國外連續配筋混凝土路面應用和研究現狀

邢 進

（吉林省高等級公路建設局，吉林 長春 130021）

0 引言

連續配筋混凝土路面（簡稱CRCP），是在水泥混凝土路面板內沿道路縱向配置一定量的連續鋼筋。通過連續配置的縱向鋼筋來承擔水泥混凝土路面在冬夏溫差作用下產生的溫度應力，因此在整個路面范圍避免了橫縫的設置，從而在一條車道上形成了完整的道路表面，增強了行車舒適性。由于連續配置的縱向鋼筋能有效制約混凝土產生過大的溫度變形，使混凝土因溫度收縮產生的裂縫分散在整條道路的更多部位，較大地減小了裂縫寬度，使裂縫位置對應的混凝土能夠保持緊密地接觸，提高了混凝土路面的整體性，減少了水泥混凝土路面在橫向接縫處產生的病害。因此在西方發達國家，水泥資源豐富的地區較多地采用了連續配筋混凝土路面。

1 國外的應用現狀

早在1920年代，西方世界開始嘗試使用CRCP，經過80多年的應用和研究，表明：連續配筋混凝土路面不設置橫向接縫，改善了混凝土路面的表面平整度；板內配置的縱向連續鋼筋提高了路面的整體性，同時養護和維修費用減少；在重載交通量大和地質不良地段采用CRCP更加具有優勢；將連續配筋混凝土路用在道路改建過程中也有較好的使用效果[1]。目前，在比利時、美國、瑞典、澳大利亞、荷蘭、日本、英國、德國等國家，連續配筋混凝土路面有著較為成熟的應用[2-6]。其中，美國和比利時是使用CRCP最為廣泛的國家[7]。1921年，美國在華盛頓特區修建了世界上第一條長度約600m的CRCP[8]。1938年開始對連續配筋混凝土路面進行系統的試驗研究工作，對不同配筋率和不同鋼筋形式的試驗路進行研究和對比分析[9-10]。此后，在德克薩斯州、伊利諾斯州、新澤西州、加利福尼亞州等地進行了大量的實際工程建設[11]。從20世紀50年代開始，伊利諾斯州在4267公路的洲際高速公路工程中使用了連續配筋混凝土路面，并在其首府芝加哥地區的城際高速公路中都采用了CRCP，顯示出連續配筋混凝土路面具有優異的使用性能，尤其在惡劣天氣情況和交通繁忙的工作條件下有更加優良的表現[12-14]，在德克薩斯州甚至將連續配筋混凝土路面的使用寫入了州憲法當中。截止到1995年，美國的連續配筋混凝土路面建設總里程超過48 300km[15]。比利時在歐洲最早開始修建連續配筋混凝土路面，從20世紀50年代開始修建CRCP試驗路。20世紀80年代之后，比利時所有的高速公路均采用CRCP作為路面結構形式，至20世紀末期比利時大約修建了1 800萬m2的連續配筋混凝土路面[6]。在日本，大約有10 697km的公路使用了連續配筋混凝土路面[16]。澳大利亞也已經制定了較為完善的CRCP設計和施工規范，并在實際道路建造過程中進行推廣[2，17]。英國直到1975年才開始使用CRCP，到1983年修建了27km的連續配筋混凝土路面，1989年英國將連續配筋混凝土路面使用在地質條件很差的高速公路上，修建了一段4.8km長的CRCP，取得了較好的使用效果，之后主要在不良地質地段修建的高速公路工程中采用連續配筋混凝土路面[7，18]。在1994年，馬來西亞在北起泰國邊境、南至新加坡建成了一條850km長的采用連續配筋混凝土路面的雙向高速公路[19]。

2 國外的研究現狀

從1921年建造第一條采用CRCP路面結構形式的道路工程以來，國外學者就開始進行CRCP的研究工作，主要研究內容包括設計、施工和使用性能等方面。為了弄清連續配筋混凝土路面的使用性能，從20世紀50年代以來美國土木工程學會聯合相關科研機構在有關道路養護部門的協助下，對CRCP進行了大量的實際工程調查研究，通過總結多年的CRCP跟蹤觀測數據，完成了一系列有價值的論文和研究報告。得出了非常重要的理論模型、總結了實用性較強的經驗公式和數據回歸曲線圖表。

1933年，美國學者維托（Vetter C.P.）等人以CRCP中混凝土干縮和溫縮應力及鋼筋的屈服強度作為控制因素，計算了CRCP的最小配筋率，并給出了相應的設計公式，奠定了CRCP的設計基礎[16]。Texas大學的S.R.Hudson和B.F.McCunogan等人通過大量的試驗數據和工程調查結果，制定了CRCP設計諾模圖[20-22]。Persson Boe于1969年在裂縫處涂抹瀝青，將CRCP看成在裂縫處彈性鉸接的結構，進行了設計計算和結果分析[23]。McCullough B.F.，Boedecker K.J.等人基于層狀彈性理論在線彈性范圍內對CRCP進行了計算分析，并將該理論應用于連接機場混凝土路面的連續配筋混凝土罩面層[24]。McCullough B.F.跟蹤觀測了186個設有終端錨固系統的CRCP，探索了連續配筋混凝土路面端部錨固系統的工作機理[25]。Anon在1972年給出了考慮端部錨固系統的CRCP設計方法，并制定了過渡時期的規范參考指南[26]。

美國最終在1975年提出了CRCP的設計計算程序，即CRCP－1計算程序，主要用來計算CRCP的混凝土板厚和配筋率。1979年，在CRCP－1的基礎上考慮了端部錨固作用，基于彈性理論，假定地基摩阻力系數不變，截面上溫縮和干縮應力均勻分布，忽略混凝土徐變變形和板的翹曲變形，得出了計算CRCP連續鋼筋和混凝土應力以及混凝土路面板裂縫間距與裂縫寬度的一維縱向力學模型，給出CRCP－2設計程序[27]。此后經過多次的模型改進和參數修正，使設計程序越來越完善，直至給出了CRCP－10[28]，使CRCP的設計日臻成熟。

在CRC P的使用早期，美國在設計理論中，考慮了縱向鋼筋能夠參與承受車輛荷載，使CRCP的路面厚度比普通水泥混凝土路面厚度略小，導致對于交通量較大的道路，出現較為明顯的破壞。這是因為在連續配筋混凝土路面中，為了將裂縫寬度控制在一個合理的范圍內，往往將縱向鋼筋設置在板的中性層附近，以便于承擔由于混凝土干縮和溫縮產生的路面應力，這樣配置鋼筋的形式，使鋼筋協助混凝土路面板承擔彎拉應力的能力極大降低，減薄混凝土路面厚度致使路面造成大量的破壞。基于上述原因，工程設計人員按照普通水泥混凝土路面的計算理論設計CRCP的路面厚度。在現行的AASHTO設計方法中，美國根據實際工程的觀測和調查結果，以裂縫間距、裂縫寬度和鋼筋應力作為CRCP設計中的三個控制性指標，給出了縱向連續鋼筋配筋率的設計諾模圖[1]。使CRCP的設計區域合理，很好地控制了CRCP的各種路面病害，使其應用范圍得到了很好的推廣。

基于美國的觀測結果，國外學者對連續配筋混凝土路面的研究主要從CRCP的裂縫間距和裂縫寬度，考慮在溫縮和干縮作用下路面內縱向鋼筋和混凝土的應力狀態等幾個方面的控制參數入手，最終確定CRCP的配筋率和配筋方式。以此為原則，McCullougn B.F.等人在德克薩斯州建造的采用連續配筋混凝土路面作為路面結構形式的試驗路中，使用了兩種不同類型的粗骨料，設計了不同的配筋率和配筋方式，調查了裂縫寬度、裂縫間距等路面使用狀態，比較了不同參數對CRCP的影響[29]，得出了橫向裂縫是影響CRCP路面力學行為和性能的重要因素，應作為CRCP最重要的設計參數，因為裂縫寬度過大容易導致路面剝落、斷板和縱向鋼筋斷裂等病害[30]。

隨著連續配筋混凝土路面的推廣和研究的深入，工程人員發現影響連續配筋混凝土路面裂縫寬度的重要因素為鋼筋與混凝土之間的黏結性能、地基摩阻力系數、混凝土的導熱效率和抗拉強度等[31]。1972年Xin Da－peng等人基于半無限長路面結構，考慮混凝土路面板與基層之間的地基摩阻力效應以及縱向與混凝土之間的黏結滑移效應，建立了較為合理的微分方程，提出了預測升溫作用下和路面堿集料反應引起的CRCP縱向變形的一維模型，給出了CRCP縱向位移的解析表達式[21]。

美國的相關研究人員除了尋求符合C R CP實際工作狀態的理論模型之外，有相當一部分學者通過對連續配筋混凝土路面試驗路和實際工程的大量跟蹤調查結果，制定了實用性較強的有關CRCP橫向裂縫、病害以及使用壽命等參數的預測模型。Carmichael R.F.等人在得克薩斯州對4個在役的CRCP進行了診斷性研究，給出了計算機輔助預測性能模型，能夠可靠地預測連續配筋混凝土路面的工作狀態[32]。Darter Michael I.通過調查伊利諾伊州的CRCP病害類型和機制，確定了CRCP病害的種類和數量，并將此數據用于維護和改善CRCP設計程序[33]。Saxena S.K.，Dounias G.T.等人研究了機械和環境的壓力的疊加對CRCP的綜合影響，結果表明冬夏溫差對CRCP產生的負荷最為嚴重[34]。McCullough B.F.等人在1986～1995年，在大休斯頓地區建造了85條試驗路，每條路按照粗骨料類型、配筋率、鋼筋直徑、鋼筋布置層數、施工季節等不同參數控制設計了8～22個試驗段，通過長期的連續跟蹤監測，分析了CRCP的溫度裂縫，在此基礎上評估了新的設計元素和施工因素，旨在控制早期裂縫和降低粗骨料的熱膨脹系數。研究結果顯示，溫度裂縫的重要影響因素包括粗骨料類型、施工季節、配筋率和鋼筋直徑[35]。Kim Seong－Min等人基于分層理論，開發了CRCP二維和三維有限元模型，經過與實際觀測數據的對比分析，說明該模型有較好的實用性[36]。Suh Young－Chan等人經過調查得出施工完成后頭3天CRCP出現的裂縫最多[30]。W.Angela J.等人提出了一種CRCP病害的可靠性概率模型，并成功應用于路面管理系統[37]。Lu Jian等人采用最大熵譜分析（MESA）方法分析了不同粗骨料類型的CRCP橫向裂縫間距的分布情況[22]。Selezneva Olga等人探討了CRCP橫向裂縫發生的時空特征，給出了橫向裂縫發展的理論模型，該模型可以系統地表征裂縫間距縱向變化情況[38]。Khazanovich Lev等人基于神經網絡和有限元理論，分析了CRCP的積累病害[39]。Nagataki Shigeyoshi等人利用微膨脹混凝土建造CRCP，得出了加入膨脹劑后，可以消除絕大部分CRCP橫向裂縫[40]。

在亞洲，日本的Tatsuo Nlshaizwa等人基于彈性地基薄板理論和有限元理論，將CRCP比擬成彈性地基上的三層薄板單元，采用彈簧模型裂縫處的連接，建立了有限元模型。結果表明：當裂縫傳荷能力強時，在CRCP路面板的邊緣出現最大應力；當裂縫傳荷能力較弱時，路面板的中間位置出現臨界應力[16]。

3 結語

本文總結了連續配筋混凝土路面在國外的應用情況，系統地介紹了國外對連續配筋混凝土路面的研究成果和研究方法，為我國進行連續配筋混凝土路面的設計和推廣提供了有價值的參考資料。

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