玄武巖纖維筋連續(xù)配筋混凝土路面力學(xué)分析

戴逸清，陳陽利，顧興宇，呂俊秀

(東南大學(xué)　交通學(xué)院，江蘇　南京　210096)

玄武巖纖維筋連續(xù)配筋混凝土路面力學(xué)分析

戴逸清，陳陽利，顧興宇，呂俊秀

(東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇南京210096)

摘要：為了研究玄武巖纖維筋(BFRP)加強(qiáng)的連續(xù)配筋混凝土路面(CRCP)的力學(xué)性質(zhì)，在結(jié)合已有的試驗(yàn)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用ABAQUS建立了有限元分析模型，系統(tǒng)地分析了裂縫寬度、BFRP彈性模量、配筋率和板底脫空對(duì)混凝土路面結(jié)構(gòu)的受力情況和傳荷能力的影響。研究表明，配BFRP筋與配普通鋼筋的混凝土路面相比，裂縫間距、寬度以及橫向拉應(yīng)力均增大；裂縫寬度和板底脫空對(duì)路面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和傳荷能力影響顯著，裂縫寬度超過1.1 mm時(shí)，板間傳荷基本靠筋材起作用，混凝土傳荷能力消失；筋材的模量和配筋率對(duì)BFRP-CRCP的傳荷能力和力學(xué)響應(yīng)影響并不明顯，通過提高筋材的模量和配筋率來增大傳荷系數(shù)不經(jīng)濟(jì)。

關(guān)鍵詞：道路工程；連續(xù)配筋混凝土路面；BFRP力學(xué)分析；有限元模型；裂縫寬度

0引言

連續(xù)配筋混凝土路面(CRCP)是在縱向配置足夠數(shù)量的連續(xù)鋼筋，以控制混凝土路面板縱向收縮產(chǎn)生開裂的路面形式，不設(shè)脹縫及縮縫，克服了普通混凝土路面橫向接縫帶來的缺陷[1-2]。雖然鋼筋受到混凝土高堿環(huán)境和混凝土保護(hù)層保護(hù)，但在使用過程中，CRCP產(chǎn)生裂縫，在濕度、溫度變化及融雪化冰時(shí)使用氯化物的侵蝕下，鋼筋不可避免會(huì)發(fā)生銹蝕，影響了結(jié)構(gòu)的壽命。

近年來，纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料(FRP)成為混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的可替代產(chǎn)品。玄武巖纖維筋(BFRP)是我國具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型纖維筋材，與碳纖維筋相比，造價(jià)低；與玻璃纖維筋相比，具有更高的模量、更佳的耐酸耐堿性能[3]。此外，由于玄武巖纖維來源于混凝土常用的玄武巖石料，因此更適合在混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。由于玄武巖纖維筋(BFRP)是新材料，針對(duì)BFRP自身性能及其路面應(yīng)用的研究很少。本文利用有限元方法，在已有的模型研究和試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上建立BFRP-CRCP力學(xué)模型[4-5]，研究各參數(shù)對(duì)路面性能的影響，為該種路面的材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)與參考。

1模型構(gòu)建

1.1基本參數(shù)

混凝土面層厚度0.26 m，水泥混凝土彎拉彈性模量為31 GPa，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ft=3.22 MPa，筋材直徑為16 mm，BFRP筋彈性模量為40 GPa[6]，抗拉強(qiáng)度為1 300 MPa，鋼筋彈性模量為200 GPa，屈服強(qiáng)度為335 MPa，最高日平均氣溫與最低日平均氣溫之差ΔT=35 ℃。

1.2裂縫參數(shù)

橫向裂縫平均間距、裂縫最大寬度和纖維筋拉應(yīng)力按如下公式計(jì)算[7]：

(1)橫向裂縫平均間距：

(1)

(2)

(3)

式中ES為纖維筋彈性模量；EC為混凝土彈性模量；ΔT為設(shè)計(jì)溫差，為混凝土的平均養(yǎng)護(hù)溫度與設(shè)計(jì)最低溫度之差；ft為混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；Ld為橫向裂縫間距；αc為混凝土線膨脹系數(shù)，通常取1×10-5℃；ds為纖維筋直徑；εsh為連續(xù)配筋混凝土干縮應(yīng)變，取0.000 2；λc為混凝土溫縮應(yīng)力系數(shù)；φ為纖維筋剛度貢獻(xiàn)率；b為隨φ和λc而變的系數(shù)；ρ為配筋率；ks為黏結(jié)剛度系數(shù)；鋼筋取34 MPa/m，BFRP黏結(jié)剛度系數(shù)取鋼筋的75%[8]。

(2)裂縫寬度計(jì)算公式：

(4)

式中bj為裂縫縫隙寬度；λb為裂縫寬度系數(shù)，可由φ值和b值查表得出。經(jīng)計(jì)算不同類型縱筋時(shí)CRCP的橫向裂縫間距、裂縫寬度等參數(shù)見表1，其中第3行由前兩行取平均數(shù)得到。

表1　不同配筋下裂縫間距和寬度計(jì)算結(jié)果表

1.3響應(yīng)參數(shù)

CRCP路面開裂后，裂縫傳荷能力影響著裂縫附近路面的承載能力，同時(shí)也是沖斷病害的重要成因[9]。裂縫處的傳荷能力取決于集料嵌鎖和縱向筋材形成的接縫剛度。BFRP筋的抗剪強(qiáng)度低于鋼筋且是脆性材料，必須對(duì)BFRP-CRCP路面裂縫的傳荷能力進(jìn)行分析。反映裂縫傳荷能力的間接指標(biāo)主要有兩種，分別為裂縫兩側(cè)板的撓度比值(LTEw)與應(yīng)力比值(LTEσ)，即當(dāng)荷載作用在裂縫一側(cè)時(shí)，另一側(cè)的撓度、應(yīng)力響應(yīng)與受壓側(cè)響應(yīng)的比值[10]。

2各因素對(duì)力學(xué)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響

2.1裂縫寬度

裂縫寬度逐漸增大后，集料的嵌鎖和混凝土對(duì)鋼筋的支撐作用隨之減少，集料的嵌鎖作用會(huì)在裂縫寬度發(fā)展到一定寬度后逐漸消失。此時(shí)，裂縫處僅靠縱向鋼筋傳荷。選取0.3，0.5，0.7，0.9，1.1 mm，5種裂縫寬度[11]，對(duì)比分析裂縫寬度對(duì)裂縫附近混凝土板的力學(xué)響應(yīng)和裂縫傳荷系數(shù)的影響。裂縫傳荷系數(shù)LTEσ和LTEw隨裂縫寬度的變化規(guī)律如圖1所示。

這些題目著重考查了中學(xué)學(xué)習(xí)階段的基礎(chǔ)知識(shí)和主干內(nèi)容，這些知識(shí)是今后進(jìn)入大學(xué)學(xué)習(xí)以及終身學(xué)習(xí)所必須掌握的“必備知識(shí)”，這體現(xiàn)了高考對(duì)進(jìn)一步學(xué)習(xí)的學(xué)生需要具備適應(yīng)大學(xué)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識(shí)、基本能力和基本素養(yǎng)的“基礎(chǔ)性”考查要求[6].

圖1　混凝土板裂縫傳荷系數(shù)隨裂縫寬度變化規(guī)律Fig.1　Rules of crack load transfer coefficient of concrete slab varying with crack width

從圖1可以看出，無論荷載作用于受荷板橫向裂縫邊緣中部還是橫向裂縫邊緣內(nèi)側(cè)，隨著裂縫寬度的增大，LTEσ和LTEw均不斷減小。裂縫寬度對(duì)LTEσ的影響較為顯著，隨著裂縫寬度從0.3 mm增大到1.1 mm，LTEσ減小了14.8%(橫向裂縫邊緣內(nèi)側(cè))和19.4%(橫向裂縫邊緣中部受荷)。但裂縫寬度對(duì)LTEw的影響并不顯著，裂縫寬度從0.3 mm增大到1.1 mm，LTEw僅減小3.6%(橫向裂縫邊緣內(nèi)側(cè))和4.5%(橫向裂縫邊緣中部受荷)。

試算1.3，1.7，2.0，3.0 mm的裂縫寬度，LTEσ?guī)缀醪蛔儯瑑H減小了0.6%和0.7%。說明裂縫寬度大于等于1.1 mm時(shí)，裂縫兩側(cè)混凝土嵌擠作用基本失效，傳荷作用基本喪失，僅靠縱向筋材傳荷。為了保證板間傳荷能力，控制路面板所受應(yīng)力，避免沖斷破壞，在CRCP設(shè)計(jì)中要將裂縫寬度控制在1.1 mm以下。

2.2BFRP彈性模量

筋材彈性模量不僅影響筋-混凝土間的黏結(jié)性能，還影響著橫向裂縫板間傳荷能力，雖然受材料本身性能的限制，但一定幅度內(nèi)提高BFRP筋彈性模量仍是可行的。東南大學(xué)研制出了75 GPa高模量玄武巖纖維筋[12]。選取40，70，100 GPa，3種彈性模量，對(duì)比分析彈性模量對(duì)裂縫附近混凝土板的力學(xué)響應(yīng)和裂縫傳荷系數(shù)的影響。裂縫寬度0.7 mm，其他路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)保持不變。

裂縫附近混凝土板的力學(xué)響應(yīng)和裂縫傳荷系數(shù)隨裂縫間距變化的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2　混凝土板力學(xué)響應(yīng)和傳荷系數(shù)隨裂縫寬度的變化

注：表中數(shù)據(jù)單元格中上面一行為中間受荷板的力學(xué)響應(yīng)，下面一行為相鄰的未受荷板力學(xué)響應(yīng)，下同。

2.3配筋率

選取0.6%，0.77%，1.0%，3種BFRP配筋率，對(duì)比分析配筋率對(duì)裂縫附近混凝土板的力學(xué)響應(yīng)和裂縫傳荷系數(shù)的影響，裂縫寬度取0.7 mm。裂縫附近混凝土板的力學(xué)響應(yīng)和裂縫傳荷系數(shù)隨BFRP配筋率變化計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3　混凝土板力學(xué)響應(yīng)和傳荷系數(shù)隨配筋率的變化

從表3可知：無論荷載作用于受荷板橫向裂縫邊緣中部還是橫向裂縫邊緣內(nèi)側(cè)，一定范圍內(nèi)變化BFRP配筋率，路面板的力學(xué)響應(yīng)和板間傳荷能力的變化均不大，BFRP筋配筋率由0.66%增大到1.0%，受荷板力學(xué)響應(yīng)、傳荷系數(shù)基本沒有影響。因此，通過增大配筋率來增大裂縫傳荷系數(shù)并不經(jīng)濟(jì)。

2.4板底脫空

板底脫空是指混凝土面板與基礎(chǔ)之間出現(xiàn)空隙，是多種混凝土病害的誘因，根據(jù)形成原因分為結(jié)構(gòu)型脫空和唧泥型脫空[13]。結(jié)構(gòu)型脫空是指長(zhǎng)期行車荷載作用下，面板和地基的塑性變形逐漸累積，而地基出現(xiàn)了比面板嚴(yán)重的塑性變形，溫度和濕度差異則加劇了這種變形差異；唧泥型脫空是指雨水進(jìn)入面板與基層之間，沖刷基層表面細(xì)粒土形成泥漿，在行車作用下沿裂縫、自由邊冒出，長(zhǎng)期唧漿導(dǎo)致脫空。

為分析基層脫空尺寸對(duì)裂縫附近混凝土板的力學(xué)響應(yīng)和裂縫傳荷系數(shù)的影響，選取0.2 m×0.2 m，0.4 m×0.4 m，0.6 m×0.6 m，0.8 m×0.8 m，1.0 m×1.0 m，5種脫空尺寸建立模型。裂縫間距0.55 m，裂縫寬度0.7 mm，其他路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)保持不變。

板底脫空后臨界荷位變?yōu)榘褰俏恢茫摽招螤畈捎玫妊苯侨切?，具體荷位和脫空形式見圖2[9]。計(jì)算表明，荷位1比荷位2受力更不利，故選取荷位1為臨界荷位。裂縫附近混凝土板的力學(xué)響應(yīng)和裂縫傳荷系數(shù)隨脫空尺寸變化的計(jì)算結(jié)果，包括混凝土板寬方向的最大橫向拉應(yīng)力σx、最大豎向位移wL，和裂縫傳荷系數(shù)LTEσ、LTEw隨脫空尺寸的變化規(guī)律如圖3所示。

圖2　板底脫空形式Fig.2　Form of void beneath pavement slab

圖3　混凝土板力學(xué)響應(yīng)和裂縫傳荷系數(shù)隨脫空尺寸的變化規(guī)律Fig.3　Mechanical response of concrete slab and crack load transfer coefficient varying with void size

從圖3可知：

(1)無論荷載作用于受荷板橫向裂縫邊緣中部還是橫向裂縫邊緣內(nèi)側(cè)，脫空尺寸對(duì)受荷板與未受荷板的最大橫向拉應(yīng)力σx影響顯著，板底出現(xiàn)0.2 m×0.2 m的微小脫空，較板底均勻支撐的受荷板最大橫向拉應(yīng)力增大了13.2%(板角受荷)和13.3%(縱向板邊中部)；脫空尺寸從0.2 m×0.2 m 增大到1.0 m×1.0 m，受荷板的最大橫向拉應(yīng)力增大36.3%(板角受荷)和27.9%(縱向板邊中部受荷)。脫空尺寸對(duì)最大豎向位移影響顯著，隨著脫空尺寸的增大，受荷板的豎向位移有所增大。板底出現(xiàn)0.2 m×0.2 m的微小脫空較板底均勻支撐的受荷板最大豎向位移增大了16.0%(板角受荷)和13.0%(縱向板邊中部)；脫空尺寸從0.2 m×0.2 m 增大到1.0 m×1.0 m，受荷板的最大豎向位移增大29.0%(板角受荷)和18.7%(縱向板邊中部受荷)。

(2)無論荷載作用于受荷板橫向裂縫邊緣中部還是橫向裂縫邊緣內(nèi)側(cè)，隨著脫空尺寸的增大，裂縫傳荷系數(shù)LTEσ和LTEw均不斷減小。脫空尺寸對(duì)LTEσ的影響顯著，板底出現(xiàn)0.2 m×0.2 m的微小脫空較板底均勻支撐的受荷板應(yīng)力傳荷系數(shù)LTEσ降低了35.0%(板角受荷)；隨著脫空尺寸從0.2 m×0.2 m增大到1.0 m×1.0 m，LTEσ減小了23.2%(板角受荷)和15.0%(橫向裂縫邊緣中部受荷)。脫空尺寸對(duì)撓度傳荷系數(shù)LTEw的影響顯著，板底出現(xiàn)0.2 m×0.2 m的微小脫空較板底均勻支撐的受荷板撓度傳荷系數(shù)LTEw降低了19.9%(板角受荷)；隨著脫空尺寸從0.2 m×0.2 m增大到1.0 m×1.0 m，撓度傳荷系數(shù)LTEw減小了24.1%(板角受荷)和14.8%(橫向裂縫邊緣中部受荷)。

3結(jié)論

(1)相同配筋率的連續(xù)配筋水泥混凝土路面，BFRP配筋的路面裂縫間距和裂縫寬度均比鋼筋要大，橫向拉應(yīng)力增大超過11%，BFRP筋和鋼筋混配的路面板橫向拉應(yīng)力接近于BFRP-CRCR。

(2)裂縫寬度對(duì)BFRP-CRCP的傳荷能力和力學(xué)響應(yīng)影響比較顯著，當(dāng)裂縫寬度超過1.1 mm后，板間傳荷基本靠筋材起作用，混凝土傳荷能力消失。為了避免沖斷破壞， CRCP設(shè)計(jì)中要將裂縫寬度控制在1.1 mm以下。

(3)裂縫一定時(shí)，筋材模量和配筋率對(duì)BFRP-CRCP的傳荷能力影響不明顯，應(yīng)從控制裂縫寬度的角度設(shè)計(jì)配筋率，利用混凝土材料的嵌擠作用保證傳荷性能。

(4)脫空對(duì)BFRP-CRCP的傳荷能力和力學(xué)響應(yīng)影響顯著，可以適當(dāng)增加板厚，避免在板下使用粉質(zhì)材料，對(duì)脫空部分及時(shí)灌漿，防止脫空產(chǎn)生或尺寸變大。

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Mechanical Analysis on BFRP Continuously Reinforced Concrete Pavement

DAI Yi-qing, CHEN Yang-li, GU Xing-yu，Lü Jun-xiu

(School of Transportation, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210096, China)

Abstract：For the sake of researching mechanical property of continuously reinforced concrete pavement (CRCP) with basalt fiber reinforced polymer, a finite element model is established by ABAQUS based on the existing experimental study results. The influences of crack width, BFRP elastic modulus, reinforcement ratio and void beneath the pavement reinforcement ratio on the stress situation and load transfer capacity of the concrete pavement structure are analyzed. The result shows that (1) both crack width, distance and transverse tension stress of the pavement increase comparing the BFRP reinforced concrete pavement with ordinary reinforced concrete pavement; (2) crack width and void beneath pavement show conspicuous influence on both mechanical state and load transfer efficiency, load transfer depends on the FRP and the concrete cannot transfer load while crack width surplus 1.1 mm; (3) BFRP modulus and reinforcement ratio show little effect on load transfer efficiency or mechanical response of BFRP-CRCP, thus it is not economically effective to increase BFRP modulus or reinforcement ratio for increasing the load transfer coefficient. It provides guideline for the design of CRCP reinforced by BFRP.

Key words：road engineering; CRCP；BFRP mechanical analysis; finite element model;crack width

收稿日期：2015-01-26

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51108082)

作者簡(jiǎn)介：戴逸清(1991-)，男，江蘇泰興人，碩士研究生.(xiaodai0824@163.com)

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.06.003

中圖分類號(hào)：U416.216

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0268(2016)06-0015-05