城镇道路连续配筋混凝土路面设计
时间：2023-04-09 14:45:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
谢卓昊
(华设设计集团股份有限公司常州分公司，江苏 常州 213000)
341省道溧阳段改扩建工程起点位于方里村以西，与341省道别桥段线位相接，起点桩号为K18+850.000，路线终点位于青墩立交桥西桥头，终点桩号为K32+823.041。全段均采用双向四车道路基标准断面，按一级公路标准进行设计，设计速度为100 km/h。路段路基全宽26.0 m，中间带3.5 m(含左侧路缘带2×0.75 m)，行车道2 m×2 m×3.75 m，硬路肩2 m×3.0 m，土路肩2 m×0.75 m。路基设计标高为左侧路缘带与中央分隔带相接处的路面标高。路线基本呈东西走向，主要经过别桥镇、竹箦镇等城镇。工程所在地年平均气温15.4 ℃，极端最高气温41.5 ℃，极端最低气温-15.5 ℃，年平均降水量为1 071.4 mm。为消除普通混凝土路面横向接缝，提升路面平整度和行车舒适性，延长路面使用寿命，该道路改扩建段决定采用连续配筋混凝土路面结构。
现行《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2011)与原版本相比，在连续配筋混凝土路面纵向配筋设计方面进行了较大修订，新规范中只有CRCP路面配筋设计方法，而对CRCP路面加铺沥青混凝土面层时配筋设计的相关规定仍不具体和明确。现行规范规定，CRCP路面纵向钢筋必须使用直径12～20 mm的螺纹钢，且钢筋和面层顶面的距离应至少为90 mm；
钢筋设置间距应按照集料最大粒径2.5倍确定，且不超出250 mm，边缘钢筋与纵缝及自由边的距离控制在100～150 mm；
横向裂缝间距应控制在1.8 m左右，钢筋埋设处缝隙宽度应不超出0.5 mm；
纵向配筋率必须结合交通运行实际在0.6%～1.0%之间选取。
CRCP路面及沥青混凝土加铺层设置纵向配筋主要目的在于控制横向裂缝宽度、间距、裂缝对荷载的传递能力、钢筋承受的拉应力以及纵向裂缝对混凝土板边的冲断。现行规范中的有关CRCP路面纵向配筋设计要求其实参照的是美国AASHTO极限准则，控制裂缝宽度的目的在于防止剥落和渗水，控制裂缝间距的目的在于降低剥落和冲断发生的可能，限制钢筋应力的作用在于避免钢筋发生拉断破坏[1]。
依据现行规范及该城镇道路工程实际的基础上，CRCP路面结构分连续配筋混凝土层(CRC层)和加铺层(AC层)两个层次设计，CRCP路面计算模型，其中AC层弹性模量EAC=1 200 MPa，泊松比μAC=0.3；
CRC层弹性模量EC=31 000 MPa，泊松比μC=0.15；
水稳碎石层弹性模量ED=1 000 MPa，泊松比μD=0.25；
土基层弹性模量E=40 MPa，泊松比μ=0.35。在CRCP路面结构中，加铺层(AC层)主要起到分离上下混凝土板的作用，采用分离式加铺结构；
而连续配筋混凝土层(CRC层)则主要对旧水泥混凝土路面结构起到补强作用，改善路面排水性能，提升路面平整度。
3.1 连续配筋混凝土加铺层设计
通过设置混凝土加铺层以起到调平、补强的作用，增强CRCP路面抗滑、平整、抗变形、密水等表面功能。CRCP路面是在路面设置足够数量的纵向钢筋，防止路面板因纵向收缩等原因而发生断裂，为此，该路面形式除应在施工缝和构造内设置胀缝外，其余部位无需设置胀缝和缩缝，所形成的混凝土路面结构完整且平坦，能够有效防止混凝土路面所普遍存在的接缝破坏，同时还能提升路面板结构的整体刚度、承载力和抗水损性能。然而，CRCP路面并非完全没有裂缝，混凝土收缩变形应力等主要受到钢筋约束，所以裂缝一般分散在较多部位，宽度也极其微小，大多裂缝肉眼观察不到[2]。这种微小的裂缝不会影响路面结构的连续性和行车稳定，不影响路面使用效果。但是CRCP路面钢筋用量较多，对施工工序要求也较为严格。
(1)混凝土加铺层的温度效应
沥青混凝土热传导性能、吸收太阳辐射的能力均与水泥混凝土材料不同，当沥青混凝土层厚较小的情况下，层间温度可能会比无沥青混凝土面层的温度高，沥青混凝土层的隔热作用完全得不到发挥。这就表明CRCP路面存在一个临界的沥青混凝土面层厚度。应用传热学原理及ABAQUS有限元软件进行了高温效应下连续配筋混凝土加铺层临界厚度值的分析计算，结果汇总见图1。由图1可知，连续配筋混凝土加铺层厚度只有达到4 cm及以上才能有效发挥隔热效果，综合考虑隔热效果及施工成本，最终将该城镇道路连续配筋混凝土加铺层厚度确定为4 cm[3]。
图1 混凝土层厚与层间温度的关系曲线
沥青混凝土面层厚度还与CRCP路面顶面温度有一定关系，通过试验得知，在不设置沥青混凝土加铺层时CRCP路面顶面温度最高可达51.1 ℃，而当设置厚度在4～14 cm的加铺层后，CRCP路面顶面最高温度的变动趋势与混凝土面层厚度有关，具体见图2。根据图2结果，沥青混凝土面层厚度对CRCP路面顶面最高温度影响较大。当混凝土面层厚度从4 cm增加至10 cm，则CRCP路面顶面最高温度从49.8 ℃降低至42.9 ℃，降幅明显。所以，沥青混凝土层具有较好的隔热效果，能使CRCP路面钢筋拉应力、温度翘曲应力等均降低。
图2 CRCP路面顶面最高温度与混凝土面层厚度的关系曲线
取该城镇道路工程所在地区低温季节24 h的实测气温为代表值，进行温度持续变化情况下沥青混凝土加铺层厚度对CRCP路面顶面温度影响的试验和分析。根据试验结果，在不设置沥青混凝土加铺层时，CRCP路面顶面最高温度为-2.7 ℃，而加铺厚度4～14 cm的沥青混凝土面层后CRCP路面顶面最高温度将会表现出一定程度的波动，具体见图3。由图3可知，沥青混凝土加铺层厚度对CRCP路面顶面最低温度的影响较小，当加铺层厚度从4 cm增加至10 cm，顶面最低温度从-2.7 ℃提升至-2.5 ℃，这表明沥青混凝土加铺层保温效果一般。
图3 CRCP路面顶面最低温度与混凝土面层厚度的关系曲线
(2)路面结构优化
结合初始设计思路及对混凝土加铺层的温度效应的分析，采用有限元分析方法进行该城镇道路CRCP路面荷载应力、温度应力等受力状况的进一步分析，综合考虑重载超载作用的基础上确定配筋量。以控制裂缝间距和宽度及钢筋应力为设计指标，进行了该城镇道路路面结构优化，即主线路面结构为4 cm厚沥青混凝土加铺层+22 cm厚连续配筋混凝土+2 cm厚AC-10沥青混合料隔离层粘层+换板压浆处治后的原水泥混凝土板设计；
硬路肩路面结构为26 cm厚水泥混凝土板+换板压浆处治后的原水泥混凝土板设计。通过现场检测及室内试验进行了方案合理性及适用性验证，验证结果显示，该城镇道路试验路段采用24 cm厚的连续配筋混凝土加铺层在结构上完全可行；
纵向钢筋采用直径18 mm的二级钢筋并按16 cm间距设置；
裂缝间距为1.625 m，裂缝宽度平均为0.91 mm；
钢筋应力168 MPa，比钢筋屈服强度340 MPa小；
横向钢筋采用直径14 mm的二级钢筋并按70 cm间距设置。横纵向钢筋配筋率分别为0.092%和0.663%，满足规范要求。
3.2 配筋设计
连续配筋混凝土路面设计的关键在于配筋设计，包括横纵筋配筋率的确定和钢筋规格、配筋位置确定两个方面的工作任务。
(1)横纵筋配筋率的确定
CRCP路面设计中横向钢筋用量较少，其配筋率应当按照纵向钢筋配筋率的1/8～1/5确定，作用在于确保纵向钢筋间距及稳固钢筋网。结合相关规范及工程经验，横向钢筋应选用直径12 mm的筋材，间距应按照0.8 m的要求确定。
纵向钢筋配筋率应当结合裂缝宽度、裂缝间距、钢筋间距及钢筋应力等参数综合确定，一般控制在0.6%～0.8%，在具体设计过程中，应初拟0.7%的配筋率，再计算并校核裂缝宽度、裂缝间距、钢筋间距和钢筋应力，不断修正，直至满足设计要求。
(2)配筋方案
根据规范及经验公式进行验算，确保裂缝宽度<1 mm，裂缝间距在1.0～2.5 m之间，钢筋间距在100～250 mm，钢筋应力不超出极限拉伸强度。根据验算结果，最终采用直径16 mm的钢筋为纵向筋，配筋率0.72%，钢筋设置间距103 mm，搭接长度40 cm，单面焊接；
横向筋采用直径12 mm的钢筋，并按照60 cm间距设置；
焊接段连线和纵向钢筋夹角控制在45°。
3.3 端部处理
CRCP路面因取消了横向接缝，很容易因混凝土材料热胀冷缩而在路面和其他构造物、沥青路面及混凝土路面连接部位产生纵向位移，进而产生较大的水平推力，破坏路面结构并影响构造物稳定性。为防止端部发生严重位移损坏路面，必须在CRCP路面和构造物、沥青路面、桥梁等衔接处采取合适的端部处理措施，以控制或消除可能出现的纵向位移，确保路面结构稳定运行。常见的端部处理技术包括混凝土灌注桩锚固、地锚梁锚固、设置胀缝、宽翼缘工字梁等。考虑到胀缝施工处理要求较高，如果处理不当，会造成接缝损坏，而混凝土灌注桩造价高，施工过程复杂。综合考虑以上措施的优劣势，按照《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2011)的规定，该道路工程CRCP路面端部主要采用地锚梁锚固及宽翼缘工字梁两种处理措施。
地锚梁锚固方案设计时，应先确定出温度应变最大值，计算地锚梁极限抗剪力及约束力、锚固梁数量，并确定锚固梁和路面板内附加内力，最后根据以上所确定出的参数进行地锚梁和路面板配筋的布置与验算。该城镇道路路基表面摩擦系数取1.5，路基土容重192 000 N/m3，粘聚力0.06 MPa，混凝土材料容重24 500 N/m3。工字梁设计时应先确定出温度应变最大值和端部位移最大值，根据约束位移计算约束力，最后通过有限元法进行锚固系统受力分析。当前国内并无合适且型号规格符合要求的工字钢材料，必须特殊加工。该城镇道路地锚梁外侧应连续设置三道胀缝，工字梁必须和普通混凝土面板连接，混凝土面板再和桥台连接，并增设一道胀缝。
综上所述，路面层结构设计和配筋设计是连续配筋混凝土路面(CRCP路面)设计的主要内容，推荐的设计方法对于现行规范中缝隙宽度、横向裂缝间距等方面的规定具有补充说明的积极作用，在CRCP路面纵向配筋设计方面也充分考虑了温度效应的影响，使设计结果更加契合工程实际。在原设计基础上所进行的原水泥混凝土路面加铺连续配筋混凝土路面的方案可作为类似工程实践的借鉴参考。
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