1 绪论
1.1 研究的背景及意义
改革开放以来，随着国家对基础设施建设的投入逐渐增加，我国公路交通建设事业飞猛进，预计到 2035 年，我国公路网可以达到 46 万公里，其中高速公路网 16 万公里，普通国道网 30 万公里。我国用 20 多年的时间走完了发达国家将近 70 年的高速公路建设里程。目前海南省内的道路有一部分是水泥混凝土路面，随着道路交通量以及重载交通比例的增加，再加上海南省特有的地域特征，高温、高湿、高盐、高紫外线这些环境因素对传统的水泥混凝土路面破坏非常严重，道路的使用寿命大大降低，需要经常性的修复，由此可以看出传统的水泥混凝土路面已不再适用，因此开发出具有长期的优良使用性能的路面是今后我国公路建设重点发展方向之一。
连续配筋混凝土路面（Continuously Reinforced Concrete Pavement，简称 CRCP）是在水泥混凝土面层中配置一定量的纵向和横向钢筋，当水泥水化、热效应和外部干燥引起的混凝土体积的变化时，水泥混凝土路面会受到基层和纵向钢筋的共同约束，但因为混凝土路面的早期龄期比混凝土的强度增加得更快，因此，在某一点上混凝土层会开裂，形成横向裂缝，将路面划分为短的、单独的板。依靠纵向钢筋与混凝土之间的粘结力约束混凝土路面板发生收缩变形，从而减少路面横向裂缝的数量和宽度[1]，使路面可以正常使用。连续配筋水泥混凝土路面没有胀、缩缝，是一种出色的长寿命路面解决方案，适用于车流量大、负荷大的道路[2]。在设计和建造得当的情况下，CRCP 可以提供超过 40 年的卓越性能，并且只需极少的维护。CRCP 可轻易加宽以增加容量，并可在使用多年后依然可以成功地覆盖混凝土或沥青[3]。
随着路面使用年限的增加，路面裂缝宽度会在交通荷载、温度荷载、湿度梯度的重复作用下逐渐增大，这导致环境中的盐分和水分容易通过裂缝进入面层中，继而使路面缝裂处钢筋发生锈蚀，钢筋抗弯抗剪能力会因此下降，路面会发生唧泥、错台、冲断等病害，这也是限制 CRCP 推广使用的主要原因。随着钢铁资源的日益匮乏，而且钢筋本身存在着绑扎工序繁琐、无法连续生产、焊接长度大导致资源浪费等等的弊端。寻找钢筋的替代品是发展趋势，这些替代品应具有节能环保，强度高，耐久性好等特点来满足路面使用要求。
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1.2 国内外研究概况
1.2.1 CRCP 国内外研究概况
美国在 20 世纪 30 年代于华盛顿修筑了世界上第一条连续配筋混凝土试验路，总长度为 600m，得出在考虑裂缝间距的情况下，存在最优配筋率的结果。1925 年，在威斯康星州修筑了一条试验路，长度为 600m。后来，在加利福尼亚州、马萨诸塞州修建了多条 CRCP 道路。现在 CRCP 已广泛用于美国的高速公路和机场道路，修建总长度已达32000 公里，经过多年使用，路面状况依然良好[5]。
法国在 1985-1991 年期间，共修筑 20 余条 CRCP 道路。现在已经大规模使用于高速公路的新建与补强工程中。 比利时在1958年开始修筑 CRCP 路面，到70年代CRCP 被广泛应用于高速公路长，至 1990 年比利时修筑的 CRCP 路面面积总计 1800 万平方米[6]。
此外日本、泰国、西班牙、德国、荷兰、英国、挪威等国家也对 CRCP 展开了研究。由于 CRCP 具有承载力强、耐久性好，多年使用后依然能在表面铺筑沥青层等优点，众多国家在高速公路和机场路面中使用 CRCP。
在 CRCP 设计方法的研究中，美国学者 Vetter 在确定纵向最小钢筋配筋率计算公式时，只分析了混凝土温缩和干缩应力作用下的情况，没有考虑车辆荷载的影响，确定的最小配筋率的解析公式，成为了规范中 CRCP 纵向钢筋配筋设计的基础[2]。 美国学者 ZollInger 和 Kadiyala 在 Vetter 模型的基础上，利用非线性有限元的半离散法，使模型更符合 CRCP 路面的实际使用情况，改进分析了路面中因为湿度梯度引起的翘曲应力分布，同时计算了早期出现裂缝后，考虑混凝土蠕变影响的混凝土路面板应力情况，该方法理论上较为完善，但没能解释裂缝开裂原因及裂缝发展的规律[2]。
美国 Dapeng Xin， Dan G.Zollinger 和 Ray W.James 提出了一种新的方法来分析CRCP 纵向变形，分析模型中考虑了温度上升和路面材料碱性硅石反应等因素引起的CRCP 纵向变形[7]。
在国内东南大学陈云鹤分析了 CRCP 路面使用初期裂缝产生过程，建立了 CRCP 早期缝宽的计算模型，得出影响裂缝宽度的主要因素是纵向钢筋的配筋率，裂缝宽度基本上不受路面板的厚度变化的影响[8]。
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2 玄武岩纤维筋连续配筋混凝土路面车辆荷载应力有限元分析
2.1 引言
在 CRCP 路面的刚建成过程中，温度降低引起的收缩与水泥混凝土中水分蒸发带来干缩作用会导致横向裂缝的出现，随着路面使用时间的增长，在重复的车辆荷载和温度荷载等因素的作用下会引起路面板发生断裂[30]。又因为 BFRP 筋是脆性材料，而且抗剪切强低于钢筋。因此，在 BFRP 筋连续配筋混凝土路面设计中，应了解在交通荷载作用下，BFRP-CRCP 路面板内混凝土和 BFRP 筋的受力情况以及裂缝传荷能力的变化状态。本章建立静止车辆荷载作用下 BFRP-CRCP 有限元模型，确定车辆荷载临界位置，选择合理的裂缝传荷能力评价指标，研究不同的设计参数对路面板受力、位移以及裂缝传荷能力的影响。
图 2.2 裂缝截面节点布置示意图
2.2 有限元模型
2.2.1 基本假设 BFRP-CRCP 路面结构模型中采用下面的假定：
(1) 纵向 BFRP 筋沿行车方向呈直线规则排列，横向 BFRP 筋垂直于纵向横向 BFRP筋，并位于纵向 BFRP 筋的下方，混凝土与 BFRP 筋之间完全黏结，两者协调变形；混凝土材料均匀各向同性；面层和基层为均匀、连续、各向同性的弹性体；
(2) 横向裂缝垂直于行车方向，并且贯穿面层，等间距分布，玄武岩纤维筋在裂缝处连续；
(3) 面层与基层完全接触，接触面法向上定义为“硬接触”，接触面上没有摩阻力存在可以滑动[12]。
(4) 车辆荷载采用单轴双轮标准轴载 BZZ-100；
(5) 基层以下采用温克勒地基模型，使用地基反应模量来表示地基的承载能力。
(6) 采用横向裂缝弹簧单元来模拟裂缝之间集料的嵌锁作用，参数为弹簧刚度来表征裂缝之间的传荷作用。
2.2.2 BFRP 筋与混凝土界面模拟
混凝土与 BFRP 筋在使用期内大多数情况下处于弹性工作阶段，BFRP 筋与混凝土之间共同工作不产生相对滑动。对于 BFRP 直径较小且规则排列在的路面内部来说，认为 BFRP 筋与混凝土之间的粘结状况是完全粘结，在计算过程中采 EMBEDDED 方式将筋网内置到混凝土面层里。
2.2.3 裂缝位置处传荷作用
BFRP 筋配筋路面在干缩与温缩的共同作用下，形成横向裂缝，在横向裂缝位置处，认为路面板完全断开，而纵向的 BFRP 筋对混凝土的约束作用限制混凝土面板的位移量不会太大。使裂缝宽度保持在 0.5mm 左右并与路面行车方向垂直。在分析时假设裂缝是直线型以便于分析。
本文通过将整个裂缝接触面的集料嵌锁刚度离散到接触面上对应节点上，通过在对应节点对之间设置竖向弹簧来模拟两个接触面间的荷载传递[12,31]。采用此种方法每个节点可以独立计算，弹簧刚度容易计算出，模型的建立比较简单，得到的结果比较准确可靠，在模型中采用竖向弹簧模拟裂缝间的传荷能力。裂缝模型如图 2.1 所示
图 2.1 裂缝和弹簧单元模型
3 板底脱空状态下的 BFRP-CRCP 车辆荷载应力分析.......................... 36
3.1 引言 ............................. 36
3.2 板底脱空的原因 ............................. 36
4 移动荷载作用下 BFRP 筋连续配筋路面有限元分析 ........................... 45
4.1 引言 ..................................... 45
4.2 移动均布荷载的实现 ........................ 45
5 BFRP 筋连续配筋路面温缩和干缩作用分析 ............................... 64
5.1 引言 ...................................... 64
5.2 水泥混凝土路面开裂过程分析 ................................. 64
5 BFRP 筋连续配筋路面温缩和干缩作用分析
5.1 引言
路面除受到车辆荷载外，还受到由温度降低和干缩作用而产生应力，分别为温度应力和干缩应力。由前文的结论可知，在只有交通荷载的作用下 BFRP 筋配筋路面各结构层所受应力较小，因此本章主要研究温缩和干缩作用下 BFRP 筋连续配筋混凝土路面的受力情况，其中降温荷载分成两部分考虑，一部分是均匀降温引起的温度应力称为温缩应力；另一部分是板厚方向的温度变化产生的翘曲应力，对于 CRCP 路面已有研究指出板翘曲变形引起的混凝土和钢筋的应力和变形很小[42]，只占总应力的 1%，故本文只研究均匀降温时产生的温缩应力，忽略翘曲应力的影响。
路面横向裂缝的出现是由温、干缩以及钢筋和地基对路面板的约束力共同作用引起的。新建水泥混凝土路面随着混合料中水分减少要产生干缩应力，再加上施工期间存在昼夜温差加剧了路面内部的收缩作用。在二者的综合作用下，路面内应力逐渐增加，当应力超过路面板的抗拉强度时，在最大应力位置就会产生裂缝。
在路面面层中部出现第一条裂缝后，路面板分成两块。当面层在温度和干缩的作用下再次收缩，则板体中拉应力也随之增加，超过板体抗拉强度时产生第二次开裂，形成第二批裂缝，如此下去直至收缩应力小于混凝土板的抗拉强度，裂缝便不再增加[21]。
玄武岩纤维筋混凝土面层是在水泥混凝土面层内配置一定数量的纵横向玄武岩纤维筋，配筋的目的是把上述因素导致的开裂的混凝土面层紧筋约束在一起，保证路面裂缝宽度不再继续增加，使接缝面上的集料靠嵌锁作用来继续传递荷载作用，维持路面的正常使用功能。
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6 结论与展望
6.1 研究结论
本文主要通过建立 BFRP 筋配筋路面车辆荷载应力有限元模型，对静载、移动荷载、板底脱空状态下路面的受力状态和裂缝传荷能力进行分析。通过在裂缝之间设置剪切弹簧来模拟裂缝之间的集料嵌锁作用。研究了板底脱空尺寸对路面板力学状态和裂缝传荷能力的影响，分析了不同设计参数对车辆荷载作用下 BFRP 筋连续配筋路面板力学状态的影响。建立 BFRP 筋配筋路面温缩和干缩模型，研究配筋率、纤维筋模量等对路面温缩和干缩应力的影响。得出的主要结论有：
(1) 车辆荷载作用时，路面板弹性模量、基层厚度、基层弹性模量、地基反应模量、BFRP 筋弹性模量、BFRP 筋间距、BFRP 筋直径、BFRP 筋位置对混凝土板的应力状态、裂缝之间的传荷能力影响不显著；考虑到对施工的影响，可以将 BFRP 筋放置于面层中部，裂缝间距对路面板的力学状态影响明显，裂缝间距过小，会导致路面板板宽方向的应力增加，在板底发生脱空时容易发生冲断破坏 。
(2) 地基反应模量对路面板最大竖向位移、挠度比值影响十分显著。提高地基反应模量可以减小混凝土板的竖向位移，减弱混凝土板块之间的传荷能力。
(3) 在只有车辆荷载作用时，BFRP 筋和钢筋配筋两种情况下，路面板所受荷载应力数值较小，荷载应力、板的竖向位移和挠度比值数值接近，随影响参数变化规律相似，钢筋的应力约为 BFRP 筋的 3.5 倍。可以忽略纵向 BFRP 筋对路面板应力的影响，配筋起到的更多是是约束混凝土变形的构造作用。
(4) 在只有车辆荷载作用时，板底脱空时，随着脱空区域宽度的增加，两种配筋方式下，混凝土板板长方向应力都是逐渐减小，而板宽方向应力先增大后减小，当脱空尺寸达到 0.8m×0.8m 时达到最大。钢筋配筋路面板宽方向应力比 BFRP 筋配筋路面略大，板长方向应力比 BFRP 筋配筋路面略小。增加板厚可以明显改善板底脱空状态下的混凝土板的受力状态。
(5) 移动荷载作用下，路面板、BFRP 筋所受应力比静止荷载作用下小。和匀速行驶状态相比，车辆在刹车时对轮迹边缘处路面各结构层的竖向正应力、剪应力影响不显著，对水平方向的剪应力、正应力、BFRP 筋所受轴向应力影响显著。
参考文献 （略）