沥青罩面层对玄武岩纤维连续配筋水泥混凝土路面温缩应力的影响研究

吴超凡

(福建省交通科技发展集团有限责任公司，福州 350004)

连续配筋混凝土路面(CRCP)的早期裂缝一般由温降和混凝土干缩引起[1-2]，CRCP 中的纵向连续钢筋的主要作用是控制温降和干缩引起的横向裂缝， 使得横向裂缝间距在合理的范围内， 不至于出现较小的裂缝间距和过宽的裂缝宽度而导致冲断[3-4]。 为避免因钢筋锈蚀而加速产生的一系列病害，如宽裂缝、冲断等，玄武岩纤维连续配筋水泥混凝土路面近年来受到广泛关注。 国内外学者对其相关的配筋设计、 结构力学性能分析等展开了大量研究[5-7]，但关于加铺沥青罩面层(AC 层)对连续配筋水泥混凝土层(CRC 层)温缩应力的影响研究鲜见报道。

为此，本文基于通用有限元软件ABAQUS 构建玄武岩纤维连续配筋复合式路面模型，对比有AC 层和无AC层对CRC 板中混凝土应力、混凝土位移、钢筋应力和钢筋位移的影响情况，并对AC 层与CRC 层的剪切刚度的影响规律进行敏感性分析。

1 有限元模型

已有研究表明， 选取路面整个宽度与选取带1 根钢筋的板条(宽度为钢筋的间距)的温缩应力计算结果极为接近[8]。 为了减少计算量，本文选取带1 根钢筋的板条进行温缩应力的分析， 同时可根据对称性取出1/2 板条进行分析，如图1 所示。 CRCP 路面板内的纵向钢筋主要抵抗混凝土的收缩变形，由于假设裂缝间距均匀，根据对称性，可认为裂缝处的钢筋位移为零[9]。 在计算分析中作如下基本假设： ①路面各层材料均匀、 完全弹性且各向同性，且热学参数在温度变化范围内保持恒定；②路面厚度范围内温度下降相同；③忽略横向配筋的影响；④横向裂缝贯穿整个路面。

图1 温降干缩板条应力计算示意图

BFRP 筋采用线性梁单元，单元类型为B31，单元大小为0.02 m，AC 层及CRC 层采用八节点实体单元，单元类型为C3D8，单元尺寸为0.02 m。 在温缩应力有限元分析中，选取1/2 的带1 根BFRP 筋的板条进行分析，边界条件为整个模型一侧位移约束， 另一侧自由，AC 层两端位移约束，BFRP 筋两端位移约束，CRC 层底部位移约束，一端(裂缝间距中间处)约束，一端自由。

2 模型参数选取

表1 为AC 层、CRC 层和BFRP 筋 的 基 本 参 数。 其中，BFRP 筋直径为12 mm，间距为8 cm，埋置深度为CRC 层1/2 处；AC 层与CRC 层二者间剪切刚度系数为0.7 MPa/mm；BFRP 筋与混凝土的粘结刚度系数取10 MPa/mm[10]；温降为30℃，横向裂缝间距取2 m。

表1 温缩应力有限元模型基本参数

对于混凝土干缩， 可在有限元模型中以修正混凝土线膨胀系数表征。 计算方法如式(1)：

式中：αc为考虑干缩作用的修正混凝土膨胀系数；αc′为混凝土膨胀系数；ΔT 为温度下降幅度(℃)；εsh为混凝土干缩系数，一般取0.0002。

3 沥青层的影响规律分析

从温度应力的角度来看， 相对于连续配筋混凝土路面而言，由于复合式路面中AC 层的存在，CRC 层中的混凝土及筋材的受力情况也必然发生改变。AC 层的影响主要包括两个方面，一是改变了CRC 层的温度场，二是AC层与CRC 层在温度变化时产生的变形不一致对CRC 层造成的剪切作用。

目前在进行复合式路面混凝土及筋的温度应力分析时，往往忽略AC 层与CRC 层的剪切作用。陈锋锋[11]认为AC 层在复合式路面中主要作用是降低CRC 层的温度梯度， 因而在温度应力分析模型中可忽略AC 层。 但实际上，由于温度变化幅度以及膨胀参数的差异，沥青层和连续配筋层将产生相对错位， 进而产生一定的剪切作用，CRC 层的温度受力也将相应发生改变。 特别是在计算最大温降幅度ΔT 时，对应的是低温时节，此时的沥青混合料接近弹性，塑性效应减弱，剪切作用更不宜简单忽略不计。为比较差异，本节对比分析了考虑与不考虑二者剪切作用两种情况下的混凝土及筋的受力差异， 计算结果如表2 所示。

表2 AC 层影响结果对比

由表2 可知，CRC 层与AC 层的剪切作用对混凝土在裂缝处位移、BFRP 筋的最大应力和位移影响较小，但对混凝土最大拉应力具有较大的影响，从而会影响CRC层的开裂间距， 因此在分析复合式路面混凝土及筋的温度应力时将考虑AC 层与CRC 层的剪切作用。

4 AC 层与CRC 层剪切刚度的影响分析

本节对AC 层与CRC 层剪切刚度系数(KAC)分别选取0.1MPa/mm、0.3 MPa/mm、0.5 MPa/mm、0.7 MPa/mm、0.9 MPa/mm 和1.1 MPa/mm， 以研究层间剪切刚度对CRC 层温降干缩力学指标的影响规律。

4.1 对混凝土最大拉应力的影响

由图2 可知， 无论是BFRP 筋还是钢筋连续配筋复合式路面，混凝土最大拉应力σc均随着层间剪切刚度系数的增大而增大。当剪切刚度系数从0.1 MPa/mm 增大至1.1 MPa/mm 时， 采用BFRP 筋时混凝土最大拉应力从1.709 MPa 增加至2.042 MPa， 钢筋配筋时混凝土最大拉应力从2.999 MPa 增加至3.273 MPa。 因此，在其它参数不变的情况下， 增大剪切刚度系数可引起混凝土最大拉应力增大，从而减小裂缝间距，减小裂缝宽度。

图2 混凝土最大拉应力的变化情况

图3 裂缝宽度的变化情况

4.2 对横向裂缝宽度的影响

从图3 可以看出， 随着AC 层与CRC 层之间的剪切刚度增加，AC 层对混凝土位移约束作用增强， 裂缝处混凝土位移减小，即裂缝宽度减小。 在裂缝间距保持2 m 的情况下， 当剪切刚度系数从0.1 MPa/mm 增大至1.1 MPa/mm 时，BFRP 筋配筋下的裂缝宽度从0.866 mm降至0.838 mm，减小了3.2%。 这说明尽管增大CRC 层与AC 层的剪切刚度系数有利于缩减CRC 的裂缝开裂宽度，但其影响十分有限。

4.3 对筋材最大拉应力的影响

从图4 来看，层间剪切刚度对筋的最大拉应力影响较小。 当剪切刚度系数从0.1 MPa/mm 增大至1.1 MPa/mm时，BFRP 筋的拉应力从241.3MPa 减小至237.4MPa，减小1.6%。 因此，AC 层与CRC 层的剪切刚度对筋的最大拉应力影响基本可以忽略不计。

图4 筋材最大拉应力的变化情况

5 结论

(1)构建玄武岩纤维连续配筋复合式路面的有限元模型，以修正混凝土线膨胀系数表征混凝土干缩，方法可行。

(2)AC 层对CRC 混凝土应力的影响十分显著，当AC 层与CRC 层的剪切刚度系数从0.1 MPa/mm 增大至1.1 MPa/mm 时，混凝土最大拉应力从1.709 MPa 增加至2.042 MPa，增幅为19.5%。

(3)AC 层对CRC 混凝土位移、 玄武岩纤维筋(BFRP筋)的应力和位移影响较小，可忽略不计。 但对混凝土应力影响十分显著。

(4)AC 层对CRC 层温缩应力的影响规律对采用钢筋的CRCP 同样适用。