連續配筋混凝土加鋪瀝青層復合路面溫度應力分析

金衛華

（上海隧道工程有限公司，上海市 200030）

0 引言

連續配筋混凝土加鋪瀝青層復合路面（CRCP+AC復合路面）即在連續配筋水泥混凝土路面（CRCP）上加鋪瀝青層（AC）的復合式路面結構，因其兼備了CRCP路面全壽命周期費用低、使用壽命長和AC路面行車穩定性、舒適性好等諸多優點，在國內外路面改建以及新建工程中受到廣泛的應用推廣[1]。

對于連續配筋水泥混凝土路面的設計，我國現行規范中主要采用以下三項指標來進行控制：

（1）路面平均橫向開裂間距不大于1.8 m。

（2）路面平均裂縫寬度不大于0.5 mm。

（3）鋼筋拉應力不超過鋼筋屈服強度[2]。

以上三項指標的計算確定都與CRCP層、AC層和其他路面結構層的溫度場有關，但是在以往的計算和分析中，通常只對CRCP層的混凝土內部溫度場進行模擬而忽略其他結構層中溫度分布情況對混凝土和鋼筋溫度應力的影響[3]，并且均假設板厚方向溫度梯度為線性分布[4-5]，這顯然與實際情況存在出入。申愛琴[6]的研究結果表明：只有當AC層的厚度小于2 cm時，將其內的溫度梯度設為線性分布與分線性分布計算得到的溫度應力相差不大；當AC層厚于2 cm時，其內部溫度分布將對混凝土和鋼筋的溫度應力計算結果產生顯著影響。另外，在目前的CRCP溫度應力計算中，往往將最高溫度設置為初始溫度[7]，假設在此溫度下混凝土內不存在溫度應力，然后假設降溫連續均勻發生，降溫幅度為溫差值。此種計算方法存在兩個問題：一是沒有考慮路面結構層厚度方向溫度的不均勻分布；二是忽略了溫度隨時間的周期性變化。綜上，前述方法求得的溫度應力值顯然與路面實際情況不符。因此綜合考慮路面各結構層厚度方向的溫度梯度非線性分布和溫度周期性變化，分析總結出CRCP路面的溫度應力變化規律，對于CRCP路面的設計和施工都具有重大意義。

1 有限元模型的建立

1.1 基本假設

建模時考慮路面裂縫的存在，由前期調研可知，CRCP路面裂縫的平均寬度為0.8 mm，平均間距為0.9 m。路面結構模型在深度方向上采用不等尺寸網格劃分，對于CRCP層和AC層進行加密處理。

對于模型做出以下假設：

（1）路面各層材料線彈性均勻并且各向同性。

（2）路面各層材料的熱力學參數保持不變。

（3）同一深度的路面結構具有相同的溫度值，即溫度僅在厚度方向存在不均勻現象。

（4）路面各層之間溫度函數連續、層間接觸連續。

1.2 計算參數

根據工程實際，確定模型的典型路面結構為AC層+CRCP層+水泥穩定碎石基層+土基。結合氣象數據，選取夏季高溫天氣下典型氣溫用于分析計算，其日照時間為6:00—18:00，日照時數為12 h，日最低氣溫為27.2℃，最高氣溫為34.7℃，日太陽輻射總量為25.8 MJ/m2。用于計算的路面結構形式及各層材料熱學參數取值見表1。

表1 計算參數取值

2 混凝土溫度應力分析

欲考慮溫度梯度在路面厚度方向上的非線性分布，需將不同節點的參考溫度設為不同的值，這在ANSYS建模中無法直接實現，故本文通過APDL命令流的方法將第一個荷載步中路面各結構層的溫度場數據讀取出來作為參考溫度，然后一一導入后續荷載步中的溫度場數據并與參考溫度相減，得到每一時刻不同路面結構層的溫度差值，并計算出路面各層每一時刻的溫度應力。圖1為不同時刻瀝青層頂部、底部和混凝土層頂部、底部的溫度應力曲線，可見混凝土頂部溫度應力大于底部，因此后續研究中均取混凝土層頂部的溫度應力值進行分析。

圖1 不同時刻溫度應力隨時間變化曲線

2.1 溫度非線性分布對水泥混凝土溫度應力的影響

申愛琴[6]的結果顯示，當混凝土路面厚度限制在工程常用的范圍內時，與考慮了非線性溫度梯度計算得到的混凝土最大溫度應力相比，不考慮非線性溫度梯度所得結果要大25%～30%。由此可見，非線性溫度梯度對素混凝土板溫度應力的影響不可以忽略。

為研究非線性溫度梯度對CRCP路面板的影響，現以1 d為周期分別設置非線性和線性溫度梯度，對混凝土溫度應力進行計算分析，結果如圖2所示。

圖2 線性與非線性分布下溫度應力對比曲線

由圖2可見，非線性溫度分布計算得到的最大混凝土應力為0.899 MPa，而線性分布得到的結果為1.035 MPa，可知非線性分布比線性分布結果小13.4%。并且與線性分布相比，非線性分布情況下混凝土最大應力出現的時刻要晚近1 h，此時非線性分布最大應力值為0.832 MPa，線性分布為0.944 MPa，非線性分布的計算結果比線性分布小11.9%。

2.2 瀝青層厚度對水泥混凝土溫度應力的影響

設瀝青層厚度分別為6 cm、8 cm、10 cm和12 cm四種不同形式，計算分析不同的AC層厚度對于CRC層溫度應力的影響。圖3是不同AC層厚度下的混凝土層頂面最大溫度應力曲線。從圖中可以看出，當AC層厚度變大時，混凝土層頂的最大溫度應力將減小，并且變化趨勢越來越緩。說明增大AC層厚度可以減小混凝土最大溫度應力，但是當AC層厚度過大時其對于混凝土應力的減小作用也逐步減弱，因此AC層厚度并非越大越好。

2.3 CRC層厚度對水泥混凝土溫度應力的影響

設CRC層厚度分別為18 cm、20 cm、22 cm和24 cm以討論其對混凝土溫度應力的影響。圖4為混凝土層頂部最大應力隨CRC層厚度的變化曲線。由圖可知，當瀝青層厚度很小時（小于6 cm），混凝土層頂面最大溫度應力受CRC層厚度的變化影響很小；當瀝青層厚度較大時（大于8 cm），增加CRC層厚度可以有效降低混凝土層頂部的最大溫度應力。

圖3 混凝土溫度應力隨AC層厚度變化曲線

圖4 混凝土溫度應力隨CRC層厚度變化曲線

2.4 基層摩阻系數對混凝土應力的影響

設基層摩阻系數分別為10MPa/mm、30MPa/mm、50 MPa/mm、80 MPa/mm，以研究基層摩阻系數不同取值對混凝土溫度應力的影響。圖5為混凝土板長方向各點的溫度應力在不同基層摩阻系數下的變化曲線。從圖5可以看出，混凝土板頂最大溫度應力出現在板中，隨著基層摩阻系數的增大，混凝土最大溫度應力也增大，這說明邊界條件相同時，降低混凝土層與基層的層間黏結效應，減小基層摩阻系數，可以減小混凝土的最大溫度應力。

圖5 基層摩阻系數對溫度應力影響曲線

3 結語

針對當前連續配筋混凝土加鋪瀝青層復合路面溫度應力分析中存在的未考慮路面各結構層厚度方向的溫度梯度非線性分布和溫度周期性變化等問題，改進了ANSYS建模中參考溫度的設定，建立了更為符合實際情況的溫度應力分析模型，對影響溫度應力的重要影響因素進行了敏感性分析。所得結果如下：

（1）在其他條件相同的情況下，非線性溫度梯度比線性溫度梯度計算結果小13.4%，且混凝土最大溫度應力出現的時刻要晚近1 h，與實際情況更加接近。

（2）增大AC層厚度可以減小混凝土最大溫度應力，但是當AC層厚度過大時其對于混凝土應力的減小作用也逐步減弱，因此AC層厚度并非越大越好。

（3）當瀝青層厚度很小時（小于6 cm），混凝土層頂面最大溫度應力受CRC層厚度的變化影響很小；當瀝青層厚度較大時（大于8 cm），增加CRC層厚度可以有效降低混凝土層頂部的最大溫度應力。

（4）邊界條件相同時，降低混凝土層與基層的層間黏結效應，減小基層摩阻系數，可以減小混凝土的最大溫度應力。