双层水泥混凝土路面板力学行为特性研究

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水泥混凝土路面加铺水泥混凝土路面双层板结构,在改建结构中具有经济性好、承载力较高等优点,但使用中经常出现层间脱空与过早断板现象。本文采用足尺板试验、数值模拟和理论研究方法,重点从施工早龄期影响的新角度,对双层水泥混凝土路面板脱空、过早断板与施工的关系进行了揭示,并提出了对应的施工控制措施和结构分析计算建议,具体如下:首先通过数值模拟和现场试验研究了双层板施工早龄期温度场特性,研究发现:结合式加铺水泥混凝土路面板早龄期施工温度和梯度与普通水泥混凝土路面差别不大,但设置柔性夹层加铺水泥混凝土路面板正温度梯度则减小,负温度梯度增大,减小了后期运营阶段向上翘曲幅度。面板厚度、太阳辐射强度和养护方式显著影响双层板的早龄期温度和温度梯度,结合施工温度敏感性分析结果,给出了双层板加铺施工技术措施的温度有效控制值量化范围。考虑早龄期固化温度双层板温度应力分析发现,结合式和设沥青夹层双层板考虑施工固化温度后加铺板和旧板温度应力都有显著增大,温度应力峰值在中午或夜间出现。上面板温度应力随加铺厚度增大先增后减,18cm是其敏感厚度,结合式加铺温度应力较柔性夹层双层板大。结合式双层板上板冬季施工负固化温度差与下板夏季正固化温度差组合下加铺板温度应力最大,甚至达到4.7MPa。研究分析结合式双层板不同浇筑时刻、不同固化温度组合下早龄期阶段双层板层间脱空和早期开裂可能性发现,不利固化温度组合下结合式双层板加铺层可能出现早期开裂,双层板板角在浇筑后12h极易出现层间脱空,以早上7:00浇筑最显著。结合车辆共同作用分析表明,在不利固化温度组合作用下加铺层会出现一次性加载过早断板。设沥青夹层双层板相比结合式双层板受力状态有利。基于影响线分析方法,较系统地分析了固化温度、环境温度与移动恒载共同作用下设夹层双层板的力学和疲劳特性表明,加铺板向上翘和向下翘的最不利荷位分别在板角和板中,车辆沿板边缘行驶最不利。对比分析发现,即使是设置柔性夹层,仍然不能改变下板刚性支承的特性,温度应力仍然较一般水泥混凝土路面大,仍然面临过早断板风险,仍需进一步加强施工控制和精细化设计。通过足尺板试验对设沥青夹层双层板的温度、翘曲、位移及应变进行监测,了解了真实双层板块结构的早期力学行为。综合研究表明,选择适宜的摊铺时机、洒水养护、混凝土初始温度、水泥类型、水灰比和集料,都能降低加铺层翘曲量级从而有效提高其使用寿命,其次通过限制车辆轴重、减小加铺层长宽尺寸、增加板厚、提高面板弯拉强度可进一步提高加铺层寿命,宜优先选择设置沥青夹层双层板结构型式。
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