基于ABAQUS的连续配筋混凝土路面损伤开裂分析

蒋永星，罗会如

(1.中铁隧道勘测设计研究院,河南 洛阳 471009；2、洛阳广播电视大学，河南 洛阳 471099)



基于ABAQUS的连续配筋混凝土路面损伤开裂分析

蒋永星1，罗会如2

(1.中铁隧道勘测设计研究院,河南 洛阳 471009；2、洛阳广播电视大学，河南 洛阳 471099)

连续配筋混凝土路面能够保持路面的平整性和连续性，提高行车舒适性，国内已经逐渐开始推广使用。然而国内某试验段在运营半年后出现了裂缝，而临近的素混凝土路面没有出现。针对该工程背景，采用ABAQUS有限元软件对温度、载荷同时作用下路面结构进行了损伤开裂模拟分析。结果显示，影响路面开裂的主要原因是配筋率偏低、温差较大、地基的弹性模量偏低和路基基层模量偏低等，为以后类似工程提供参考。

连续配筋混凝土路面；裂缝；损伤分析；配筋率

1 工程概况

本工程国内某省道二级公路，设计行车速度80km/h，其基本参数如下：水泥混凝土路面面板厚27cm，铺筑混凝土面板施工分四幅进行，每幅宽3.5m，沿纵向每隔500m设置一道胀缝，采用间距为0.3m的滑动传力杆。每隔4.5m切缝，采用间距为0.3m的传力杆。在连续配筋路面与其他路面相接处未设置锚固系统，钢筋网采用HRB335螺纹钢筋，直径为16mm。

试验路段运营半年后，该路段已经出现大面积的路面网裂、沉陷，横向裂缝沿横向钢筋发展，延伸到整个路面宽度，路面板沿横向钢筋折断，露出钢筋。经检测，多处弯沉值达到了800μm左右，该路已经处于迅速破坏期。而临近的素混凝土路段并未出现类似于连续配筋混凝土路面的裂缝。为了研究CRCP开裂的原因，本文采用ABAQUS软件中自带的混凝土损伤塑性模型对连续配筋混凝土路面及素混凝土路面分别进行了研究，通过分析混凝土开裂的影响因素，找出CRCP路面开裂的原因。

2 温度-荷载作用下CRCP损伤分析

2.1 模型及材料参数

通过参考大量的文献并不断调整地基尺寸，最终确定地基尺寸为5m×3.5m×3m。荷载作用在横缝中部，荷载作用面简化为矩形，作用面积为0.23m×0.16m，假定路基等其他参数满足要求。假定路面各层之间是完全连续的，并选择内置区域方法将粘钢筋结起来。网格划分混凝土采用DC3D8单元，纵向钢筋单元采用DC1D2(两结点热传连接单元)。采用ABAQUS软件中自带的混凝土损伤塑性模型(CDP)进行分析。

表1给出了该路面结构层的材料参数，表2列出了各层路面材料的热力学参数，分析温度场时，利用ABAQUS中的用户子程序DFLUX等对路面结构进行施加太阳辐射、气温热交换和路面的辐射。

表1 路面结构层材料参数

表2 路面材料热力学参数

2.2 温度-荷载作用下CRCP损伤分析

在进行温度-荷载耦合分析时，需要对上述建立的模型进行以下一些更新：(1)采用损伤塑性模型参数代替原材料的热力学参数；(2)边界条件：横向断面采取横向约束，纵向断面采取纵向约束，地基底部采取完全固定约束；(3)选用桁架单元T3D2模拟钢筋单元，C3D8R单元模型模拟路面结构；(4)重新设置正确的分析步，准确读入温度场数据进行力学分析。

对荷载100kN、200kN、300kN、温差27 ℃的路面结构进行温度-荷载模拟计算。通过参考文献，定义当损伤因子达到0.8以上时，结构中将出现宏观裂缝。从图中可以看出，标准轴载作用下(100kN)损伤因子为0，路面尚未发生开裂，200kN作用下损伤因子为0.229 5，有微小裂缝存在，300kN作用下损伤因子达到了0.8以上，有宏观裂缝的出现，说明重载交通作用下，CRCP确实产生了裂缝。对于素混凝土路面，损伤因子不到0.8，尚未出现宏观裂缝，与工程实际情况相符，侧面验证了本文选用的路面结构模型及参数的合理性。

3 CRCP开裂原因分析

3.1 配筋率

(1)配筋率理论验算

通过我国现行规范规定来验算配筋率：①两条裂缝之间的距离应该不小于1.0m，不大于2.5m；②裂缝宽度不能超过1mm；③钢筋所受到的拉应力应小于钢筋的屈服应力。通过计算，横向裂缝间距Ld为3 276.3mm，超出了规范规定。裂缝宽度bj为1.28mm，不满足规范小于或等于1mm的规定。钢筋应力σs487.6MPa>fsy=335MPa，以上均不满足规范的要求，应当调整配筋率。

(2)有限元模拟分析验算

本小节分别选择钢筋直径d为14、16、18mm，配筋率ρ分别为0.34、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9%进行模拟，其他参数保持原始数据不变，得出了路面结构的最大损伤值d、钢筋应力S随配筋率及钢筋直径的变化，如图1、图2。

图1 损伤因子随配筋率、钢筋直径变化

从图中可以得出：①在同一直径下随着配筋率的增加损伤因子、钢筋应力都会产生较为明显的减少。并且损伤因子的变化趋势随着配筋率增加趋势逐渐减慢，说明当配筋率较少时，对混凝土开裂的影响较为明显，但当配筋率增加到一定程度时，配筋率不再是影响混凝土的主要因素；②在同一配筋率下随着钢筋直径的增大损伤因子相应增大，钢筋应力相应减少。产生这两种情况的主要原因是当钢筋直径相同时增大配筋率，或当配筋率相同时减小钢筋直径，钢筋与混凝土之间的接触面积都会增大，钢筋对混凝土的约束能力增强，使路面的整体工作性能提高。所以在设计时，在满足开裂控制的情况下，应选择最低的配筋率、最小的钢筋直径。在该省道公路工程中，应首选的钢筋直径为14mm。另外根据规范要求“冷冻地区的配筋率应在0.7%以上，一般地区的配筋率应当在0.6%以上”，并结合模拟结果，建议提高配筋率至0.6%以上。

(3)纵向配筋率设计

首先选择14mm直径的钢筋，分别假设配筋率为0.6%、0.7%、0.8%、0.9%进行配筋验算。发现配筋率为0.6%、直径为14mm，配筋率为0.7%、直径为14mm时不满足设计要求，所以应选取的最佳配筋率为0.7%、最小钢筋直径为16mm，说明在河南某省道公路工程中配筋率偏低是连续配筋混凝土开裂的原因之一。

3.2 钢筋的位置

调整钢筋距离板底的位置，分别为5、7、9、11、13、15、18cm处，其他参数保持不变，得出面板混凝土的损伤因子d、钢筋应力S随钢筋位置Ls的变化趋势，如图3、图4 。从图中可以分析得出：随着钢筋距离板顶的位置的增大，损伤因子逐渐增大，钢筋应力逐渐降低，说明在温度—荷载共同作用下，混凝土面板主要受到温度的影响使板顶受拉破坏。

图3 d随钢筋位置Ls的变化趋势

图4 S随钢筋位置Ls的变化趋势

3.3 温度的影响

保持其他参数不变，输入热力学参数，调整外界的最大温差变化分别为5、10、15、20、25、30、35 ℃对路面进行模拟，得出路面结构的损伤因子d、钢筋应力S随温差的变化趋势，如图5、图6所示。从图中可以直观的看出，随着温差的增大，损伤因子及钢筋应力迅速增大，在温差达到35 ℃时损伤因子已达到0.9，钢筋应力已大于屈服应力，可以确定路面结构几乎已经完全损坏，所以温度是影响混凝土早期开裂的主要原因之一。

3.4 地基模量的影响

通过调整地基的弹性模量分别为20、40、60、80、100、120、140、160、180、200MPa，其他参数保持不变，得出损伤因子及钢筋应力在不同地基模量条件下的变化趋势(如图7、图8所示)。可以看出损伤因子随着地基模量的增大逐渐减小，且在达到80MPa之前变化较小，超过80MPa以后变化迅速；钢筋应力随着地基弹性模量的增加逐渐降低，说明增加地基弹性模量可以减缓混凝土的开裂。当地基弹性模量小于80MPa时，损伤因子已到达0.85以上，这时混凝土已产生了大量裂缝，板内产生的应力逐渐由钢筋承受，钢筋应力逐渐增大。该工程中的地基弹性模量仅仅为45MPa，说明该路面结构的地基弹性模量偏低，应当对地基进行加固处理，提高其弹性模量。

图5 损伤因子随温差的变化趋势

图6 钢筋应力随温差的变化趋势

图7 损伤因子随地基弹模的变化趋势

图8 钢筋应力随地基弹模的变化趋势

3.5 基层模量的影响

通过调整基层模量分别为200、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600MPa，其他基本参数保持不变，得出不同基层模量Ed下的损伤因子d、钢筋应力S，如图9、图10所示。从图中可以看出损伤因子d、钢筋应力S都随基层模量Ed的增大而减小。说明基层模量越大，对板的支撑越好，路面越不容易发生破坏。该某省道的基层模量为800MPa，通过模拟结果分析，可以适当提高基层模量。

图9 损伤因子随基层模量的变化

图10 钢筋应力随基层模量的变化

4 结 论

(1)本工程纵向配筋率偏小。在该CRCP路面中，纵向配筋率仅为0.34%，不满足规范中最小配筋率为6%的要求。经过计算算，建议本工程纵向钢筋配筋率调整到0.7%以上。

(2)地基弹性模量偏低。当地基较为软弱时，车辆荷载重复作用可能导致其产生塑性变形，引起板块断裂。所以地基模量偏低也是造成混凝土开裂的问题之一。

(3)对于连续配筋混凝土路面，关注配筋率和地基弹性模量的同时，对其他设计参数也要分析研究，为指导CRCP路面进行结构优化设计提供依据。

[1] 王斌，杨军.移动荷载作用下连续配筋混凝土三维有限元分析[J].东南大学学报，2008,9(38)：850-855.

[2] 高英，黄晓明，陈锋锋.基于可靠度的连续配筋混凝土路面配筋率设计方法[J].东南大学学报，2009,39(4)：835-839.

[3] 廖公云，黄晓明.ABAQUS有限元软件在道路工程中的应用[M].南京：东南大学出版社，2008：200-225.

2016-01-18

蒋永星(1987-)，男，河南永城人，助理工程师，主要从事城市地铁监控量测及相关研究。

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