3.3横向裂缝的迭代处理方法由于裂缝处混凝土完全断开,此时混凝土不能承受拉应力,所以裂缝两侧相应结点间联结单元的刚度矩阵中Kx只能为抗压刚度。在开始分析时,裂缝两侧混凝土的拉压状况还是未知,故Kx不能确定。
在分析时,对Kx做如下处理:将Kx从单元刚度阵中分离出来,移到平衡方程的右端作为结点荷载来考虑。而仅将[K1]叠加入总体刚度矩阵中的相应位置。
由平衡方程[K]e{δ}e={P}e得:([K1]+[K2]){δ}e={P}e
在第一次计算时,先不计Kx(即令Kx=0),解出结点位移{δ}后进行判断:(1)若Ui-Uj>0,表示裂缝两侧结点i、j相互嵌入,应计入抗压刚度Kx,将Kx(Ui-Uj)作为结点荷载,并将该结点荷载叠加入上一次计算时的右端荷载列阵,再次迭代计算;直至位移差(Ui-Uj)、即裂缝两侧嵌入值小于某一值ε为止。在裂缝宽度b较小的情况下,通常为b≤0.5mm时,ε取裂缝宽度的1/10左右,即ε=0.05mm;在裂缝宽度b较大,传荷能力减小的情况下,不计裂缝处混凝土的抗压刚度,即不需进行迭代计算,则令ε取一较大数即可。
(2)若Ui-Uj<0,表示裂缝两侧结点在荷载作用下受拉,则认为假定Kx=0是正确的,停止计算。
采用这种局部迭代方法可以模拟裂缝传递横向力的特性,而不仅仅只传递剪力,这对于裂缝宽度很小,传荷能力良好的情况是比较合理的。计算结果表明,采用上述的处理方法可以获得收敛的结果,精度满足要求;并且在迭代过程中,只需对修正后的荷载列阵进行回代求解,而不需重新计算形成总刚度矩阵,因此迭代计算的速度比较快。
结合以上原理,本文编制了CRCP荷载应力分析程序CRCPLS.
4、CRCP荷载应力分析
由于纵向连续钢筋的作用,CRCP成为一种有良好传荷能力的多板系统,各块板共同承受车辆荷载的能力较好。
CRCP的配筋率Ps应由温度、湿度变化的大小来控制设计。在仅受车辆荷载作用时,CRCP纵向钢筋的作用是提高和保持裂缝的传荷能力,从而达到减小荷载应力的目的。
利用程序CRCPLS分析纵向配筋率Ps对路面板荷载应力的影响。计算时取钢筋直径D=14、16、18、20mm,板宽B=4.0m,板厚H=20cm,采用20根Ⅲ级钢筋,相应的纵向配筋率为0.384%、0.50%、0.636%、0.785%,地基弹性模量Es取100、200MPa.计算结果如图4、5所示。
荷载作用在横向裂缝中部如图4所示,不论裂缝间距L及地基模量Es取何值,纵向配筋率Ps增大时将引起板内最大主应力及最大弯沉的减小。但是,当Ps从0.384%增加到0.785%时,应力的减小幅度不大。对于Es=100、200MPa的情况,应力减小分别为5.5%~7.6%和4.4%~6.6%,其中以裂缝间距L<1.0m时减小最多;同样,弯沉的减小也不明显,分别为2.8%~4.2%和3.5%~5.7%。
5、临界荷位
5.1 分析参数取值(1)盐城铺筑的500mCRCP试验路经过6年的营运后发现,其绝大多数横向裂缝的间距L在0.5~3.0m间。因此,分析时采用L=0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0m八种间距来计算CRCP的荷载应力。
(2)对纵向配筋率Ps的分析表明,在通常情况下Ps对荷载应力的影响不大。考虑到结果的安全性,取Ps=0.5%来计算,采用Φ16的Ⅲ级钢筋。
(3)CRCP的板厚H取为20cm,板宽B取4.0、6.0m两种;裂缝宽度取为0.5mm;采用弹性半空间地基,取Es=100、200、300MPa,us=0.35来计算。
(4)计算荷载为Bzz-100,轮胎压强p=0.7MPa;双轮荷载简化为两个边长为19cm的正方形荷载,中心距离32cm.
5.2 计算荷位
(1)参照普通有接缝混凝土路面的临界荷位,分析过程中计算了纵向自由边中部(荷位1),横向裂缝中部(荷位2)两种不同荷位。
(2)为了考虑不同板宽的影响,采用两种板宽4m和6m.
5.3 计算结果的分析
程序的计算结果表明在板厚一定的情况下,横向裂缝间距L及地基模量Es是影响CRCP荷载应力的重要因素。
5.4 临界荷位的确定通过上述分析,可以得出如下结论:
(1)当横向裂缝间距L<1.5~2.0m时(Es较小时,L取下限),临界荷位是荷位2,即为后轴作用在横向裂缝一侧的中部;
(2)当横向裂缝间距L=2~4m时,应分别对荷位1与荷位2进行荷载应力验算,取大值作为控应力;
(3)当横向裂缝间距L>4m时,临界荷位是荷位1,即后轴一侧轮载作用在纵向自由边中部。
6、横向裂缝处的传荷能力
CRCP的裂缝宽度很小,一般在0.5mm左右。裂缝处的传荷能力主要是由纵向连续钢筋的抗剪刚度所提供的。与钢筋的抗剪刚度相比,裂缝处混凝土的集料嵌锁刚度显得较小,并且随裂缝宽度的略微增大而减小很快。
7、结论
通过以上的分析计算,可以得出以下几个结论:
(1)横向裂缝间距是影响CRCP荷载应力与裂缝处钢筋受力的重要因素,较密的横向裂缝对CRCP的受力状况是不利的。设计、施工中应采取相应的措施予以避免。
(2)常用的纵向钢筋配筋率(0.5%~0.7%)对荷载应力的影响很小。
(3)板厚设计时,应对纵缝中部和横向裂缝中部两种荷位进行荷载应力验算,以保证在车辆荷载作用下,路面板不会在横向裂缝间距小的情况下产生纵向断裂;在横向裂缝间距较大时不会产生新的横向裂缝。
(4)横向裂缝处板边缘的钢筋受力最为不利,设计时应将纵向钢筋按边缘密、中间疏的原则来布置。
(5)基层的强度及稳定性仍然很重要。良好的支承条件将明显改善板与钢筋的受力状况。
(6)CRCP横向裂缝的传荷能力要明显优于JCP的接缝,受力状况较JCP有所改善。在地基强度较小的情况下,CRCP的应力、弯沉比相同板厚的JCP分别减小6%~10%和8%;地基支承良好时,CRCP与JCP的应力、弯沉相当。 (考试大收集)