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設(shè)計(jì)期內(nèi)多個因素的變化。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，并做出簡要評述。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：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：文章編號：（）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。其主要的結(jié)構(gòu)病害是邊緣的沖斷，完全的沖斷會導(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)。作為美國國家合作公路研究計(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支撐損失。為解決因侵蝕過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)方法的按個設(shè)計(jì)過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)每個月末的沖斷數(shù)，繪制出沖斷隨時間的變化曲線。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)中觀測到的最常見的沖斷寬度。臨界響應(yīng)點(diǎn)的位置（即彎曲時可能產(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，月囈號篩的通過率，；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；水泥處治基層取；瀝青處治基層及小于水泥處治基層?。凰嗟牧Ａ匣鶎尤?；未處治的粒料基層

6、?。?。交通荷栽模型交通荷載通過在節(jié)點(diǎn)上施加靜載來進(jìn)行模擬，該節(jié)點(diǎn)位于輪印覆蓋區(qū)域內(nèi)。板單元上每個節(jié)點(diǎn)上的荷載通過板單元覆蓋面積占輪印的比例來計(jì)算，荷載計(jì)算由軟件進(jìn)行，通過指定軸載的類型（單軸、雙輪組或輪組）及通過軸載譜提供的軸重。水泥混凝土板翹曲模型由于瞬時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，并做多個假定：（）板與基層間不存在水平約束（滑動不

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間增量下，第位荷載實(shí)際作用次數(shù)帆一時間增量下，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間增量，表給出了在損傷累積過程中考慮的設(shè)計(jì)因素和增量的匯總，總的疲勞

9、損傷由每個分析增量的疲勞損傷的總和算得。表損傷分析需要的輸入?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。小時單個軸我（）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)果就無法直接用于沖斷的預(yù)測。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)場實(shí)際的沖斷情況。尸口：塘一。魯群（）其中：廣為第個增量月末每英里的預(yù)測沖斷數(shù)一第個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)語連續(xù)配筋混凝土路面的設(shè)計(jì)程序是基于現(xiàn)場發(fā)生的多個臨界情形的預(yù)測：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)用時困難較大；沖斷的預(yù)估方