混凝土底基層CRCP+AC 路面結(jié)構(gòu)超載分析

趙 旭

（上海城建養(yǎng)護(hù)管理有限公司，上海 201101）

引言

隨著我國交通量以及交通軸載的增大，對道路路面結(jié)構(gòu)的整體承載力、耐久性以及行車功能性都提出了較高的要求。傳統(tǒng)半剛性基層瀝青路面在超載作用下容易出現(xiàn)裂縫、車轍、推移等早期損壞現(xiàn)象，連續(xù)配筋混凝土路面（CRCP）作為一種具備高承載力、高耐久性的路面，上覆兩層或三層瀝青混凝土形成剛?cè)峤Y(jié)合的復(fù)合路面體系，即CRCP+AC 結(jié)構(gòu)。這種復(fù)合路面兼具連續(xù)配筋混凝土路面高強(qiáng)度和瀝青路面柔性加鋪行車舒適的綜合性能[1-3]，理論層面具備適應(yīng)超載的能力。

通過研究CRCP+AC 路面結(jié)構(gòu)超載分析，可以較好地分析路面結(jié)構(gòu)在不同軸載作用下的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，為道路結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、路面損壞預(yù)防以及敏感參數(shù)分析等提供針對性地指導(dǎo)。劉朝輝和鄭健龍[4]通過建立CRC+AC 層間剪應(yīng)力分析模型，計算不同瀝青層厚度和不同軸載作用下層間剪應(yīng)力，并且通過不同荷位的計算與分析，得出不同裂縫間距復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)的兩種臨界荷位，通過變換若干AC層厚度、CRC 板厚度以及地基模量分析參數(shù)對復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)荷載應(yīng)力的影響[5]。程焰兵[6]建立帶裂縫的連續(xù)配筋混凝土復(fù)合式瀝青路面的三維有限元模型，分析了移動荷載下CRC+AC 復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。蒙藝[7]基于彈性層狀體系借助Bisar3.0分析改變相關(guān)結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)對復(fù)合式路面層間剪應(yīng)力的影響規(guī)律，研究表明沿輪心方向的輪后緣處最容易發(fā)生剪切破壞現(xiàn)象，AC 層厚度對層間剪應(yīng)力影響明顯，面層的合理厚度為8～12 cm。國內(nèi)外學(xué)者就連續(xù)配筋混凝土路面應(yīng)力分析開展了深入研究[8-13]，復(fù)合路面結(jié)構(gòu)的底基層形式主要為半剛性材料，連續(xù)配筋混凝土路面底基層為混凝土材料的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析研究相對較少，作為一種重載適應(yīng)程度較強(qiáng)的CRCP+AC 路面結(jié)構(gòu)形式，該路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)分析及關(guān)鍵力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)隨著重載變化的相關(guān)規(guī)律研究就顯得尤為重要。

1 路面計算模型

1.1 路面結(jié)構(gòu)組合及材料參數(shù)

連續(xù)配筋復(fù)合路面結(jié)構(gòu)組合見圖1。復(fù)合路面結(jié)構(gòu)層的材料參數(shù)見表1。

圖1 路面結(jié)構(gòu)組合

表1 路面結(jié)構(gòu)層的材料參數(shù)

1.2 模型尺寸與假設(shè)

模型選取連續(xù)配筋水泥混凝土板塊尺寸為5 m×4 m，脹縫寬度為2 cm。由于連續(xù)配筋混凝土復(fù)合式路面中鋼筋分布均勻，故將鋼筋布設(shè)層按照實體單元建模，將鋼筋連續(xù)化處理，并采用空間正交各向異性材料模型模擬該層縱向、橫向配筋率不同以及厚度方向沒有配筋的特性。連續(xù)配筋水泥板、瀝青面層、混凝土底基層等均采用空間等參元8 節(jié)點六面體單元進(jìn)行模型建立。

1.3 荷載條件

將100 kN 雙圓均布標(biāo)準(zhǔn)荷載簡化為雙矩形均布荷載：接地寬度B=18.6 cm，接地長度L=19.2 cm，軸載P=100 kN，接地壓力p=0.7 MPa，輪數(shù)nw=4，兩輪中心距31.4 cm。選取連續(xù)配筋復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)的荷載作用位置于橫縫邊緣中部。

1.4 單元類型及邊界條件

計算模型采用C3D8R 單元類型，可以保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時提高軟件運算效率，選取0.025 m 作為近似全局網(wǎng)格布置尺寸。模型的邊界條件：X、Z 方向均為軸向約束，結(jié)構(gòu)底面為固定約束，路面頂層完全自由。路面三維模型中X、Y、Z 分別表示行車方向、路面深度方向和路幅方向。路面結(jié)構(gòu)的三維有限元模型及網(wǎng)格模型見圖2。

圖2 路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型及網(wǎng)格劃分模型

2 標(biāo)準(zhǔn)軸載下的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律

2.1 剪應(yīng)力

路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力分布見圖3。分析可知：最大剪應(yīng)力沿路面深度方向呈現(xiàn)逐級遞減的分布形態(tài)與規(guī)律。最大剪應(yīng)力的極值出現(xiàn)在復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)的4 cm、8 cm 位置，最大剪應(yīng)力峰值分別為0.541 MPa、0.526 MPa，經(jīng)過瀝青面層與CRCP 層的交界后，最大剪應(yīng)力迅速下降，到路面CRCP 層上部6～7 cm 處略有上升，第二處剪應(yīng)力極值為0.412 MPa，其后剪應(yīng)力呈現(xiàn)下降趨勢，到C25 混凝土層底剪應(yīng)力出現(xiàn)第三處極值，此時剪應(yīng)力大小已降低至0.169 MPa，到級配碎石層剪應(yīng)力基本消散趨于零。

圖3 路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力分布

2.2 縱向拉應(yīng)力

路面結(jié)構(gòu)的縱向拉應(yīng)力見圖4。瀝青加鋪層位于壓應(yīng)力區(qū)，極值位于瀝青加鋪層層底，最大值0.095 MPa。接著進(jìn)入拉壓應(yīng)力交界區(qū)，連續(xù)配筋混凝土層層底的拉應(yīng)力相對較小，為0.016 2 MPa。進(jìn)入C25 混凝土層之后，縱向拉應(yīng)力迅速增大，最大值為0.085 MPa。C25 整體的板體性更好，剛度大使得路面結(jié)構(gòu)的中性面下降，因此，瀝青面層全部處于壓應(yīng)力區(qū)域，縱向拉應(yīng)力的最大值位于C25 混凝土底部。

圖4 路面結(jié)構(gòu)縱向拉應(yīng)力分布

2.3 橫向拉應(yīng)力

路面結(jié)構(gòu)的橫向拉應(yīng)力分布見圖5。相較縱向拉應(yīng)力而言，橫向拉應(yīng)力整體的數(shù)值較大，瀝青面層與CRCP 層均位于壓應(yīng)力區(qū)，極值出現(xiàn)在瀝青層層底處，為0.149 MPa，CRCP 層層底位于拉壓應(yīng)力交界區(qū)，進(jìn)入C25 混凝土層之后，橫向拉應(yīng)力迅速增大，最大值為0.091 MPa。

圖5 路面結(jié)構(gòu)橫向拉應(yīng)力分布

2.4 壓應(yīng)力

路面結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力分布見圖6。由于選取的計算點位在橫縫附近，相比于傳統(tǒng)的半剛性基層瀝青路面壓應(yīng)力的峰值沒有出現(xiàn)在輪胎與路表的接觸區(qū)域，整個復(fù)合路面的壓應(yīng)力分布呈現(xiàn)“單峰”形式，壓應(yīng)力最大值位于CRCP 層層底位置處，峰值為0.228 MPa。

圖6 路面結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力分布

3 關(guān)鍵力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)的重載分析

綜合考慮CRCP 層的受力特性與材料層位，選取瀝青面層之間以及瀝青面層-基層的界面最大剪應(yīng)力、CRCP 層與C25 層層底橫向拉應(yīng)力及縱向拉應(yīng)力、路表彎沉指標(biāo)作為關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)的分析群體。初步設(shè)定軸載為100～200 kN，超載率選取為0%、20%、40%、60%、80%、100%。

3.1 界面剪應(yīng)力

CRCP 復(fù)合式路面的界面剪應(yīng)力隨著軸重的增加的應(yīng)力變化見圖7。瀝青層界面剪應(yīng)力與面-及層間剪應(yīng)力的增長速率基本一致，整體的幅值較大，從0.228 MPa 和0.247 MPa 增長至0.456 MPa 及0.493 MPa。表明要關(guān)注瀝青層間以及面基層間的黏結(jié)問題，良好的層間黏結(jié)可以防止層間滑移，提高面層的服務(wù)使用壽命。

圖7 界面剪應(yīng)力超載分析

3.2 橫向拉應(yīng)力

層底橫向拉應(yīng)力見圖8。CRCP 層作為主要承重層，層底的橫向拉應(yīng)力相對較小，隨著軸載的增加，其橫向拉應(yīng)力從0.025 MPa 增長到0.048 MPa，增長速率相對混凝土基層而言小。C25 混凝土層層底橫向拉應(yīng)力從0.091 MPa 增長到0.182 MPa。表明混凝土基層CRCP+AC 路面更需要關(guān)注該層層底的疲勞開裂，在計算疲勞壽命時均應(yīng)考慮。

圖8 層底橫向拉應(yīng)力

3.3 縱向拉應(yīng)力

層底縱向拉應(yīng)力見圖9。路面結(jié)構(gòu)的層底縱向拉應(yīng)力與前述規(guī)律相似，CRCP 層層底的橫向拉應(yīng)力相對較小，其橫向拉應(yīng)力從0.016 MPa 增長到0.032 MPa，增長速率相對混凝土基層而言小。C25 混凝土層層底拉應(yīng)力從0.085 MPa 增長到0.170 MPa。與橫向應(yīng)力對比，縱向拉應(yīng)力比橫向拉應(yīng)力的數(shù)值范圍相對較小，表明橫向開裂或許會更加嚴(yán)重。

圖9 層底縱向拉應(yīng)力

3.4 路表彎沉

路面結(jié)構(gòu)路表彎沉見圖10。路表彎沉大小分布較廣，從標(biāo)準(zhǔn)軸載的51（0.01 mm）增長至102（0.01 mm）處，表明隨著軸載的增加，路表的縱向變形相對較大，如果軸載進(jìn)一步加大，路表將會出現(xiàn)較大的路面沉陷等路面損壞現(xiàn)象。

圖10 路面結(jié)構(gòu)路表彎沉

4 結(jié)語

（1）瀝青層間的界面剪應(yīng)力與面-及層間剪應(yīng)力的增長速率基本一致，整體的幅值較大；對于瀝青面層應(yīng)考慮車轍增強(qiáng)的現(xiàn)象，在設(shè)計階段應(yīng)采取模量較高的材料。（2）CRCP 層層底橫向與縱向拉應(yīng)力相對較小，隨著軸載的增加，其增長速率相對混凝土基層而言小，混凝土底基層路面更需要關(guān)注混凝土層底的疲勞開裂，在計算疲勞壽命時均應(yīng)考慮。（3）復(fù)合式路面的彎沉變化較為明顯，從標(biāo)準(zhǔn)軸載的51（0.01 mm）增長至102（0.01 mm）處，連續(xù)配筋復(fù)合式路面在重載路段可能出現(xiàn)路面沉陷等問題。