连续配筋混凝土路面结构设计与裂缝分析

论文总字数：23066字

摘 要

连续配筋混凝土路面（Continuously Reinforced Concrete Pavement，简称CRCP）是一种高性能、高品质的高等级路面。CRCP在纵向配置足够数量的钢筋，而在横向不设置接缝。与普通混凝土路面相比，CRCP在很大程度上解决了因接缝引起的振动，提高了路面的平整度，提高了行车的舒适性；与此同时，由于未设置接缝，CRCP接缝类病害大大减少。因此，CRCP是高等级公路的理想结构形式。

本文首先介绍了CRCP的研究背景，国内外研究与应用现状。然后参照我国现行规范《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2011）,介绍了CRCP的结构设计原理和设计方法。CRCP的设计主要分为板厚设计、配筋设计和端部锚固设计三个部分。CRCP中钢筋的主要作用是控制裂缝，因此CRCP的板厚设计方法与普通水泥混凝土路面相同。

在CRCP中，裂缝的间距和宽度对路面的使用性能有重大影响。并且紧密裂缝导致的冲断破坏是CRCP破坏的重要形式。因此，本文接下来分析了CRCP裂缝。最后，本文给出了CRCP裂缝控制的一点建议。

关键词：连续配筋混凝土路面 结构设计 裂缝分析

The Structural Design and Crack Analysis of Continuously Reinforced Concrete Pavement

Abstract

Continuously reinforced concrete pavement (CRCP) is a kind of high-grade road with high quality and high performance. CRCP is one of the high performance pavement structures with enough continuous steel bars in the longitudinal direction and without joints in the transverse direction. Compared with JCP (Jointed Concrete Pavement), CRCP eliminates the vibration and noise caused by the joints, improves the pavement evenness, riding quality; at the same time, because of the absence of the joints, The road noodles disease harm caused by joints decrease significantly. So, CRCP is an ideal pavement structures of high-grade road.

At first, this paper introduces research background, the present situation of CRCP research and application at home and abroad. Then according to specifications of cement concrete pavement design for highway, it also tells the theory and method of CRCP design. The CRCP design includes the thickness, reinforcement and anchoring of the end. The steels in CRCP are to control the cracks. Therefore the thickness of CRCP design methods is the same as ordinary cement concrete pavement.

In CRCP, the crack spacing and crack width has an important impact on the quality of the road. At the same time, the punch-out caused by closed spaced cracks is an important form of CRCP failure. Therefore, this paper then analyses the cracks. At last, this paper gives some advice about crack control.

Key words: Continuously Reinforced Concrete Pavement Structural design

Crack Analysis

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 CRCP国内外研究与应用概况 2

1.3 研究内容及技术路线 4

第二章CRCP结构设计 5

2.1 板厚设计 5

2.2.1 板厚设计原理 5

2.2.2 力学模型 5

2.2.3 板厚设计方法 5

2.2 配筋设计 8

2.2.1 钢筋位置布置 9

2.2.2 纵向钢筋设计 9

2.2.3 横向钢筋 13

2.3 端部锚固设计 14

2.4 小结 15

第三章 CRCP结构设计实例 16

3.1 计算参数 16

3.2 板厚设计 16

3.3 配筋设计 19

3.4 端部锚固设计 21

3.5 小结 26

第四章 CRCP裂缝分析 27

4.1 CRCP裂缝形成机理 27

4.2 CRCP裂缝发展规律 27

4.2 CRCP横向开裂的影响因素 28

第五章 结论和展望 32

5.1 结论 32

5.2 展望 33

参考文献 34

致谢 36

1. 绪论
   1. 研究背景和意义

改革开放以来，伴随着我国国民经济的高速增长，交通运输产业也迅速发展，公路里程特别是高等级公路的里程也迅猛增加。并且，高速交通，重载交通占比越来越大，这需要高等级公路有更好的性能。二十世纪八十年代，中国诞生了第一条的高速公路—沪嘉高速公路。自此后，水泥混凝土路面已是高等级公路的主要路面型式。水泥混凝土路面强度高，稳定性强，经济效益好，能见度好，因此广泛应用于中国公路路面中。然而，为了减少冷缩和干缩造成的路面损坏，普通水泥混凝土路面必须设有纵向接缝和横向接缝。设有的接缝，既增加了水泥混凝土路面的施工的难度，又使得路面变得不平，这便造成了路面行车的不舒适。并且，接缝位置处容易引发渗水、冻胀、翻浆之类的病害，而这些病害往往是板块破碎等严重病害的根源。这些缺陷的存在使得水泥混凝土路面的优点得不到应有的发挥，也限制了水泥混凝土路面在我国的进一步的推广和应用。

连续配筋混凝土路面的产生就是为了克服普通水泥混凝土路面上述的种种不足与缺陷。连续配筋混凝土路面在面层的纵向上装配有大量的连续钢筋，这是为了防止水泥混凝土的面层板由于纵向冷缩和干缩而产生横向的裂缝。连续配筋混凝土路面在施工的时候完全不需要在水泥混凝土面板上设置胀缝和缩缝（施工缝、与其他结构物相连处等构造所需要的胀缝除外）。路面表面完整而平坦，既使得行车更加舒适，又使得水泥混凝土面板的强度增加。事实上，在连续配筋混凝土路的水泥混凝土面板上，并不是全部的不存在裂缝。在温度湿度变化引起的内力作用下，以及行车荷载引起的外力作用下，路面会产生许多横向裂缝。但由于配置了许多的纵向钢筋，这些收缩变形被连续的纵向钢筋限制，产生的应力也被钢筋承受。裂缝的平均宽度往往不到1mm，因此裂缝位置处的水泥混凝土仍保持紧密接触。因此，此类肉眼看不到的裂缝不会使水泥混凝土面板丧失整体性。连续配筋混凝土路面在使用性能上就可以像无缝的路面一样，保证了驾乘人员的舒适体验。连续配筋混凝土路面上述良好的性能使其特别适用于高等级公路，地基变形不均匀路段和重载交通路段。在车辆越来越大型，交通荷载越来越重，交通量越来越大的中国，有着广泛的发展应用前景。

因为连续配筋混凝土路面较好的性能，自上个世纪80年代以来，很多发达国家如美国，比利时，英国，日本先后采用这种路面，并取得了良好的效果。我国对CRCP的研究时间尚短，设计理论，设计方法，施工工艺等相关技术还不成熟，规范中的相关条文也比较简单，尚处于摸索阶段。

在我国，适宜于修建高等级公路的沥青产量非常稀少，仅够维修老路。国产沥青由于含蜡量高等原因，往往不能用于修筑高等级公路。同时，进口沥青也因国际石油的价格飙升而显得成本过高。而中国作为水泥生产的大国，积极地去推广应用连续配筋混凝土路面的好处无需赘言。

在此背景下，对连续配筋混凝土路面的相关理论透彻研究，优化其结构设计方法，了解其开裂机理，并从设计和施工的角度提出控制裂缝的建议显得意义重大。

• 1. CRCP国内外研究与应用概况
     1. CRCP国外研究与应用概况

连续配筋混凝土路面的研究与应用历史，要上溯到1921年时期的美国。之后，国外许多道路工作者对其进行了多方面的研究，建立了多种模型，提出了各种观点。

1921年，在美国的哥伦比亚派克出现了世界上第一条连续配筋混凝土试验路，该路段长约600米。1938年，美国又在印第安纳州修筑了多段试验路，并且使试验路的配筋率和钢筋型式不同，在此基础上进行了对比分析和研究。其后，美国在伊利诺伊州、新泽西州、加利福利亚州等地，修筑了多段连续配筋混凝土路面实体工程。到1958年，全美CRCP总里程数已超过两万公里。在德克萨斯州，CRCP的使用甚至被写入州宪法。

理论研究方面，Vetter(1933)曾提出过在干缩和冷缩作用下，计算钢筋应力的理论公式，并给出了设计公式，这奠定了CRCP的设计基础。Texas大学的S.R.Hudson和B.F.McCunogan等人根据理论研究和工程实践，制定了用于设计CRCP的诺谟图。在1975年，美国推出了第一代连续配筋混凝土设计计算流程图—CRCP-1计算程序。其后，经过不断的修正和发展，又相继提出CRCP-2计算程序，CRCP-3计算程序……直至今天的CRCP-10计算程序。

除了美国之外，比利时也是一个CRCP有着较为成熟应用的国家。根据相关文献资料，在1950年左右，连续配筋混凝土试验路开始在比利时产生。在这以后，比利时又修筑了大量的CRCP实体工程。并使其用于重载交通和汽车专用公路上。取得了良好的效果。在1981年之后，在比利时新修建的全部的高速公路在路面结构形式上都采用连续配筋混凝土路面结构形式。

在英国，法国，德国，瑞士，日本等发达国家，CRCP也有着较为广泛的应用。其中在英国，CRCP主要修筑在地基不良的路段，并且使用效果良好。

• • 1. CRCP国内研究与应用概况

我国对CRCP的研究与应用时间尚短，目前还处在摸索阶段。东南大学、长安大学、长沙理工大学等科研院校和相关单位进行了多方面的研究，建立了各种模型来探究CRCP结构受力状态、开裂机理、疲劳机理，并修建了一定数量的试验路段和实体工程，并由此提出了许多值得借鉴的观点，这个过程为我国CRCP的长远发展提供了丰富的成功经验和失败教训。

1989年，中国第一条CRCP由东南大学修建，该试验路位于江苏省盐城市，长约500米。1996年，铜川210国道上修筑了228m 的CRCP，该试验路由长安大学和地方公路部门合作完成。1997年，河南许昌107国道上修筑了10km的CRCP。在2001年，京珠高速公路的湖南耒阳至宜章段采用了连续配筋混凝土面层，该路段长约40.1km，由长沙理工大学与湖南省高速公路公司共同修筑。这是我国第一条真正意义上的CRCP实体工程。张石高速公路的石家庄段采用CRCP基层沥青面层。到目前为止，CRCP在我国的约50段，里程达300km。

理论研究方面：1989年，东南大学的王小林、黄晓明、邓学钧等人最先开始对CRCP的基础理论，设计方法等进行研究，提出了裂缝间距、裂缝宽度的估算方法和控制标准，并提出了端部位移，端部锚固，路面结构的设计计算方法。唐益民等人运用三维有限元模型，分析了路面结构各个参数对荷载应力的影响，得出了横向裂缝间距的下限值。东南大学的陈小兵、黄晓明运用弹性薄板理论，研究了在荷载作用下，脱空地基上CRCP板块的挠度与应力，并得出结论：连续配筋混凝土路面面层板的宽度与厚度对板的最大挠度影响显著；连续配筋混凝土路面面层板的厚度对板的最大应力影响显著。叶丹、黄晓明对CRCP-AC复合路面展开研究，分析了裂缝间距、配筋率、钢筋位置、地基模量等因素对连续配镜混凝土路面的影响。

随着我国学者对CRCP研究的深入和多段CRCP试验路和实体工程的建设，我国越来越认识到CRCP的重要性和优越性。2007年，一个名为“CRCP设计施工技术”的项目在交通部西部交通建设科技项目管理中心正式立项，促进了我国学者对CRCP设计施工技术的研究。相信依靠我国专家学者的努力，我国CRCP的相关设计施工技术必将日益成熟，CRCP在我国必将有更为广阔的应用前景。

• 1. 研究内容及技术路线

本课题研究的是连续配筋混凝土路面，其构件体积庞大，修筑投入资金巨大。因此，本文以实例设计为主。通过查阅大量的文献资料和现行规范《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2011）,掌握我国连续配筋混凝土路面的设计方法并实际设计一条CRCP；了解国外CRCP的设计方法；分析CRCP设计的基本理论，对比国内外的CRCP的设计方法。

大量的理论分析和试验路观测表明，裂缝宽度和裂缝间距对CRCP路用性能有着重大影响。因此本论文接下来重点分析了CRCP的裂缝，具体内容如下:

1. 分析CRCP裂缝形成、发展和破坏的类型和机理；
2. 分析CRCP结构设计中裂缝形成、发展的影响因素和影响程度；
3. 在分析裂缝的基础上从设计施工角度初步提出改进裂缝形成、发展规律的合理化建议。

第二章CRCP结构设计

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