中美規(guī)范港區(qū)水泥混凝土面板接縫設(shè)計對比

張 斌

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032)

跟著“一帶一路”倡議的步伐，越來越多國內(nèi)設(shè)計單位走出海外，參與境外項目的設(shè)計。目前，海外項目普遍采用的規(guī)范多為美、歐等規(guī)范，由于對規(guī)范的不熟悉，給國內(nèi)設(shè)計人員造成了許多困難。本文通過對比中、美規(guī)范對港區(qū)混凝土面板分縫設(shè)計的異同，并綜合考慮溫度、地基剛度和荷載的影響，提出混凝土面板分縫設(shè)計的方法，為國內(nèi)外港區(qū)混凝土面板的分縫設(shè)計提供參考。

1 規(guī)范對比

1.1 國內(nèi)規(guī)范

國內(nèi)港區(qū)混凝土面板設(shè)計主要依據(jù)《港口道路與堆場設(shè)計規(guī)范》[1]，接縫設(shè)計要求為：1)混凝土面板可采用矩形分塊。素混凝土面板長、寬均不宜大于5 m，長寬比不宜大于1.35，面積不宜大于25 m2。2)道路與流動機械通道橫向施工縫應(yīng)采用設(shè)傳力桿的平縫形式。橫向縮縫可采用假縫形式，當(dāng)鋪面等級為一級、荷載等級為P3及以上、鄰近脹縫或自由端部有3條橫向縮縫時，應(yīng)采用設(shè)傳力桿假縫形式；其他情況可不設(shè)傳力桿假縫。3)鋪面等級為一級且荷載等級為P3及以上的堆場接縫應(yīng)采用設(shè)傳力桿的假縫形式。4)道路與流動機械通道縱向接縫應(yīng)采用設(shè)拉桿的平縫(施工縫)或縮縫。5)緊鄰碼頭結(jié)構(gòu)或其他固定構(gòu)筑物處，與其他道路或通道相交處，應(yīng)設(shè)置1～2條橫向脹縫，脹縫寬20～25 mm，縫內(nèi)設(shè)置填縫板和可滑動的傳力桿。

關(guān)于脹縫的設(shè)置，《港口道路、堆場鋪面設(shè)計與施工規(guī)范》[2]規(guī)定：1)脹縫宜盡量少設(shè)或不設(shè)。但在鄰近其他建筑物、與瀝青鋪面相接處、板厚改變的斷面處、小半徑曲線和縱坡變換處，均應(yīng)設(shè)置脹縫。2)以上位置以外的脹縫可根據(jù)板厚、施工溫度、混凝土集料的膨脹性并結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗設(shè)置。夏季施工，板厚大于或等于20 cm時可不設(shè)；其他季節(jié)施工或采用膨脹性的集料時，宜設(shè)置脹縫，其間距宜為100～200 m。3)脹縫宜采用滑動傳力桿。與建筑物銜接處或與其他公路交叉的脹縫無法設(shè)傳力桿時，可采用邊緣鋼筋型或厚邊型。

1.2 美國規(guī)范

1.2.1AASHTO規(guī)范

在美國國家公路與運輸協(xié)會AASHTO規(guī)范[3]中規(guī)定:通?？s縫間距受當(dāng)?shù)夭牧虾铜h(huán)境條件影響，縮縫間距隨導(dǎo)熱系數(shù)、溫差和地基摩擦系數(shù)增大而減小，隨混凝土抗拉強度增大而增大，同時還與混凝土面板厚度和填縫料性能有關(guān)；初步估計，素混凝土面板的縮縫間距不應(yīng)大于24倍的面板厚度，且面板的長寬比不應(yīng)大于1.25；考慮工程費用、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和使用性能問題，工程中通常少設(shè)脹縫，一般只用于面板形式變化處或與構(gòu)筑物的交接處。

1.2.2ACI規(guī)范

在美國混凝土協(xié)會ACI 360R-10[4]中規(guī)定：縮縫的間距需要考慮面板設(shè)計方法、板厚、材料、基底摩擦、約束條件、構(gòu)筑物平面布置和溫度、風(fēng)速、濕度等環(huán)境因素；縮縫應(yīng)連續(xù)貫通，不應(yīng)交錯布置，面板盡量呈正方形布置，長寬比不大于1.5；考慮傳遞荷載時，縮縫和施工縫應(yīng)設(shè)置傳力桿，條件允許時可以利用斷面的集料咬合作用或增設(shè)0.1%的鋼筋網(wǎng)并每38 m設(shè)一道帶傳力桿的接縫。素混凝土面板縮縫間距的建議值如圖1所示。

注：1 in=2.54 cm;1 ft=30.48 cm。圖1 ACI 360R-10關(guān)于素混凝土面板縮縫間距建議值

在ACI 224.3R-95[5]中規(guī)定：通過對已有素混凝土面板的使用情況進行觀測，結(jié)果表明素混凝土面板的縮縫間距不應(yīng)大于24倍的面板厚度(尤其對穩(wěn)定類基層不應(yīng)大于21倍，對非穩(wěn)定類基層不應(yīng)大于24倍)，且不能大于6 m；面板盡量呈正方形布置，長寬比不大于1.5；除了與橋梁、固定構(gòu)筑物交接處或不規(guī)則交叉口處需要設(shè)置脹縫，其他情況不需要設(shè)置脹縫；通常接縫設(shè)計中都需要設(shè)置傳力桿，尤其對于重載或交通量大的區(qū)域。

1.3 對比分析

1)美國規(guī)范根據(jù)面板厚度按公式估算接縫間距，并針對不同收縮性混凝土可查表確定，相比中國規(guī)范體現(xiàn)了不同板厚下的差異性。2)中、美規(guī)范均規(guī)定少設(shè)或不設(shè)脹縫，一般在與固定結(jié)構(gòu)銜接處、結(jié)構(gòu)斷面變化處或通道交叉口處設(shè)置，其他情況依據(jù)材料性質(zhì)、環(huán)境條件和當(dāng)?shù)亟?jīng)驗等確定。3)美國規(guī)范接縫設(shè)計通常設(shè)置傳力桿，以減少面板缺陷；中國規(guī)范根據(jù)道路和堆場的鋪面等級與荷載等級進行分類，等級低的區(qū)域，可以不設(shè)傳力桿，采用集料咬合接縫。

2 影響因素

目前中、美規(guī)范對于接縫的設(shè)置主要是依據(jù)工程經(jīng)驗或根據(jù)面板厚度簡單估算，沒有說明溫度、地基和荷載等因素的影響。為了確定更加合理的接縫設(shè)計方法，以下分別從這些方面進行分析。

2.1 溫度

溫度因素主要影響脹縫的設(shè)置，早在20世紀50～60年代國內(nèi)外就已經(jīng)開始了關(guān)于取消脹縫的試驗研究。1983年，美國陸軍工程兵團規(guī)范規(guī)定：對于厚度大于25 cm的路面，如混凝土是在溫暖氣候時鋪設(shè)的，脹縫可以全部取消；如果路面厚度小于25 cm且在寒冷氣候鋪設(shè)的，可能需要脹縫。ACI 223-98[6]通過試驗說明了普通波特蘭水泥混凝土試樣的長度變化特征，總體上混凝土呈收縮趨勢，如圖2所示。

國內(nèi)李麟[7]通過調(diào)查在20世紀50～60年代北京市施工的水泥混凝土路的使用情況，發(fā)現(xiàn)大部分道路的脹縫發(fā)生破壞，縮縫變寬，見表1。齊誠等[8]經(jīng)過對道面長達6年的觀察和2年的測試，建立了板溫與應(yīng)變的橢圓模型，并提出最高氣溫不超過42 ℃、道面厚度在20 cm以上、施工溫度的晝夜平均值在5 ℃以上時，就可以在水泥混凝土路面上取消脹縫。黃保和[9]考慮混凝土面板的臨界熱脹屈曲穩(wěn)定性，運用鐵摩辛柯彈性穩(wěn)定理論，求出常用路面的臨界鋪設(shè)溫度，通過嚴格控制混凝土鋪設(shè)溫度，可以不設(shè)脹縫。蔣國俊等[10]采用有限元法分析了水泥混凝土路面脹縫在不同溫度和車輛荷載下的應(yīng)力變化，其結(jié)果表明，溫度對脹縫破壞影響較小，而車輛超載會造成脹縫兩側(cè)混凝土出現(xiàn)過大的應(yīng)力集中而發(fā)生脆性破壞。

圖2 ACI 223關(guān)于水泥混凝土長度變化特征

表1 水泥混凝土路面調(diào)查結(jié)果

由于混凝土自身的收縮屬性以及在使用過程中由外部引起的振動，使混凝土面板出現(xiàn)移動，接縫間距會逐漸擴大，適應(yīng)混凝土高溫季節(jié)的膨脹需求，并合理地控制施工溫度，則不需要單獨設(shè)置脹縫。

2.2 地基剛度

混凝土面板尺寸確定時，地基剛度越大，板內(nèi)應(yīng)力越小。美國預(yù)拌混凝土協(xié)會(National Ready Mixed Concrete Association，NRMCA)的Brian[11]研究表明，當(dāng)混凝土板長與相對剛度半徑之比大于4.44，橫向裂縫就會增多，即接縫間距隨板厚增大而增大，隨地基剛度增大而減小，公式為：

Lr≤4.44

(1)

(2)

式中：L為混凝土面板長度(mm)；r為相對剛度半徑(mm)；E為混凝土彈性模量(MPa)；h為面板厚度(mm)；μ為混凝土泊松比，取0.15；k為地基反力系數(shù)(MPam)。

墨西哥韋拉克魯斯某集裝箱堆場工程，地基剛度為55 MPam,堆場混凝土面板厚度為40 cm，按NRMCA方法，理論縮縫間距不大于5.8 m?，F(xiàn)場實際縮縫間距為6 m，堆場使用情況良好，面板未出現(xiàn)不規(guī)則裂縫，說明按此標準控制的接縫間距符合使用要求。

2.3 荷載

荷載大小、形式和作用位置均影響受力面板的應(yīng)力分布，以集中荷載為例，分析荷載與混凝土面板縮縫間距的關(guān)系。采用ROBOT有限元計算軟件，分別考慮荷載位于板中、板角和板邊的工況。

混凝土面板的長寬比取1.0，集中荷載取5層重箱的箱角荷載，箱角接地尺寸為178 mm×162 mm(長邊×短邊)，接地應(yīng)力為7.93 MPa。計算模型中混凝土板厚43 cm，下設(shè)厚30 cm的級配碎石墊層，綜合地基剛度為80 MPam，荷載位于板邊的計算模型如圖3所示。

圖3 集中荷載位于板邊模型

分別選取不同的板長，在集中荷載作用下，板內(nèi)最大拉應(yīng)力如圖4所示?？梢钥闯觯?)荷載作用于板邊時應(yīng)力最大，屬最不利工況；2)荷載位于板邊，板內(nèi)最大應(yīng)力先隨板長增加而增大，當(dāng)板長增大到某一值后，板內(nèi)最大應(yīng)力基本不變；3)荷載作用于板角和板中時，板內(nèi)最大拉應(yīng)力基本與板長無關(guān)。

當(dāng)混凝土面板厚度確定后，在劃分板塊尺寸時，需要考慮荷載的作用位置，避免荷載集中作用在板邊。本次計算按5層重箱箱角荷載考慮，結(jié)果顯示當(dāng)板長為5 m時，板內(nèi)最大應(yīng)力達到極值，因此建議板長不大于5 m，這與中國規(guī)范要求相符。

圖4 不同工況下面板最大應(yīng)力與板長的關(guān)系

3 結(jié)語

1)中國規(guī)范規(guī)定混凝土面板長度不宜大于5 m，雖然缺少精確的計算公式，但大量實踐證明符合港區(qū)的使用要求；而美國規(guī)范估算的接縫間距偏大，引起板內(nèi)最大應(yīng)力增加，在港區(qū)鋪面設(shè)計時需要結(jié)合應(yīng)力分析。

2)脹縫兩側(cè)容易出現(xiàn)應(yīng)力集中而發(fā)生脆性破壞，工程中應(yīng)盡量少設(shè)或不設(shè)脹縫；當(dāng)縮縫采用非彈性填料、混凝土采用膨脹性集料或施工溫度過低時設(shè)置。

3)混凝土面板厚度確定后，設(shè)計分縫間距時應(yīng)考慮先采用NRMCA方法復(fù)核，再分析最不利工況下的應(yīng)力分布，確保板塊滿足抗彎和地基承載力要求。

4)在堆箱、堆貨和集卡通道等重載區(qū)域，推薦所有接縫設(shè)置傳力桿，且適當(dāng)選用大直徑的傳力桿，以便更好地傳遞荷載，減少面板缺陷。