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PCC+AC复合式路面温度应力分析

发布时间:2017-04-27
【摘 要】 PCC+AC复合式路面结构,由于沥青层的存在使得PCC+AC复合式路面的水泥混凝土板的温度应力与普通水泥混凝土路面的温度应力有较大的不同,并且沥青层厚度的大小直接影响混凝土板的温度应力的大小。所以,有必要对PCC+AC复合式路面的温度应力进行分析研究。本文结合河南省许尉高速公路工程,对PCC+AC复合式路面的温度翘曲应力进行分析,为研究该种路面结构的温度应力提供参考。
 
【关键词】 PCC+AC复合式路面;沥青层厚度;温度应力
 
Abstract:It is different between the thermal sress of cement concrete and asphalt concrete composite pavement and the thermal of cement concrete pavement because of the asphalt layer, and the thermal stress is affected by the thickness of asphalt concrete directly. So , it is necessary to research the thermal stress of composite pavement. In this paper, combined with the Xu-Wei freeway in Henan, the thermal warp stress of PCC+AC composite pavement is analysed, which offered a reference to research this pavement structure.
 
Keywords:PCC+AC composite pavement; the thickness of asphalt layer; thermal stress
 
1 引 言
   PCC+AC复合式路面是一种“刚柔相济”的路面结构形式,既有刚性路面耐久性好的优点,又有柔性路面行车舒适的优点,并且摒弃了这两种路面的某些缺点,作为高速公路和一级公路的路面结构,具有良好的发展前景。由于沥青层的存在使得PCC+AC复合式路面的水泥混凝土板的温度应力与普通水泥混凝土路面的温度应力有较大的不同,并且沥青层厚度的大小直接影响混凝土板的温度应力的大小。对于水泥混凝土路面PCC板的温度应力,国内外已进行了广泛的研究,取得了较大成果,但对于复合式路面中PCC板温度应力的研究,尤其是AC层厚度对PCC板温度应力的影响方面,研究较少。本文将结合河南省许尉高速公路,对PCC+AC复合式路面的温度应力进行分析,着重分析AC层厚度对温度翘曲应力的影响。
2 工程概况
   尉氏至许昌高速公路属国家重点公路日照至南阳的一段,南与许平南高速公路相接,全长64.26公里。本路段起点位于尉氏县东北十八里乡西南侧,接兰考至尉氏段高速公路的尉氏互通式立交,路线向西南经过鄢陵县、许昌县,终点在许昌市区东南侧孙刘赵互通式立交与许平南高速公路相接。许尉高速公路路基宽度28米,采用“柔+刚+柔”型长寿命路面结构型式,具体结构型式为:土基(冲击压实处理)+石灰土或固化剂垫层+二灰碎石基层+防水连接层+水泥混凝土面层+应力吸收层+改性沥青混凝土面层(结构图如图1所示)。
3 PCC+AC复合式路面温度翘曲应力计算方法
   PCC+AC复合式路面结构在PCC板上铺筑了AC层后,大大改善了PCC板的热应力特性,PCC板的温度翘曲应力也与普通水泥混凝土路面有很大差别因此需要对其温度应力进行分析研究。
3.1 无沥青上面层PCC板温度应力计算方法
      对于无沥青上面层PCC板温度应力的计算方法,现行的《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2002)规定:
      最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力按式(1)计算:
                                 
式中:
        ——(无沥青上面层)最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力(MPa);
           ——混凝土的线膨胀系数(1/℃),通常可取为1×10-5/℃;
  ——最大温度梯度,按规范取值;
——综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数,可按/r和h查图2确定(为板长,h为板厚);     
图2  温度应力系数
3.2 加AC层后温度应力修正
   对于许尉高速公路的路面结构,地基(基层、土基)的温度梯度不大,其温度变形可以忽略。水泥混凝土层的参数随温度的变化幅度很小。沥青层的参数随温度而变化,但Ea/Ec也很小,且沥青层的厚度较薄,它们对水泥混凝土层的温度应力影响有限,因此分析水泥混凝土板的应力时,可视水泥混凝土层与沥青层的材料参数为常数。应力分析时,取水泥混凝土层为四边自由,沥青层也为四边自由,其尺寸与水泥混凝土相同。
   数值计算分为两步:前一步为无沥青层(ha=0)时水泥混凝土面层的温度翘曲应力计算;当有沥青层(ha≠0)时,增加了ha、Ea2个计算参数,但Ea变化不大,并对温度应力影响很小,可取为定值。为此,仅取ha不同值,进行温度应力计算,寻求其影响规律和实用计算方法。取温度梯度Tg=1℃/cm,水泥混凝土线膨胀系数αc=1×10-5/℃,沥青混合料线膨胀系数αa=2×10-5/℃,进行大量计算,结果可表示为:
                                                                                                                   
式中

         ——有沥青层时混凝土面层临界荷位处的温度翘曲应力(MPa);
         ——沥青层的温度翘曲应力影响函数。
影响函数可按线性模式回归,系数与混凝土层厚度和模量有关,绘成诺谟图如图3所示。
图3  系数图
由此得到有沥青层的混凝土板温度翘曲应力计算公式为:
                        (3)
4 计算结果分析
取不同PCC板厚和AC层厚进行组合计算,按照规范计算方法计算3m×4m板温度翘曲应力(计算参数均按许尉高速公路结构参数取值),结果列于表1,并绘制柱状图见图4。
表1  有沥青层的PCC板的温度翘曲应力(MPa)

图4 PCC板的温度翘曲应力随PCC板厚和AC层厚度变化图
   由表1和图4可以看出,当水泥混凝土板厚一定时,随着AC层厚度的增加,温度翘曲应力逐渐降低,降低的趋势越来越缓;当AC层厚一定时,随着混凝土板厚的增加,温度翘曲应力逐渐降低,降低的趋势越来越缓。但一味增加AC层厚度和PCC层厚度,从经济角度来看是不可取的。可见,要正确衡量温度翘曲应力与经济的关系,已作出最佳选择。对于许尉高速公路,该种路面结构的温度翘曲应力为0.992MPa,而无沥青上面层的温度翘曲应力为1.652MPa,温度翘曲应力有较大程度的降低,从而减少了由于温度应力而产生的破坏,对延长路面的使用寿命起到很大作用。
 
参 考 文 献
1 王选仓等.《高速公路长寿命路面典型结构成套技术研究》之分报告3复合式路面温度场分布与温度应力分析。河南省交通科技项目
2 景天然,严作人.水泥混凝土路面温度状况的研究.同济大学学报,1980(3)
3 《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002).人民交通出版社,2002
4 姚祖康.水泥混凝土路面设计理论和方法.北京:人民交通出版社,2003
5 胡长顺,王秉纲.复合式路面设计原理与施工技术.人民交通出版社,1999.5
                         
作者简介 高力侠,女,长安大学公路学院,在读2004级硕士研究生,研究方向:路面工程
          郝宇宁,女,长安大学公路学院,在读2004级硕士研究声,研究方向:路面工程

 
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