不同因素对混凝土路面温度应力的影响研究

不同因素对混凝土路面温度应力的影响研究

隆友彬

中国水利水电第七工程局有限公司 成都 611730

摘要：本文通过计算混凝土板在温度梯度下的温度应力，分析了板尺寸、温度梯度、模量、厚度对混凝土温度应力的影响规律，研究表明：随着板尺寸、温度梯度的增大和混凝土面板模量的增加，板温度应力线性增大。当板厚度小于21cm时，随着板厚度的增加板的温度应力增加，当板厚度大于21cm时，随着板厚度增加，温度应力随着板厚度减小。当板厚为30cm时板应力为2.69MPa，比板厚度为21cm时，减小了8.2%。负温度梯度时，当板厚为30cm时板中应力为1.65MPa，比板厚度为21cm时，减小了12.7%。因此增加板厚度可以减小板的温度应力。

0引言

温度对水泥混凝土路面结构的承载能力和使用性能都具有重要的影响。温度沿混凝土面层厚度的不均匀分布，使面层板产生翘曲变形。板顶面温度高于板底面温度时，面层顶面的变形大于底面，板中部向上拱起。而在板顶面温度低于板底面温度时面层顶面的收缩变形大于板底，板四边向上翘起，。当混凝土板的变形受到板自重和地基反力等的约束时，板内便会产生翘曲应力。当温度梯度较大时，线性温度梯度产生的翘起应力接近甚至超过车辆荷载应力。因此对水泥混凝土板的温度应力分析在道路工程是至关重要的，本文通过计算混凝土板在最大温度梯度下的温度应力，分析了板尺寸、温度梯度、模量、厚度对混凝土温度应力的影响规律，为从事相关研究人员提供参考。

1.1温度应力计算

根据规范《水泥混凝土路面设计规范》(JTG-2011)，σt，max最大温度梯度时水泥混凝路面板的温度应力(MPa)，按式1确定：

               (1)

式中：t为混凝土线性膨胀系数；

Tg一公路所在地50年一遇温度梯度最大值，BL综合温度应力系数包括翘曲应力和内应力，可按式2确定。

(2)

式中：CL为混凝土面层板的温度翘曲应力系数，L为面层板的横缝间距。

1.2板尺寸对单层板应力影响

为分析不同板尺寸对温度应力的影响，选取单块板模型，板四边自由，不考虑板自重和板基层的影响。根据公式1计算路面材料参数如下：h =24cm，E0=30000Mpa，选取不同板尺寸的模型，2m×2m，3m×3m，4m×4m，5m×5m计算正温度ΔT=80℃/mm，水泥混凝土路面板底应力，如图1。

图1不同板尺寸对板底温度应力的影响

从上图中可以看出，随着板尺寸的增大，板中温度应力逐渐增大。当板尺寸由2m×2m增大为5m×5m，板中应力由0.236MPa增大到3.141MPa，增大了12.309倍，可见板尺寸对水泥混凝土路面板的温度应力影响较大。为方便分析和计算，在下文的分析中不再考虑板尺寸的变化，将板尺寸统一固定为为5m×5m。

1.3温度梯度对单层板应力影响

正温度梯度从20℃/m增加到100℃/m时，面层板顶温度应力如图2（a）所示；负温度梯度从10℃/m变化到50℃/m时，面层板底最大温度应力变化如图2（b）所示。

（a）正温度梯度                     （b）负温度梯度

图2温度梯度对板温度应力的影响

由上图可知，温度梯度对正负温度梯度作用下板应力变化影响规律基本相同。随着温度梯度的增长，板温度应力线性增长。正温度梯度时当正温度梯度从20℃/m增加到100℃/m时，板底应力为例，温度应力由0.65MPa增加到3.49MPa，板温度应力几乎增大了4倍。负温度梯度从10℃/m变化到50℃/m时，板底中部应力也由0.41MPa增加到1.85，也增长了4倍左右。因此板温度应力基于温度梯度正相关。

1.4面层模量对单层板应力影响

正温度梯度ΔT=80℃/mm，负温度梯度时ΔT=50℃/mm面层模量从 20000MPa增加到40000MPa时，板温度应力变化如图3所示。

（a）正温度梯度                        （b）负温度梯度

图3面层模量对板温度应力的影响

由上图可知，面层模量对正负温度梯度作用下板应力变化影响规律基本相同。随着混凝土面板模量的增加，板温度应力也线性增大。正温度梯度时面层模量 20000MPa增加到40000MPa时，板的最大应力从2.32MPa 增加到3.48MPa。增加了50%。负温度梯度时面层模量20000MPa增加到40000MPa时，板的最大应力从1.429MPa增加到2.214MPa，增加了57%，板温度应力和板模量正相关。

1.5面层厚度对单层板应力影响

正温度梯度ΔT=80℃/mm，负温度梯度时ΔT=50℃/mm面层厚度从 18cm 增加30cm时，板温度应力变化如下图所示

图4面层厚度对板温度应力的影响

由上图可知，板厚度对正负温度梯度作用时板的应力影响规律基本相同。正温度梯度时，当板厚度较小时，即厚度小于21cm时，随着板厚度的增加板的温度应力增加，但增加幅度较小，以正温度梯度时板中应力为例，当厚度为18cm时板中应力为2.82MPa，当板厚度为21cm时板中应力为2.91MPa。当板厚度大于21cm时，随着板厚度增加，温度应力随着板厚度减小。当板厚为30cm时板应力为2.69MPa，比板厚度为21cm时，减小了8.2%。负温度梯度时，当板厚度较小时，即板厚度小于21cm时随着板厚度的增加板的温度应力增加，但增加幅度较小。当厚度为18cm时板中应力为1.79MPa，当板厚度为21cm时板中应力为1.86MPa。当板厚度大于21cm时，随着板厚度增加温度应力随着板厚度减小。当板厚为30cm时板中应力为1.65MPa，比板厚度为21cm时，减小了12.7%。因此增加板厚度可以减小板的温度应力。

2结论

本文通过计算混凝土板在温度梯度下的温度应力，分析了板尺寸、温度梯度、模量、厚度对混凝土温度应力的影响规律

（1）随着板尺寸的增大，板中温度应力逐渐增大。随着温度梯度的增长和混凝土面板模量的增加，板温度应力线性增大。

（2）当板厚度小于21cm时，随着板厚度的增加板的温度应力增加，当板厚度大于21cm时，随着板厚度增加，温度应力随着板厚度减小。当板厚为30cm时板应力为2.69MPa，比板厚度为21cm时，减小了8.2%。负温度梯度时，当板厚为30cm时板中应力为1.65MPa，比板厚度为21cm时，减小了12.7%。

（3）增加板厚度可以减小板的温度应力，相关工作者在混凝土面层厚度设计中可参考本文结论。

参考文献：

[1].朱洪洲,张瑞,吴小军等.不同基层类型水泥混凝土路面温度应力的差异[J].公路交通科技,2023,40(03):8-16.

[2].曾惠珍.温度作用下水泥面板的应力特征[J].四川轻化工大学学报(自然科学版),2020,33(01):60-66.

作者简介：隆友彬 (1974.2-)，男，中国水利水电第七工程局有限公司，市政路桥方向高级工程师