重軸載交通下斜向預(yù)應(yīng)力混凝土路面應(yīng)用研究

郭 超， 張 敏 江， 陸 征 然,2， 于 保 陽(yáng)

( 1.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130117 )

土木工程

重軸載交通下斜向預(yù)應(yīng)力混凝土路面應(yīng)用研究

郭 超*1， 張 敏 江1， 陸 征 然1,2， 于 保 陽(yáng)1

( 1.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.吉林建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130117 )

針對(duì)重軸載交通下普通水泥混凝土路面抗疲勞性能較差、容易產(chǎn)生裂紋的問(wèn)題，提出將斜向預(yù)應(yīng)力混凝土路面引入重軸載交通中，并結(jié)合已有定測(cè)下混凝土疲勞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)其抗疲勞機(jī)理進(jìn)行深入分析．同時(shí)，根據(jù)混凝土疲勞破壞發(fā)展的歷程，提出此種路面結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力筋的分步張拉方法：當(dāng)混凝土澆筑完成24 h后，預(yù)應(yīng)力筋第一次張拉到30%的設(shè)計(jì)軸力，以控制混凝土路面初期裂紋；當(dāng)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)齡期后，張拉至設(shè)計(jì)軸力用以抵消溫度應(yīng)力和部分重軸載引起的路面拉應(yīng)力，保證路面結(jié)構(gòu)在正常使用情況下處于三維壓縮狀態(tài)，從而防止混凝土裂紋的出現(xiàn)和擴(kuò)展，達(dá)到提高混凝土第二階段抗疲勞強(qiáng)度的目的．實(shí)例驗(yàn)證了斜向預(yù)應(yīng)力混凝土路面結(jié)構(gòu)適用于重軸載交通．

重軸載交通；斜向預(yù)應(yīng)力；混凝土疲勞；水泥混凝土路面

0 引 言

近期關(guān)于軸載調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在國(guó)內(nèi)礦區(qū)和港口碼頭汽車軸載普遍較重，甚至由于超載等原因軸載高達(dá)350、400 kN，累計(jì)當(dāng)量軸次達(dá)到數(shù)億．普通水泥混凝土路面在上述重軸載交通中已經(jīng)很難發(fā)揮作用，重軸載交通下混凝土路面疲勞問(wèn)題，成為目前重載交通中亟待解決的問(wèn)題．對(duì)此，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者都做了相關(guān)的深入研究．針對(duì)水泥混凝土有側(cè)壓下的疲勞問(wèn)題，宋玉普等利用MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行了定側(cè)壓下混凝土雙軸等幅、變幅拉-壓疲勞試驗(yàn)，并建立了基于混凝土疲勞殘余應(yīng)變和變形模量的損傷模型[1-5]．Hossain等為避免縱向預(yù)應(yīng)力混凝土路面施工分縫問(wèn)題，提出了斜向預(yù)應(yīng)力混凝土路面的概念并進(jìn)行了數(shù)值分析[6]．目前，《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D40—2011, 以下簡(jiǎn)稱規(guī)范)中針對(duì)極重、特重交通荷載作用設(shè)計(jì)了連續(xù)配筋混凝土和設(shè)傳力桿普通混凝土路面[7]．ACI針對(duì)縱向預(yù)應(yīng)力混凝土路面頒布了設(shè)計(jì)指南[8]．長(zhǎng)安大學(xué)針對(duì)斜向預(yù)應(yīng)力混凝土路面進(jìn)行了室內(nèi)外試驗(yàn)研究，證明此種結(jié)構(gòu)能夠減少路面橫縫，保持路面連續(xù)[9]．

本文在以上研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)混凝土疲勞破壞發(fā)展歷程，提出采用分步張拉預(yù)應(yīng)力筋的方法達(dá)到控制混凝土初期裂紋，抵消溫度應(yīng)力和軸載拉應(yīng)力，提高混凝土抗疲勞強(qiáng)度的目的，并通過(guò)實(shí)例分析表明斜向預(yù)應(yīng)力混凝土路面(cross tensioned concrete pavements,CTCP)適合用于重軸載交通．

1 混凝土路面抗疲勞原理

本文從摩爾應(yīng)力原理出發(fā)，結(jié)合混凝土疲勞裂紋擴(kuò)展的三階段理論，通過(guò)比較普通混凝土、鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土路面三者之間的區(qū)別和聯(lián)系，得出預(yù)應(yīng)力混凝土路面抗疲勞強(qiáng)度提升的原因，分析過(guò)程如圖1所示．普通混凝土路面只能靠混凝土自身的抗拉強(qiáng)度抵抗拉應(yīng)力，即摩爾應(yīng)力圓中σ3=0，疲勞裂紋從初始受拉開(kāi)始逐漸擴(kuò)展．鋼筋混凝土路面形成初始裂紋后鋼筋被動(dòng)進(jìn)入受拉狀態(tài)，即摩爾應(yīng)力圓中σ3>0，疲勞破壞從初始受拉開(kāi)始逐漸擴(kuò)展，由于鋼筋抵抗部分拉應(yīng)力，疲勞裂紋開(kāi)展速率比普通混凝土低．預(yù)應(yīng)力混凝土路面中由于交叉預(yù)應(yīng)力筋對(duì)混凝土的主動(dòng)壓力作用，即摩爾應(yīng)力圓中σ3>0，σ2>0，使得混凝土初始裂紋的出現(xiàn)滯后于普通混凝土和鋼筋混凝土的，同時(shí)，預(yù)應(yīng)力筋的抗拉強(qiáng)度高于普通鋼筋，能夠有效抵抗由于重軸載引起的路面拉應(yīng)力，保證路面在正常使用情況下處于三向受壓狀態(tài)，因此，疲勞開(kāi)展速率比鋼筋混凝土低．

(a) 混凝土路面摩爾應(yīng)力原理

(b) 混凝土疲勞裂紋擴(kuò)展原理

圖1 混凝土路面抗疲勞原理

Fig.1 Concrete pavements anti-fatigue theory

2 斜向預(yù)應(yīng)力混凝土路面破壞準(zhǔn)則

重軸載交通下斜向預(yù)應(yīng)力混凝土路面結(jié)構(gòu)的受力分析如圖2所示．已有研究成果表明，斜向預(yù)應(yīng)力水泥混凝土路面應(yīng)滿足如下破壞準(zhǔn)則[6-7]：

σt+σp≥σΔt+σf+σl

(1)

式中：σt為混凝土容許彎曲應(yīng)力；σp為預(yù)應(yīng)力；σΔt為溫度應(yīng)力；σf為摩擦力；σl為荷載應(yīng)力．但是，重軸載交通下水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)不能用最大溫度應(yīng)力、最大荷載應(yīng)力、摩擦力進(jìn)行簡(jiǎn)單的組合[10]．因?yàn)樵诼访鎸?shí)際使用中，50a一遇的最大溫度應(yīng)力和30a一遇的最大荷載應(yīng)力同時(shí)存在的概率幾乎為零，而且，溫度應(yīng)力是不斷變化的，最大值僅產(chǎn)生于夏季午后的1～2h內(nèi)，而預(yù)應(yīng)力是恒定抗力，說(shuō)明式(1)中的荷載組合在回歸周期上不統(tǒng)一，結(jié)果相當(dāng)保守．本次研究根據(jù)實(shí)際工況提出3種荷載組合：

σp≥σps

(2)

σp≥σΔt+σf

(3)

fr+σp≥σΔt,m+σpm+σf

(4)

圖2 斜向預(yù)應(yīng)力水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)受力分析圖Fig.2 Diagram of force analysis for CTCP structure

式中：σps為標(biāo)準(zhǔn)軸載在四邊自由板臨界荷載處產(chǎn)生的最大荷載應(yīng)力；σpm為極限軸載在四邊自由板臨界荷載處產(chǎn)生的最大荷載應(yīng)力；fr為混凝土抗彎拉強(qiáng)度．式(2)、(3)保證路面在常規(guī)車輛荷載和溫度應(yīng)力作用下處于三軸受壓狀態(tài)；式(4)保證路面在承受最大溫度應(yīng)力、最大荷載應(yīng)力、摩擦力同時(shí)作用下不發(fā)生一次性破壞．

3 路面結(jié)構(gòu)受力分析

斜向預(yù)應(yīng)力混凝土路面主要承受車輛荷載應(yīng)力、溫度應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力、摩擦力．

3.1 車輛荷載應(yīng)力計(jì)算

車輛荷載應(yīng)力采用規(guī)范中的單層彈性板理論進(jìn)行計(jì)算：

σpr=krkfkcσps

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

α=0.86+0.26lnhx

(12)

(13)

(14)

式中：σpr為設(shè)計(jì)軸載在面板臨界荷載處產(chǎn)生的荷載疲勞應(yīng)力；kr為考慮接縫傳荷能力的應(yīng)力折減系數(shù)，混凝土路肩取0.87；kf為考慮設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)荷載應(yīng)力累計(jì)疲勞作用的疲勞應(yīng)力系數(shù)；kc為考慮計(jì)算理論與實(shí)際差異以及動(dòng)荷載等因素影響的綜合系數(shù)；λ為混凝土疲勞指數(shù)，取0.057；Ps為設(shè)計(jì)軸載的單軸重；Pmax為極限軸載的單軸重；hc、Ec、υc為面層板厚度、彎拉彈性模量和泊松比；r為面層板的相對(duì)剛度半徑；Dc為面層板截面彎曲剛度；Et為板底地基當(dāng)量回彈模量；α為與顆粒層總厚度hx有關(guān)的回歸系數(shù)；Ex為粒料層當(dāng)量回彈模量；hi為粒料層厚度．

3.2 溫度應(yīng)力計(jì)算

溫度應(yīng)力采用規(guī)范的方法進(jìn)行計(jì)算：

σΔt=kt·σΔt,m

(15)

(16)

BL=1.77e-4.48hcCL-0.131(1-CL)

(17)

(18)

t=L/3r

(19)

(20)

式中：σΔt,m為最大溫度梯度時(shí)沿線路縱向面層板最大溫度疲勞應(yīng)力；kt為溫度疲勞系數(shù)；αc為混凝土的線膨脹系數(shù)；Tg為公路所在地50 a一遇的最大溫度梯度；BL為綜合溫度翹曲應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力作用的溫度應(yīng)力系數(shù)；CL為混凝土面板的溫度翹曲應(yīng)力系數(shù)；L為板長(zhǎng)．

3.3 面層板摩擦力計(jì)算

斜向交叉預(yù)應(yīng)力面層板的預(yù)應(yīng)力筋除了在施工和使用過(guò)程中有損失，還要克服與基層的摩擦力，最大值在板中部，計(jì)算公式如下：

σf=μγL/2

(21)

式中：μ為面層板與基層間的摩擦因數(shù)，其值因面層板與基層之間設(shè)立了聚氟乙烯夾甘油的滑動(dòng)層可以取為0.5；γ為上層斜向預(yù)應(yīng)力混凝土板的密度．

3.4 預(yù)應(yīng)力計(jì)算

假定預(yù)應(yīng)力筋在面層內(nèi)引起的應(yīng)力是沿著截面高度均勻分布的，則對(duì)于受力單元的預(yù)加應(yīng)力可以按下式計(jì)算：

(22)

(23)

式中：σ2p、σ3p為受力單元沿2、3方向的預(yù)加壓應(yīng)力；σcon為預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力；Ap為預(yù)應(yīng)力筋截面積；αE為預(yù)應(yīng)力筋與路面縱向之間的夾角；s為預(yù)應(yīng)力筋沿路面縱向間距；σloss為施工階段預(yù)應(yīng)力損失值，包括以下兩部分[11]：

(1)錨具變形和預(yù)應(yīng)力筋回縮引起的預(yù)應(yīng)力損失

(24)

式中：a為張拉端錨具變形和無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)縮值；l為張拉端至錨固端之間的距離；Es為預(yù)應(yīng)力筋彈性模量．

(2)預(yù)應(yīng)力筋與周圍接觸套管之間摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失

σl2=σcon(1-e-kx)

(25)

式中：k為管道每m長(zhǎng)度局部偏差的摩擦因數(shù)；x為張拉端至計(jì)算截面的水平距離．

σloss=σl1+σl2

(26)

3.5 接地壓力計(jì)算

接地壓力是斜向交叉預(yù)應(yīng)力路面板受力單元的豎向主應(yīng)力，是對(duì)受力單元進(jìn)行分析的關(guān)鍵，本次研究采用如下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[12]：

A=200Ps+15 200±7 000

(27)

p=Ps/2A

(28)

式中：A為接地面積，mm2；±7 000為保證率達(dá)到95%的離差范圍，考慮到國(guó)內(nèi)超載情況建議取用“-”值．

4 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證本文所提出理論的實(shí)用性，選擇某具有代表性的重軸載交通工程進(jìn)行分析．交通量調(diào)查及路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示．

表1 交通量調(diào)查及路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Traffic survey and pavements structure design parameters

路面單元三向應(yīng)力組合如下．

組合一(預(yù)應(yīng)力+標(biāo)準(zhǔn)荷載應(yīng)力)

σ1=pcs=2.00 MPa；

σ2,3=σ2,3p+σps=1.00 MPa

組合二(預(yù)應(yīng)力+溫度應(yīng)力+摩擦力)

σ1=pcs=2.00 MPa；

σ2,3=σ2,3p+σΔt+σf=0.13 MPa

組合三(承載極限組合)

σ1=pcm=4.47 MPa；

σ2,3=σ2,3p+σΔt,m+σpm=-3.68 MPa

由此可知，預(yù)應(yīng)力筋對(duì)混凝土路面施加的側(cè)向壓力σ2,3p=2.37 MPa，約是混凝土抗壓強(qiáng)度f(wàn)c(=23.43 MPa)的1/10．從混凝土三向受壓靜載試驗(yàn)表2可知，在0.1fc定側(cè)壓作用下混凝土靜抗壓強(qiáng)度是無(wú)側(cè)壓混凝土的2倍．

表2 混凝土三向受壓靜載試驗(yàn)Tab.2 Concrete static triaxial compression test data

由表3可回歸出混凝土在0.1fc定側(cè)壓下，最大應(yīng)力水平Smax與疲勞壽命N之間的關(guān)系式：

Smax=2.305-0.105 6lgN

(29)

由式(29)可知，在0.1fc定側(cè)壓，預(yù)計(jì)使用壽命Ne=2×107時(shí)Smax=1.53，由此得出混凝土疲勞應(yīng)力最大值可以提高到最大靜抗壓強(qiáng)度的1.5倍．

表3 0.1fc定側(cè)壓下混凝土疲勞試驗(yàn)Tab.3 Concrete fatigue test data under 0.1fc

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)重軸載交通下普通水泥混凝土路面抗疲勞性能較差、容易產(chǎn)生裂紋的問(wèn)題，將斜向預(yù)應(yīng)力混凝土路面結(jié)構(gòu)引入到重軸載交通中．通過(guò)摩爾應(yīng)力原理，并結(jié)合混凝土疲勞裂紋擴(kuò)展的三階段理論，分析了普通混凝土、鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土路面三者之間在抗疲勞機(jī)理上的區(qū)別和聯(lián)系，得出了預(yù)應(yīng)力混凝土路面抗疲勞強(qiáng)度提升的原因．在此基礎(chǔ)上，提出了分步張拉預(yù)應(yīng)力筋的方法．初次張拉阻止混凝土初始裂紋形成；二次張拉保證混凝土始終處于三向受壓狀態(tài)，并阻止裂紋的發(fā)展．通過(guò)上述兩次張拉過(guò)程，最終達(dá)到了提高混凝土路面結(jié)構(gòu)抗疲勞強(qiáng)度的目的．

在上述理論研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)例針對(duì)重軸載交通下斜向預(yù)應(yīng)力混凝土路面的車輛荷載應(yīng)力、溫度應(yīng)力、摩擦力、預(yù)應(yīng)力、接地壓力進(jìn)行分析，并進(jìn)行科學(xué)組合，得到了斜向預(yù)應(yīng)力混凝土路面的受力狀態(tài)．研究表明：此結(jié)構(gòu)中所設(shè)置的斜向預(yù)應(yīng)力筋能夠較好地改善混凝土路面的受力狀態(tài)，提高混凝土路面抗疲勞強(qiáng)度，適合于在重軸載交通中的應(yīng)用．

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Research on application of cross tensioned concrete pavements to heavy axle loading traffic

GUO Chao*1， ZHANG Min-jiang1， LU Zheng-ran1,2， YU Bao-yang1

( 1.School of Civil Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China；2.School of Civil Engineering, Jilin Jianzhu University, Changchun 130117, China )

To improve the poor anti-fatigue performance and easily cracking characteristics of plain cement concrete pavements, cross tensioned concrete pavements (CTCP) were proposed to suit the heavy axle loading traffic conditions, and their anti-fatigue mechanism was deeply analyzed combining with existing concrete fatigue location survey data.Furthermore, the step-by-step tensioning method of prestressed reinforcement was put forward according to the development process of concrete fatigue damage. Firstly, 24 h later after finishing concrete pouring,the prestressed reinforcement was tensioned to 30% of design axis force, which could decrease concrete initial cracks effectively.Then, while reaching the design age of concrete,the prestressed reinforcement was tensioned to the full design axis force, which could counteract the temperature load and part pavements tensile stress caused by heavy axle load, ensuring the concrete pavements in 3D compression state under normal working situation. Thus, the objective of increasing concrete anti-fatigue performance in the second stage was reached through preventing concrete cracks from arising and extending. Finally, a practical instance testifies that the CTCP are appropriate for heavy axle loading traffic.

heavy axle loading traffic; cross tensioned prestress; concrete fatigue; cement concrete pavements

1000-8608(2015)03-0286-06

2014-07-20；

2014-12-23．

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51308255)；遼寧省高等學(xué)校杰出青年學(xué)者成長(zhǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(LJQ2014059).

郭 超*(1980-)，男，博士，副教授，E-mail:guochaoglovel@126.com.

U416.216

A

10.7511/dllgxb201503009