國外連續(xù)配筋混凝土路面應(yīng)用和研究現(xiàn)狀

邢 進(jìn)

（吉林省高等級公路建設(shè)局，吉林 長春 130021）

0 引言

連續(xù)配筋混凝土路面（簡稱CRCP），是在水泥混凝土路面板內(nèi)沿道路縱向配置一定量的連續(xù)鋼筋。通過連續(xù)配置的縱向鋼筋來承擔(dān)水泥混凝土路面在冬夏溫差作用下產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，因此在整個(gè)路面范圍避免了橫縫的設(shè)置，從而在一條車道上形成了完整的道路表面，增強(qiáng)了行車舒適性。由于連續(xù)配置的縱向鋼筋能有效制約混凝土產(chǎn)生過大的溫度變形，使混凝土因溫度收縮產(chǎn)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(yīng)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(chǎn)生的病害。因此在西方發(fā)達(dá)國家，水泥資源豐富的地區(qū)較多地采用了連續(xù)配筋混凝土路面。

1 國外的應(yīng)用現(xiàn)狀

早在1920年代，西方世界開始嘗試使用CRCP，經(jīng)過80多年的應(yīng)用和研究，表明：連續(xù)配筋混凝土路面不設(shè)置橫向接縫，改善了混凝土路面的表面平整度；板內(nèi)配置的縱向連續(xù)鋼筋提高了路面的整體性，同時(shí)養(yǎng)護(hù)和維修費(fèi)用減少；在重載交通量大和地質(zhì)不良地段采用CRCP更加具有優(yōu)勢；將連續(xù)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(shí)、美國、瑞典、澳大利亞、荷蘭、日本、英國、德國等國家，連續(xù)配筋混凝土路面有著較為成熟的應(yīng)用[2-6]。其中，美國和比利時(shí)是使用CRCP最為廣泛的國家[7]。1921年，美國在華盛頓特區(qū)修建了世界上第一條長度約600m的CRCP[8]。1938年開始對連續(xù)配筋混凝土路面進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究工作，對不同配筋率和不同鋼筋形式的試驗(yàn)路進(jìn)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(jìn)行了大量的實(shí)際工程建設(shè)[11]。從20世紀(jì)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(xù)配筋混凝土路面，并在其首府芝加哥地區(qū)的城際高速公路中都采用了CRCP，顯示出連續(xù)配筋混凝土路面具有優(yōu)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(yōu)良的表現(xiàn)[12-14]，在德克薩斯州甚至將連續(xù)配筋混凝土路面的使用寫入了州憲法當(dāng)中。截止到1995年，美國的連續(xù)配筋混凝土路面建設(shè)總里程超過48 300km[15]。比利時(shí)在歐洲最早開始修建連續(xù)配筋混凝土路面，從20世紀(jì)50年代開始修建CRCP試驗(yàn)路。20世紀(jì)80年代之后，比利時(shí)所有的高速公路均采用CRCP作為路面結(jié)構(gòu)形式，至20世紀(jì)末期比利時(shí)大約修建了1 800萬m2的連續(xù)配筋混凝土路面[6]。在日本，大約有10 697km的公路使用了連續(xù)配筋混凝土路面[16]。澳大利亞也已經(jīng)制定了較為完善的CRCP設(shè)計(jì)和施工規(guī)范，并在實(shí)際道路建造過程中進(jìn)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(xù)配筋混凝土路面，1989年英國將連續(xù)配筋混凝土路面使用在地質(zhì)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(zhì)地段修建的高速公路工程中采用連續(xù)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(xù)配筋混凝土路面的雙向高速公路[19]。

2 國外的研究現(xiàn)狀

從1921年建造第一條采用CRCP路面結(jié)構(gòu)形式的道路工程以來，國外學(xué)者就開始進(jìn)行CRCP的研究工作，主要研究內(nèi)容包括設(shè)計(jì)、施工和使用性能等方面。為了弄清連續(xù)配筋混凝土路面的使用性能，從20世紀(jì)50年代以來美國土木工程學(xué)會(huì)聯(lián)合相關(guān)科研機(jī)構(gòu)在有關(guān)道路養(yǎng)護(hù)部門的協(xié)助下，對CRCP進(jìn)行了大量的實(shí)際工程調(diào)查研究，通過總結(jié)多年的CRCP跟蹤觀測數(shù)據(jù)，完成了一系列有價(jià)值的論文和研究報(bào)告。得出了非常重要的理論模型、總結(jié)了實(shí)用性較強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)據(jù)回歸曲線圖表。

1933年，美國學(xué)者維托（Vetter C.P.）等人以CRCP中混凝土干縮和溫縮應(yīng)力及鋼筋的屈服強(qiáng)度作為控制因素，計(jì)算了CRCP的最小配筋率，并給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)公式，奠定了CRCP的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[16]。Texas大學(xué)的S.R.Hudson和B.F.McCunogan等人通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程調(diào)查結(jié)果，制定了CRCP設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算和結(jié)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(nèi)對CRCP進(jìn)行了計(jì)算分析，并將該理論應(yīng)用于連接機(jī)場混凝土路面的連續(xù)配筋混凝土罩面層[24]。McCullough B.F.跟蹤觀測了186個(gè)設(shè)有終端錨固系統(tǒng)的CRCP，探索了連續(xù)配筋混凝土路面端部錨固系統(tǒng)的工作機(jī)理[25]。Anon在1972年給出了考慮端部錨固系統(tǒng)的CRCP設(shè)計(jì)方法，并制定了過渡時(shí)期的規(guī)范參考指南[26]。

美國最終在1975年提出了CRCP的設(shè)計(jì)計(jì)算程序，即CRCP－1計(jì)算程序，主要用來計(jì)算CRCP的混凝土板厚和配筋率。1979年，在CRCP－1的基礎(chǔ)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(shù)不變，截面上溫縮和干縮應(yīng)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(jì)算CRCP連續(xù)鋼筋和混凝土應(yīng)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(xué)模型，給出CRCP－2設(shè)計(jì)程序[27]。此后經(jīng)過多次的模型改進(jìn)和參數(shù)修正，使設(shè)計(jì)程序越來越完善，直至給出了CRCP－10[28]，使CRCP的設(shè)計(jì)日臻成熟。

在CRC P的使用早期，美國在設(shè)計(jì)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(dǎo)致對于交通量較大的道路，出現(xiàn)較為明顯的破壞。這是因?yàn)樵谶B續(xù)配筋混凝土路面中，為了將裂縫寬度控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，往往將縱向鋼筋設(shè)置在板的中性層附近，以便于承擔(dān)由于混凝土干縮和溫縮產(chǎn)生的路面應(yīng)力，這樣配置鋼筋的形式，使鋼筋協(xié)助混凝土路面板承擔(dān)彎拉應(yīng)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?；谏鲜鲈?，工程設(shè)計(jì)人員按照普通水泥混凝土路面的計(jì)算理論設(shè)計(jì)CRCP的路面厚度。在現(xiàn)行的AASHTO設(shè)計(jì)方法中，美國根據(jù)實(shí)際工程的觀測和調(diào)查結(jié)果，以裂縫間距、裂縫寬度和鋼筋應(yīng)力作為CRCP設(shè)計(jì)中的三個(gè)控制性指標(biāo)，給出了縱向連續(xù)鋼筋配筋率的設(shè)計(jì)諾模圖[1]。使CRCP的設(shè)計(jì)區(qū)域合理，很好地控制了CRCP的各種路面病害，使其應(yīng)用范圍得到了很好的推廣。

基于美國的觀測結(jié)果，國外學(xué)者對連續(xù)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(nèi)縱向鋼筋和混凝土的應(yīng)力狀態(tài)等幾個(gè)方面的控制參數(shù)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(xù)配筋混凝土路面作為路面結(jié)構(gòu)形式的試驗(yàn)路中，使用了兩種不同類型的粗骨料，設(shè)計(jì)了不同的配筋率和配筋方式，調(diào)查了裂縫寬度、裂縫間距等路面使用狀態(tài)，比較了不同參數(shù)對CRCP的影響[29]，得出了橫向裂縫是影響CRCP路面力學(xué)行為和性能的重要因素，應(yīng)作為CRCP最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，因?yàn)榱芽p寬度過大容易導(dǎo)致路面剝落、斷板和縱向鋼筋斷裂等病害[30]。

隨著連續(xù)配筋混凝土路面的推廣和研究的深入，工程人員發(fā)現(xiàn)影響連續(xù)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(jié)性能、地基摩阻力系數(shù)、混凝土的導(dǎo)熱效率和抗拉強(qiáng)度等[31]。1972年Xin Da－peng等人基于半無限長路面結(jié)構(gòu)，考慮混凝土路面板與基層之間的地基摩阻力效應(yīng)以及縱向與混凝土之間的黏結(jié)滑移效應(yīng)，建立了較為合理的微分方程，提出了預(yù)測升溫作用下和路面堿集料反應(yīng)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(dá)式[21]。

美國的相關(guān)研究人員除了尋求符合C R CP實(shí)際工作狀態(tài)的理論模型之外，有相當(dāng)一部分學(xué)者通過對連續(xù)配筋混凝土路面試驗(yàn)路和實(shí)際工程的大量跟蹤調(diào)查結(jié)果，制定了實(shí)用性較強(qiáng)的有關(guān)CRCP橫向裂縫、病害以及使用壽命等參數(shù)的預(yù)測模型。Carmichael R.F.等人在得克薩斯州對4個(gè)在役的CRCP進(jìn)行了診斷性研究，給出了計(jì)算機(jī)輔助預(yù)測性能模型，能夠可靠地預(yù)測連續(xù)配筋混凝土路面的工作狀態(tài)[32]。Darter Michael I.通過調(diào)查伊利諾伊州的CRCP病害類型和機(jī)制，確定了CRCP病害的種類和數(shù)量，并將此數(shù)據(jù)用于維護(hù)和改善CRCP設(shè)計(jì)程序[33]。Saxena S.K.，Dounias G.T.等人研究了機(jī)械和環(huán)境的壓力的疊加對CRCP的綜合影響，結(jié)果表明冬夏溫差對CRCP產(chǎn)生的負(fù)荷最為嚴(yán)重[34]。McCullough B.F.等人在1986～1995年，在大休斯頓地區(qū)建造了85條試驗(yàn)路，每條路按照粗骨料類型、配筋率、鋼筋直徑、鋼筋布置層數(shù)、施工季節(jié)等不同參數(shù)控制設(shè)計(jì)了8～22個(gè)試驗(yàn)段，通過長期的連續(xù)跟蹤監(jiān)測，分析了CRCP的溫度裂縫，在此基礎(chǔ)上評估了新的設(shè)計(jì)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(shù)。研究結(jié)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(jié)、配筋率和鋼筋直徑[35]。Kim Seong－Min等人基于分層理論，開發(fā)了CRCP二維和三維有限元模型，經(jīng)過與實(shí)際觀測數(shù)據(jù)的對比分析，說明該模型有較好的實(shí)用性[36]。Suh Young－Chan等人經(jīng)過調(diào)查得出施工完成后頭3天CRCP出現(xiàn)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(yīng)用于路面管理系統(tǒng)[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(fā)生的時(shí)空特征，給出了橫向裂縫發(fā)展的理論模型，該模型可以系統(tǒng)地表征裂縫間距縱向變化情況[38]。Khazanovich Lev等人基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jié)果表明：當(dāng)裂縫傳荷能力強(qiáng)時(shí)，在CRCP路面板的邊緣出現(xiàn)最大應(yīng)力；當(dāng)裂縫傳荷能力較弱時(shí)，路面板的中間位置出現(xiàn)臨界應(yīng)力[16]。

3 結(jié)語

本文總結(jié)了連續(xù)配筋混凝土路面在國外的應(yīng)用情況，系統(tǒng)地介紹了國外對連續(xù)配筋混凝土路面的研究成果和研究方法，為我國進(jìn)行連續(xù)配筋混凝土路面的設(shè)計(jì)和推廣提供了有價(jià)值的參考資料。

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