交通部西部交通建设科技项目：
连续配筋混凝土刚柔复合式路面研究
合同编号：2008 318 000 72 验收文件-10
研究报告简本
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连续配筋混凝土刚柔复合式路面研究
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一、项目概况
交通部西部交通建设科技项目“连续配筋混凝土刚柔复合式路面研究” (2008 318 000 72)，由长沙理工大学、湖南常吉高速公路建设开发有限公司等单位合作共同完成。在原有研究基础上，2008年01月开始本项目研究，2010年12月结束。
项目开始后开展了项目研究的前期工作，通过科技查新、广泛调研和专家咨询，结合国内外现状，在分析论证的基础上，制定了项目《研究大纲》，并于2008年07月通过交通部西部交通建设科技项目管理中心的评审。
连续配筋混凝土刚柔复合式沥青路面(CRC+AC)是将CRC板的高强度与AC层的行车舒适性相结合的一种新型复合式路面结构，CRC板作为刚性基础，主要起承重作用，表面AC层主要起功能作用。CRC+AC结构整体强度高、使用寿命长、维修费用小，是重载交通高速公路长寿命路面结构的发展方向之一。
在大量现场调研、室内试验和理论分析的基础上，根据CRC+AC路面结构的特点，提出了CRC+AC复合式沥青路面的结构体系理论；分析了CRC+AC结构的损坏模式，提出层间界面的滑动推移与脱落、CRC板边冲断破坏和钢筋拉断破坏等三种主要破坏形式。应用空间等参元有限元模型，对CRC+AC复合式路面结构的荷载应力、温度应力进行了计算，分析了结构的最不利荷位及各参数对CRC板应力的影响规律，得到不同裂缝间距Ld时，CRC板的两种临界荷位，并分析指出最佳裂缝间距Ld=1.5~2.0m时，CRC+AC结构的受力状态最佳。分析了边板配筋与不配筋时CRC板的端部位移，并运用有限元方法进行了验证；分析了考虑路肩边板纵缝拉杆约束条件下滑动区长度L1的计算。提出考虑层间剪切指标的沥青面层厚度设计模式，并综合考虑层间界面剪应力、粘结层材料抗剪强度、沥青面层容许车辙深度的沥青面层厚度确定方式以及层间界面结构形式与材料要求。以板底综合疲劳应力为指标，提出CRC板厚设计方法。分析了裂缝的最佳间距(1.5m~2.0m)和裂缝的合适宽度(0.7mm~1.0mm)，提出了纵向钢筋直径与间距的选择原则、布置方式与要求；提出CRC板的平面尺寸设计、接缝设置。通过修筑CRC+AC及CRCP试验路，实际考察了CRC+AC的路用性能，积累了CRC+AC
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路面的设计与施工经验，成功解决了施工中的一些关键技术问题。
项目成果已应用于湖南省长潭高速公路45km旧水泥混凝土路面改造工程和长永高速公路黄花到永安段8km旧水泥混凝土路面改造工程，并结合湖南省交通厅科技计划项目“湖南公路路面典型结构及修建技术研究”，在湖南省常吉高速公路新建工程修筑了1.2kmCRC+AC试验路，工程使用多年，效果良好，同时项目成果已列入湖南省交通厅推广应用项目。项目申请专利8项，已获实用型专利4项，发表主要论文40余篇，培养博士1名、硕士10余名、工程技术人员20余名。
二、主要研究内容
1) CRC+AC复合式沥青路面结构研究； 2) CRC+AC结构荷载应力与温度应力分析；
3) CRC+AC结构层间界面剪应力分析与沥青面层厚度设计； 4) CRC+AC结构层间界面材料开发与检测评价试验研究； 5) CRC+AC结构端部位移分析与处理技术； 6) CRC+AC复合式沥青路面施工技术； 7) CRC+AC复合式沥青路面试验路修筑与验证。
三、主要研究成果及创新点
1．主要成果
本项目以长潭高速公路、长永高速公路、325国道广东恩平一级公路大修工程为技术依托，根据CRC+AC的结构特点，围绕CRC+AC的设计理论与方法，进行荷载应力、温度应力、端部位移与结构、层间剪应力分析、层间材料抗剪强度试验、CRC+AC结构设计、配筋设计以及施工技术、材料性能与实体工程应用等方面的研究工作，得到以下主要结论：
1) 根据CRC+AC路面结构的特点，提出CRC+AC的结构体系理论；分析CRC+AC结构的损坏模式，提出层间界面的滑动与推移、CRC板边冲断破坏和钢筋拉断破坏等三种主要破坏形式，层间滑动需要通过沥青面层厚度设计与层间结构与材料设计来控制；CRC板边冲断破坏可通过板厚与配筋设计进行控制；钢筋拉断破坏主要是通过配筋设计来满足混凝土体积收缩应力。
2) 根据CRC+AC结构的受力特性和CRC板的受力特点，考虑钢筋与混凝土的粘结关系与变形特点，将分散的纵向钢筋作连续化处理，并平均分配到板宽范
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围，提出了正交各向异性薄层单元，建立了考虑裂缝条件下的CRC+AC荷载应力分析的多板系统有限元计算模型(空间等参元8节点六面体单元)。并对模型地基尺寸与模型收敛性进行分析，通过与其他解析解的验证对比表明，此模型计算精确、结果可靠，可以有效分析CRC+AC结构在车辆荷载作用下的应力状态。
3) 考虑车辆荷载在行车道上的各种可能位置，对CRC+AC结构的不利荷位进行了分析，计算中考虑了不同裂缝间距的影响，得到CRC板两种临界荷位：当裂缝间距Ld≤1.5m时，为横缝边缘中部，横向应力与最大主应力相当；当裂缝间距Ld≥2.0m时，为纵缝边缘中部，纵向应力与最大主应力相当；当裂缝间距Ld=1.5~2.0m时，纵向与横向应力接近并与最大主应力相当，且最大主应力比其他裂缝间距时稍小。裂缝间距Ld=1.5~2.0m时，CRC+AC结构的受力状态最佳。
4) 通过对参数的影响分析，沥青面层厚度的增加可减小荷载应力，但不显著；CRC板厚度的增加，荷载应力明显减小，板厚仍是控制板底应力的有效设计指标；地基模量增强，荷载应力明显减小，因此，适当的地基强度对板的受力是有利的；混凝土材料的模量增大，刚度加强，荷载应力也相应增大；配筋率只对裂缝间距较小时有较大的影响，纵向钢筋对窄板之间的荷载传递起作用；超载明显增大板的荷载应力，应予以控制。为方便CRC+AC结构设计，分析了无沥青面层时CRC板的应力，并绘制诺谟图、回归计算公式，同时提出了地基模量Et的修正系数Kd。
5) 建立了CRC+AC结构温度翘曲应力有限元分析模型，分析了随机横向裂缝条件下、不同裂缝间距时CRC板的温度应力最不利位置，分析了温度梯度、沥青面层厚度、CRC板的厚度、材料导热系数等参数的影响。分析表明，裂缝间距在3m范围内，CRC板的横向温度翘曲应力大于纵向，纵向应力随裂缝间距Ld的增大而增大，裂缝间距Ld>2m时，纵向应力与横向应力接近，并趋于稳定。
6) 本项目在考虑地基摩阻力的同时，考虑路肩边板不配筋时纵缝拉杆对CRC板的阻碍作用，推导出了不受边板拉杆影响时CRC板的端部位移公式，并用有限元软件ANSYS对其进行了验证；也推导出了CRC板在路肩边板不配筋时纵缝拉杆的约束下的端部位移计算公式，并用有限元进行了验证；推导出了考虑路肩边板纵缝拉杆约束条件下滑动区长度L1的计算公式。
7) 对两种条件下端部位移的计算结果进行了比较，CRC板的端部位移随着地基摩阻力的增大而逐渐减小；考虑拉杆约束后的端部位移，由于拉杆的约束作用
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在相同的地基摩阻力下比不考虑拉杆的CRC板的端部位移小。考虑CRC+AC端部位移状况，针对其与CRCP路面的不同，提出了桥梁伸缩毛勒缝的端部处理方式及相应的结构形式。
8) 由于地基摩阻力是决定端部位移以及拉杆受力的一个很重要的参数，根据试验路实测的端部位移数据反推出了实际的半刚性基层地基摩阻力系数f=1.8。
9) 本项目利用弹性层状体系理论和有限元方法，对CRC+AC的层间界面剪应力进行了分析，层间最大剪应力约在轮中心正前0.9δ处，层间最大剪应力随着AC层厚度增加而减小，与CRC板厚度、模量、基层厚度与模量影响不大，荷载应力与水平力的大小影响较大，且结合状态越好，层间最大剪应力越大。就抗剪而言，AC层厚度为6cm～12cm比较经济合适。
10) 本项目应用便携式岩土剪切仪和自行研制的单支承剪切仪、斜剪仪、竖向剪切仪对不同的粘结层材料进行抗剪强度测试，并考虑温度对抗剪强度的影响。利用测试的粘结层抗剪强度和计算的层间剪应力，可求得粘结层的抗剪稳定系数；测试的几种层间粘结材料的抗剪安全系数平均都超过了1.5以上，在正常条件下这几种层间粘结方式是安全的、可行的。
11) 以CRC+AC结构层间界面剪应力分析、层间粘结层材料抗剪强度试验为基础，提出考虑层间剪切疲劳的沥青面层厚度设计模式，并综合考虑层间界面剪应力、粘结层材料抗剪强度、沥青面层车辙容许深度的沥青面层厚度确定方式；并提出层间界面结构与材料要求。
12) 根据CRC+AC结构有限元分析结果，分析了CRC板的临界荷位与荷载组合，以现行规范JTG D40-2002为基础，以板底综合疲劳应力为指标，提出CRC板厚设计方法。提出以横缝边缘中部的荷载应力加相应位置横向温度翘曲应力的荷载组合I为控制CRC板边冲断破坏的最不利荷载模式；并提出极端裂缝间距条件下CRC的板边冲断破坏验算方法。
13) 以JTG D40-2002中CRC板的配筋设计为基础，分析了裂缝的最佳间距(1.5m~2.0m)和裂缝的合适宽度(0.7mm~1.0mm)，提出了纵向钢筋直径与间距的选择原则、布置方式与要求；提出CRC板的接缝设置以及路肩板不配筋时纵缝拉杆的设计；根据CRC+AC结构的端部位移与工程实际，提出端部滑动处理方式，采用桥梁结构的伸缩方式(毛勒缝)并与桥梁结构伸缩装置合并的处理模式。
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14) 通过修筑CRC+AC及CRCP试验路，实际考察了CRC+AC的路用性能，积累了CRC+AC路面的设计与施工经验，成功解决了施工中的一些关键技术问题，包括钢筋制作、安装与支架，混凝土配合比设计与指标，双掺量混凝土材料的膨胀性能控制，施工振捣控制，端部处理施工等。并对试验路进行了跟踪观测，调查了试验路CRC板的裂缝变化情况。
2．创新点
本项目系统研究了CRC+AC复合式路面结构，并在以下几个方面具有创新性： 1) 根据CRC+AC复合式路面结构的特点，形成CRC+AC路面的结构体系理论；分析CRC+AC路面结构的损坏模式，提出层间界面的剪切破坏、CRC板边冲断破坏和钢筋拉断破坏等三种主要破坏形式；指出层间剪切破坏通过沥青面层厚度设计和层间结构与材料设计来控制，CRC板边冲断破坏通过板厚与配筋设计进行控制，钢筋拉断破坏通过配筋设计来满足混凝土体积收缩应力。
2) 对CRC+AC复合式路面结构的荷载应力、温度应力进行了有限元分析，分析各参数对CRC板应力的影响规律；对结构的不利荷位进行了分析，得到不同裂缝间距Ld时，CRC板的两种临界荷位，并指出最佳裂缝间距Ld=1.5~2.0m时，CRC+AC结构的受力状态最佳。为方便结构设计，分析了无沥青面层时CRC板的应力，并绘制诺谟图、回归计算公式，同时提出了地基模量Et的修正系数Kd。
3) 以CRC+AC结构层间界面剪应力分析、层间粘结层材料抗剪强度试验为基础，提出考虑层间剪切疲劳的沥青面层厚度设计模式，并综合考虑层间界面剪应力、粘结层材料抗剪强度、沥青面层车辙容许深度的沥青面层厚度确定方式；并提出层间界面结构与材料要求。
4) 根据CRC+AC的临界荷位与荷载组合，以现行规范JTG D40-2002为基础，以板底综合疲劳应力为指标，提出CRC板厚设计方法。提出以横缝边缘中部的荷载应力加相应位置横向温度翘曲应力的荷载组合I为控制CRC板边冲断破坏的最不利荷载模式；并提出极端裂缝间距条件下CRC的板边冲断破坏验算方法。
5) 根据CRC+AC端部位移分析结果与工程实际，提出CRC板的接缝设置以及路肩板不配筋时纵缝拉杆的设计；提出端部滑动处理方式，采用桥梁结构的伸缩方式(毛勒缝)并与桥梁结构伸缩装置合并的处理模式。
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四、成果应用情况
由于连续配筋混凝土用钢量较大，造价较高，一般公路建设中受投资的影响极少采用，目前CRC+AC复合式路面在国内的应用较少。现行规范JTG D40-2002也只建议在高速公路建设中使用。
2003年长沙理工大学与现代投资股份有限公司长潭分公司、湖南省高速公路管理局在湖南省长潭高速公路旧水泥混凝土路面改造工程中采用CRC+AC复合式沥青路面修筑了44.76km的实体工程；2004年江苏省的沿江高速公路长寿命试验路结构方案中有两段采用CRC+AC结构，其中沥青面层采用10cm结构的有620m和6cm改性沥青SMA-13结构的580m，CRC分别采用26cm和24cm。2005年江苏沪宁高速公路改扩建工程中修筑了长670m、宽14.5m的CRC+AC的试验路。2006年长沙理工大学与现代投资股份有限公司长永分公司在长永高速公路黄花至永安段旧水泥混凝土路面改造工程中修筑了8km的实体工程。2007年河北省张石高速公路石家庄段正在修筑40kmCRC+AC实体工程。2008年湖南省常吉高速公路修筑了1.2kmCRC+AC试验路。
五、成果效益与应用前景
2006年国务院发布了《国家高速公路网规划》，我国将建成8.5万公里的高速公路网络；到2010年底已建成7.3万公里，还有3万多公里的高速公路有待建设；西部地区规划的高速公路，还有许多需要建设，成果应用和市场需求巨大。
本项目的研究成果可作为高速公路复合式沥青路面设计与施工的基本技术保障。有关研究成果将直接用于实体工程，提高路面结构的可靠性，延长路面使用寿命。本项目最终的研究成果将对我国高速公路和城市道路复合式沥青路面设计、施工的技术进步做出贡献。本项研究成果可以作为相关现行《规范》在高速公路路面工程方面的补充和修订的技术基础。因此，本项目的研究成果将具有广阔的推广应用前景。
连续配筋混凝土复合式沥青路面具有较强的整体承载能力和耐久性，路面使用寿命一般在30~50年，10年左右对老化的沥青路面表面层进行维修，其余使用期间一般不需要进行养护维修，只需日常保养，减少了养护维修费用，有效改变了目前公路路面容易损坏的不良社会影响，尤其是目前公路路面早期损坏现象的出现所造成的民众对公路交通建设部门的不满影响。
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本项目采用的新技术和新材料，将带动相关产业的发展，本项目使用的硬质沥青和改性沥青将促进石化部门新产品的开发，形成新的产业；复合式路面层间粘结材料的开发与应用，将带动建筑材料行业新的品种开发与产业化；连续配筋混凝土复合式沥青路面的修筑技术将提升公路工程建设单位的技术水平，提高其在国内的竞争力。
本项目对环境不产生影响，还可由于减少了沥青路面早期损坏，延长沥青路面使用寿命，节约了矿产资源(碎石和沥青)，减少了沥青路面维修中的铣刨量及废弃沥青混合料的堆放对环境的影响，是一种“资源节约型”和“环境友好型”沥青路面，因此，环境效应显著。
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