率ρi；
步骤4，根据自由段裂缝间距Li和自由段配筋率ρi，计算相应自由段的横向裂缝宽度和钢筋应力；
步骤5，将自由段配筋率ρi计算结果做为固定端配筋率初始值ρ1，结合钢筋作用率
计算新的固定段配筋率，计算固定段横向裂缝间距、裂缝宽度和钢筋应力；
步骤6，若自由段和固定段的横向裂缝间距、裂缝宽度和钢筋应力均满足设定条件，则自由段、固定段的横向裂缝间距、裂缝宽度和钢筋应力计算结束，若不满足设定条件，则自由段在原裂缝间距的基础上进一步减小裂缝间距，重新确定自由端配筋率，重复步骤3～步骤5直至计算出的自由段和固定段的横向裂缝间距、横向裂缝宽度和钢筋应力满足条件。
按照上述技术方案，所述的步骤2中伸缩缝的自由段长度L1：
固定段长度L2：
L2＝L-2*L1 (2)
公式(1)和(2)中，Ec为混凝土模量，μ为基层摩阻力系数，L为伸缩缝间距，△T为温差，rc为混凝土重度，αc为混凝土线膨胀系数；h为混凝土路面厚度。
根据权利要求1所述的有效控制连续配筋混凝土路面裂缝形态的变配筋设计方法，其特征在于，在所述的步骤3中，根据公式(3)和(4)计算自由段横向裂缝间距Li和自由段配筋率ρi；
自由段配筋率：
横向裂缝间距
其中，
L0＝1m，取裂缝间距最小值，
σcg＝0.234fc，
εtζ＝αcΔTζ+εsh，
公式中，B为路面宽度；
为钢筋作用率；Li为自由段的横向裂缝计算间距、Lj为固定段的横向裂缝计算间距(m)；ft为混凝土抗拉强度(MPa)；fc为混凝土抗压强度(MPa)；ζ为钢筋埋置深度(m)；hc为混凝土面层厚度(m)；rc为混凝土重度(kN/m3)；μ为混凝土面层与基层间的摩阻系数；ds为纵向钢筋直径(m)；ρj为固定段纵向钢筋配筋率；σ0为温度和湿度变形完全受约束时的翘曲应力；Ec为混凝土弹性模量(MPa)；vc为混凝土泊松比；εtd为无约束时混凝土面层顶面与底面间的最大当量应变差；αc为混凝土线膨胀系数(1/℃)；Tg为混凝土面层顶面与底面间的最大负温度梯度的绝对值(℃/m)；βh为混凝土面层厚度不等于0.22m时的温度梯度厚度修正系数；ε∞为无约束条件下混凝土的最大干缩应变；a1为养生条件系数；w0为混凝土单位用水量；k1为与气候区和最小空气湿度有关的系数；C为翘曲应力系数；r为面层板的相对刚度半径(m)；σcg为混凝土与钢筋间的最大黏结应力；c1为混凝土和钢筋之间的黏结—滑移系数；εtζ为钢筋埋置深度处的混凝土最大总应变；ΔTζ为钢筋埋置深度处混凝土温度与硬化时温度的最大温差(℃)；εsh为无约束条件下钢筋埋置深度处混凝土干缩应变；
为年平均空气相对湿度(％)。
按照上述技术方案，所述的步骤5中，根据公式(5)计算固定段的横向裂缝宽度；
b＝9×108εtζ+149000，
公式中，bj为钢筋埋置深度处的横向裂缝缝隙平均宽度(mm)；c2为与混凝土和钢筋之间的黏结—滑移特性有关的系数；其他参数的含义与计算裂缝间距时相同。
按照上述技术方案，所述的步骤4中，根据钢筋应力计算公式(6)计算相应自由段的钢筋应力；在所述的步骤5中，根据公式(6)计算固定段的钢筋应力；
公式中，σs为裂缝处纵向钢筋应力(MPa)；Es为钢筋弹性模量(MPa)；αs为钢筋的线膨胀系数(1/℃)；他参数的含义与计算裂缝间距时相同。
按照上述技术方案，在所述的步骤5中，固定端配筋率初始值ρ1结合钢筋作用率
计算新的固定段配筋率：
公式中，j＝1……L2/L0，
为钢筋作用率。
按照上述技术方案，所述的步骤6中，设定条件为
横向裂缝间距Li∈(1～1.5)m (7)
横向裂缝宽度wi∈(0.4～0.5)mm (8)
钢筋应力σs≤[σ0] (9)
其中，[σ0]为钢筋屈服应力。
进一步地，根据路面板不同的受力特点，分别给出路面配筋计算方法；所述的步骤4中，通过控制裂缝间距大小来控制配筋率的范围，减小裂缝间距进而减小配筋率，确定自由段配筋率设计，能更简化、更快速计算配筋率；所述的步骤5中，通过分析钢筋对路面板的影响，引入钢筋作用率
通过钢筋作用率与配筋率的关联作用，调整配筋率大小，配筋率调整公式
能更准确计算配筋率。
按照上述技术方案，根据路面板不同的受力特点，分别给出路面配筋计算方法。所述的步骤4中，调整裂缝间距大小，确定自由段配筋率设计，能更简化、更快速计算配筋率。所述的步骤5中，配筋率调整公式
引入钢筋作用率
能更准确计算配筋率。
按照上述技术方案，所述的步骤4中，调整裂缝间距大小，Li＝L1/(i+1)，所述的步骤5中，配筋率调整公式
引入钢筋作用率
按照上述技术方案，在所述的步骤6之后，还包括以下步骤：根据满足条件时得到的自由段配筋率和固定段配筋率，结合选取的钢筋直径，确定钢筋根数。
按照上述技术方案，通常连续配筋混凝土路面设计仅仅是按照规范要求进行设计，计算满足裂缝宽度、裂缝间距、钢筋应力三个指标即可；未考虑连续配筋混凝土路面不同受力条件下，相同的配筋量对裂缝间距、裂缝宽度的影响，而实践表明，根据规范要求进行计算配筋，导致裂缝间距多不规则，裂缝宽度大小不一，集中表现为两端裂缝间距较大，裂缝少；中间段裂缝较小，裂缝多。为合理、均匀控制裂缝间距及裂缝宽度，本发明的创新点在于：提出新的连续配筋路面设计思路，根据连续配筋路面自由段、固定段的受力条件不同，分别计算其配筋率，使其达到裂缝间距均匀，裂缝宽度一致的目的，本发明方法填补了规范中连续配筋混凝土配筋设计方法的缺陷，为连续配筋混凝土路面变配筋设计提供了思路，同时对设计人员具有重要的指导意义。
本发明具有以下有益效果：
根据连续配筋混凝土板自由段及固定段受力特点不同，对自由段和固定段分别选择合适的配筋率使其在满足规范要求前提下，通过优化连续配筋路面不同路段的配筋设计，使路面裂缝分布均匀，路面裂缝宽度合理，路面使用寿命更长。
附图说明
图1是本发明实施例中伸缩缝的结构示意图；
图2是本发明实施例中有效控制连续配筋混凝土路面裂缝形态的变配筋设计方法的实施流程图；
图中，1-自由段，2-固定段，3-横向钢筋，4-纵向钢筋。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明的一个实施例中，如图1和图2所示，以某城市主干路为例，采用24cm连续配筋混凝土路面+2×18cm水泥稳定碎石基层+15cm级配碎石为例。伸缩缝间距按照1Km一道进行布设，设计温差△T＝25℃，板块B＝1m。
第1步：根据规范选取基层摩阻力系数μ。无机结合料稳定粒料摩阻系数μ取7.5，混凝土胀缩系数αc＝1.1×10-5，混凝土模量Ec＝30000MPa，钢筋模量Es＝200GPa，屈服强度fsy＝335Mpa。
第2步：将确定的参数带入公式(1)及计算自由段长度L1，L1＝190.97m。
第3步：根据公式(2)计算固定段长度L2＝618.06m。
第4步：计算自由段配筋率ρi；取裂缝Li＝1.5m间距满足设计要求，带入公式(3)计算得到配筋率ρi＝ρ1＝1.18％。取裂缝Li＝1m间距满足设计要求，带入公式(3)计算得到配筋率ρi＝ρ1＝0.745％。带入公式(5)及公式(6)计算裂缝宽度wi，钢筋应力σi，当ρ1＝1.18％时wi＝0.335mm小于0.5mm，σi＝236Mpa小于335MPa，满足设计要求；当ρ1＝0.745％，wi＝0.453mm小于0.5mm，σi＝323Mpa小于335MPa，满足设计要求；根据配筋经济性，避免造成过多的材料浪费，确定自由段配筋率ρ1＝0.745％。
第5步：计算固定段配筋率ρj。将配筋率ρ1＝0.745％，带入公式(4)与公式(5)、公式(6)，计算得到裂缝间距Lj及裂缝宽度wj，钢筋应力σj。计算结果：Lj＝0.722mm，裂缝宽度wj＝0.45mm，钢筋应力σj＝323MPa，裂缝宽度及钢筋应力均能满足要求，但是裂缝间距不满足要求，所以需要调整配筋率，重新计算。
引入钢筋作用率
代入
得到配筋率ρ2＝0.685％，将配筋率ρ2带入公式(4)与公式(5)、公式(6)，计算得到裂缝间距Lj及裂缝宽度wj，钢筋应力σj。计算结果：Lj＝1.46mm，裂缝宽度wj＝0.462mm，钢筋应力σj＝311MPa，裂缝间距、裂缝宽度及钢筋应力均能满足要求，计算终止。
第6步：根据计算得到的自由段配筋率ρ1与固定段配筋率ρ2，进一步确定钢筋根数。在满足纵向钢筋间距要求的条件下，宜选用直径较小的钢筋，取钢筋直径ds＝0.016m。
可得到自由段每延米钢筋数量＝1/0.112＝8.9≈9根
可得到固定端每延米钢筋数量＝1/0.154＝8.18≈8根
综上所述，本发明通过本方法能够准确计算自由段、固定段配筋率，确定配筋设计，减少迭代次数，提高精确程度；进而使路面裂缝分布均匀，路面裂缝宽度合理，路面质量能够更好的控制，路面使用寿命更长。
以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种有效控制连续配筋混凝土路面裂缝形态的变配筋设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据路面结构中基层类型确定相关参数，相关参数包括基层摩阻力系数μ、伸缩缝间距L、钢筋模量Es、混凝土模量Ec和温差ΔT；
步骤2，计算伸缩缝的自由段长度L1和固定段长度L2；
步骤3，根据设定横向裂缝间距初拟值，确定自由端配筋率，计算自由段裂缝间距Li和自由段配筋率ρi；
步骤4，根据自由段裂缝间距Li和自由段配筋率ρi，计算相应自由段的横向裂缝宽度和钢筋应力；
步骤5，将自由段配筋率pi计算结果做为固定端配筋率初始值ρ1，结合钢筋作用率
计算新的固定段配筋率，计算固定段横向裂缝间距、裂缝宽度和钢筋应力；
步骤6，若自由段和固定段的横向裂缝间距、裂缝宽度和钢筋应力均满足设定条件，则自由段、固定段的横向裂缝间距、裂缝宽度和钢筋应力计算结束，若不满足设定条件，则自由段在原裂缝间距的基础上进一步减小裂缝间距，重新确定自由端配筋率，重复步骤3～步骤5直至计算出的自由段和固定段的横向裂缝间距、横向裂缝宽度和钢筋应力满足条件。
2.根据权利要求1所述的有效控制连续配筋混凝土路面裂缝形态的变配筋设计方法，其特征在于，所述的步骤2中伸缩缝的自由段长度L1：
固定段长度L2：
L2＝L-2*L1 (2)
公式(1)和(2)中，Ec为混凝土模量，μ为基层摩阻力系数，L为伸缩缝间距，ΔT为温差，rC为混凝土重度，αc为混凝土线膨胀系数；h为混凝土路面厚度。
3.根据权利要求1所述的有效控制连续配筋混凝土路面裂缝形态的变配筋设计方法，其特征在于，在所述的步骤3中，根据公式(3)和(4)计算自由段横向裂缝间距Li和自由段配筋率ρi；
横向裂缝间距
其中，
L0＝1m，取裂缝间距最小值，
σcg＝0.234fc，
εtζ＝αcΔTζ+εsh，
以上公式中，B为路面宽度；
为钢筋作用率；Li、Lj为横向裂缝计算间距(m)；ft为混凝土抗拉强度(MPa)；fc为混凝土抗压强度(MPa)；ζ为钢筋埋置深度(m)；hc为混凝土面层厚度(m)；rc为混凝土重度(kN/m3)；μ为混凝土面层与基层间的摩阻系数；ds为纵向钢筋直径(m)；ρj为固定段纵向钢筋配筋率；σ0为温度和湿度变形完全受约束时的翘曲应力；Ec为混凝土弹性模量(MPa)；vc为混凝土泊松比；εtd为无约束时混凝土面层顶面与底面间的最大当量应变差；αc为混凝土线膨胀系数(1/℃)；Tg为混凝土面层顶面与底面间的最大负温度梯度的绝对值(℃/m)；βh为混凝土面层厚度不等于0.22m时的温度梯度厚度修正系数；ε∞为无约束条件下混凝土的最大干缩应变；a1为养生条件系数；w0为混凝土单位用水量；k1为与气候区和最小空气湿度有关的系数；C为翘曲应力系数；r为面层板的相对刚度半径(m)；σcg为混凝土与钢筋间的最大黏结应力；c1为混凝土和钢筋之间的黏结-滑移系数；εtζ为钢筋埋置深度处的混凝土最大总应变；ΔTζ为钢筋埋置深度处混凝土温度与硬化时温度的最大温差(℃)；εsh为无约束条件下钢筋埋置深度处混凝土干缩应变；
为年平均空气相对湿度(％)。
4.根据权利要求3所述的有效控制连续配筋混凝土路面裂缝形态的变配筋设计方法，其特征在于，在所述的步骤5中，根据公式(4)计算固定段横向裂缝间距。
5.根据权利要求3所述的有效控制连续配筋混凝土路面裂缝形态的变配筋设计方法，其特征在于，在所述的步骤4中，根据横向裂缝宽度计算公式(5)计算相应自由段的横向裂缝宽度；在所述的步骤5中，根据公式(5)计算固定段的横向裂缝宽度；
公式中，
b＝9×108εtζ+149000，
以上公式中，bj为钢筋埋置深度处的横向裂缝缝隙平均宽度(mm)；c2为与混凝土和钢筋之间的黏结-滑移特性有关的系数；其他参数的含义与计算裂缝间距时相同。
6.根据权利要求3所述的有效控制连续配筋混凝土路面裂缝形态的变配筋设计方法，其特征在于，在所述的步骤4中，根据钢筋应力计算公式(6)计算相应自由段的钢筋应力；在所述的步骤5中，根据公式(6)计算固定段的钢筋应力；
公式中，σs为裂缝处纵向钢筋应力(MPa)；Es为钢筋弹性模量(MPa)；αs为钢筋的线膨胀系数(1/℃)；他参数的含义与计算裂缝间距时相同。
7.根据权利要求3所述的有效控制连续配筋混凝土路面裂缝形态的变配筋设计方法，其特征在于，在所述的步骤5中，固定端配筋率初始值ρ1结合钢筋作用率
计算新的固定段配筋率：
公式中，j＝1……L2/L0，
为钢筋作用率。
8.根据权利要求1所述的有效控制连续配筋混凝土路面裂缝形态的变配筋设计方法，其特征在于，所述的步骤6中，设定条件为
横向裂缝间距Li∈(1～1.5)m (7)
横向裂缝宽度wi∈(0.4～0.5)mm (8)
钢筋应力σs≤[σ0] (9)
其中，[σ0]为钢筋屈服应力。
进一步地，根据路面板不同的受力特点，分别给出路面配筋计算方法；所述的步骤4中，通过控制裂缝间距大小来控制配筋率的范围，减小裂缝间距进而减小配筋率，确定自由段配筋率设计，能更简化、更快速计算配筋率；所述的步骤5中，通过分析钢筋对路面板的影响，引入钢筋作用率
通过钢筋作用率与配筋率的关联作用，调整配筋率大小，配筋率调整公式
能更准确计算配筋率。
9.根据权利要求1所述的有效控制连续配筋混凝土路面裂缝形态的变配筋设计方法，其特征在于，在所述的步骤6之后，还包括以下步骤：根据满足条件时得到的自由段配筋率和固定段配筋率，结合选取的钢筋直径，确定钢筋根数。
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