针对具有离散结构纤维混凝土路面设计的简化方.docx
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针对具有离散结构纤维混凝土路面设计的简化方
Simplifiedmethodforconcretepavementdesignwithdiscretestructuralfibers针对具有离散结构纤维混凝土路面设计的简化方法
SalahA.Altoubata,JefferyR.Roeslerb,*,DavidA.Langeb,Klaus-AlexanderRiederc,1
aCivilEngineeringDepartment,UniversityofSharjah,P.O.Box27272,Sharjah,UnitedArabEmirates建筑工程系,沙迦大学,邮箱编码:
27272,沙迦,阿拉伯联合酋长国
bDepartmentofCivilandEnvironmentalEngineering,UniversityofIllinoisatUrbana-Champaign,205NorthMathewsAvenue,
Urbana,IL61801,UnitedStates土木及环境工程学系,伊利诺伊大学香槟分校,北马修街205号,美国
cW.R.Grace,62WhittmoreAvenue,Cambridge,MA02140,UnitedStates
Received18November2005;accepted25August2006
Availableonline16October2006
Abstract摘要
Theadditionofdiscretemacrofiberstoplainconcreteincreasedtheflexuralcapacityofconcreteslabssupportedonground.添加了离散宏纤维的混凝土提高了混凝土板支持在地面受弯承载能力。
Flexuralstrengthtests(i.e.,ASTMC78)didnotcapturetheaddedtougheningmechanismsfibersimpartedtoconcreteslabs.弯曲强度测试(即,ASTMC78)不能证明添加增韧机制纤维混凝土板。
Basedontheresultsofsmallandlarge-scaletesting,theequivalentflexuralstrengthratio(Re,3)wasusedtoquantifytheincreasedflexuralcapacityofsyntheticandsteel-fiberreinforcedconcreteslabsoverplainconcreteslabs.基于小规模和大规模的测试的结果,等效抗弯强度比(Re,3)被用来量化增加钢筋合成混凝土板比普通混凝土板的弯曲强度。
Aneffectiveflexuralstrengthapproachwasproposedforthedesignoffiber-reinforcedconcretepavements.一个有效的抗弯强度方法,即纤维增强混凝土路面的设计,被提出。
Themethodappliedapercentageincreasetothemodulusofrupture(MOR)ofplainconcretebasedonthemeasuredRe,3valueforthe\,Re,3值基于实测,评估纤维增强混凝土混合物。
TheeffectiveMORaccountsforthecontributionoffiberstotheaddedslabflexuralcapacityandfitsintoexistinglinearelastic-baseddesignguidelinesforconcretepavement.Large-scaletestresultsverifiedtheproposeddesignapproachforfiber-reinforcedconcretepavements.有效的断裂模量来解释,纤维在板抗弯能力上的贡献和适应于混凝土路面现有线性弹性基础设计指南。
大规模的试验结果验证了提出的设计方法——纤维增强混凝土路面。
TheproposedmethodisapplicableforconcretemixturesreinforcedwithrelativelylowvolumefractionsoffibersthatproduceRe,3valuesbetween20%and50%.该方法适用于混合相对较低的体积纤维混凝土混合,来生产Re,3值在20%和50%之间的混凝土。
Suchfiberconcretemixturesarepracticallyandeconomicallyattractiveastheycanbemixed,placed,andcompactedwithnormalpavingtechniques.由于他们可以混合,放置,使得这种纤维混凝土混合物在实用上和经济上具有吸引\并与正常的铺路技术相契合。
Keywords:
Fiberreinforcedconcretematerials;Concretetests;Pavementdesign;Toughness关键词:
纤维增强混凝土材料;混凝土测试;路面设计;韧性
1.Introduction介绍
Discretestructuralfibersaddedtoplainconcreteimprovepropertiessuchasfracturetoughness,ductility,andcrack-widthcontrol.离散结构纤维添加到普通混凝土能够改善性能如:
断裂韧性、延性、裂缝宽度控制。
Fibershavebeenusedintheconstructionofconcretepavementsandslabsongroundforalmost40years[32,29,27,37,11,43].纤维被用于建造混凝土路面和石板地面近40年
Fibershavebeenusedtoimprovethecrackingperformanceofconcretepavements,reducetherequiredslabthickness,andincreasetheallowablejointspacing.Basedonexperience,engineershavetraditionallyimplementedthedesignenhancementsprovidedbyfibers.纤维被用来提高混凝土路面的裂化性能,减少所需的板坯厚度,增加容许节理间距。
根据经验,运用纤维,工程师们在传统上实现了设计改进。
Themechanicalimprovementfibersimparttotheconcrete,suchastoughness,hasnotbeenreflectedincurrentstructuraldesigncodesforconcretepavements.机械改进纤维对混凝土的使用,比如韧性,没有被反映在当前对混凝土人行道的结构设计规范上。
Withoutastandardthicknessdesignapproachandaccompanyingcost-benefitanalysis,therehasbeenlimitedadoptionoffibersinrigidpavementapplications.没有一个标准的厚度设计方法和相应的成本效益分析,这里有限的采用了纤维在刚性路面的应用程序。
1.1.Effectoffibersonconcretepavementperformance纤维在混凝土路面性能上的影响
Rollings[36–38]summarizedtheperformanceofsteelfiber-reinforcedconcrete(SFRC)pavementsforairfields.罗林斯总结了钢性纤维增强混凝土路面的机场的性能
Heconcludedthat1–2%volumefractionsofsteelfiberhadincreasedtheflexuralstrengthoftheconcreteby35–70%andhadincreasedtheultimatecapacityoftheslab,basedonfull-scaletraffickingtestscompletedbytheUnitedStatesArmyCorpsofEngineers(USACOE).他的结论是,基于州陆军工程兵团的全面测试,1-2%的体积分数的钢纤维,增加了35-70%混凝土抗折强度,同时增加了板坯的极限能力。
ParkerdevelopeddesignthicknesscurvesbasedontheUSACOEfibrousconcreteresultsusingaworkingcrackcriterionratherthanthetraditionalapproachofafirstcrackcriterion.基于陆军工程兵团的纤维混凝土的结果,通过使用工作\
Parker’sresultswerefirstimplementedintotheArmy’srigidpavementdesignmanualin1979.于1979年,帕克的军队刚性路面设计手册研究结果第一次实现。
TheresultsbyParkerforhighvolumefractionfiber-reinforcedconcrete(FRC)showedthicknessreductionsof30%and50%forthinconcretelayers(102,152,and178mm).结果通过帕克的高体积分数纤维增强混凝土(FRC)显示,薄混凝土层厚度降低了30%和50%(102、152和178毫米)
DuetothethinnerslabthicknessrequirementsforFRC,Parkerinstitutedamaximumdeflectioncriteriondependingonthenumberofdesignaircraftcoverages.由于根据纤维增强混凝土薄板厚度要求,根据许多设计飞机的保障
RollingsreviewedtheUSACOEfull-scaledataandderivedseveralnewfatiguealgorithmsforSFRCmaterials,whichjustifiedtheuseoftheincreasedfatigueresistanceofFRCoverplainconcretepavementsgiventhesamestressratio.罗林斯回顾了州陆军工程兵团的全面数据和派生几个新的疲劳算法,对钢的材料,合理的使用增加的抗疲劳在普通混凝土路面,给定相同的应力比。
ThemajorityofpublisheddataonFRCpavementtestsectionsandfieldsectionshasbeenwithfibervolumecontentsbetween1%and2%andsignificantlyhighercementcontentsthantypicallyseeninplainconcretepavements.大多数在纤维增强混凝土路面测试公布的数据,部分路段已经纤维体积含量在1%到2%之间,明显高于普通混凝土的水泥成分。
RecentapplicationsofFRCtoslabongroundandconcretepavementhastargetedfibercontentsoflessthan0.5%foreconomicalandconstructabilityreasons.因为经济发展和施工能力的原因,最近应用到板和地面上的纤维增强混凝土纤维含量不足0.5%。
Experimentaltestingofslabsonground(SOG)hasshownsignificantimprovementintheflexuralandultimatecrackingloadoftheFRCslabsovertheplainconcreteslabs[40,9,6,41,13,10,23,34,35].在石板地面(SOG)在普通混凝土板上的弯曲和极限开裂上实验测试,取得了重大进展。
1.2.LaboratoryfatiguestudyofFRC实验室纤维增强混凝土的疲劳研究
LaboratoryfatiguedataintheliteratureincludesconflictingresultsaboutthefatigueresistanceofFRCespeciallyunderflexuralloading.实验室疲劳数据在文字上包括尤其是在弯曲载荷上抗疲劳的纤维增强混凝土的冲突结果。
ThemajorityoflaboratoryfatiguetestsconfirmthatFRCismorefatigueresistantthanplainconcrete[18,31,19],especiallyathighvolumefractions(>1%).大多数实验室疲劳测试,证实纤维增强混凝土比普通混凝土[18,31,19],特别是在高容量分数(>1%)时,纤维增强混凝土更耐疲劳。
ThefatigueresistanceofFRChasbeenfoundtodependonthevolumefraction,fibertype,andfibergeometry.纤维增强混凝土的疲劳抗力被发现依赖于体积分数、纤维类型和纤维几何。
LeeandBarrshowlittledifferenceincompressivefatigueresultsfromasurveyoftheliterature,butfoundameasurabledifferenceintheflexuralfatigueofplainandfibrousconcrete.李和巴尔从一个文献调查上中发现少许不同上网压缩疲劳调查结果,但在普通混凝土和纤维混凝土弯曲疲劳上发现一个可测量的差别。
YinandHsusuggestedfibersonlyassistthefatigueresistanceofconcreteinthelowcycleregion(<103repetitions).阴和徐建议纤维只协助在低周期地区(<103次)抗疲劳强度的混凝土。
ThecharacterizationoffatigueresistanceofFRCbasedonbeamtestingappearsinadequateatlowvolumefractionsoffibers(<0.5%),asitdoesnotalwayspredicttheincreasedcrackingresistance
obtainedfromfull-scaletestsections[34].基于梁测试出现在纤维增强混凝土低体积分数不足的纤维(<0.5%),抗疲劳的特征并不总是从全面的测试部分预测增加的抗裂性[34]。
TheimplicationofsuchaconclusionisthatthefatiguecurvesforFRCobtainedfromthebeamtestingwillbesimilartotheplainconcreteandthusthebenefitsimpartedbyfiberstoconcretepavementswillnotbeaccountedforinthestructuraldesign.言下之意,这样的一个结论是,从梁测试得到纤维增强混凝土的疲劳曲线将类似于纯混凝土,因此纤维混凝土路面带来的好处的不会被计入结构设计。
AnyalternativemethodforthedesignofFRCpavementshouldconsidertheimprovedfractureandfatigueresistanceaffordedtoconcretepavementsbydiscretefibers.任何替代纤维增强混凝土铺路的设计方法,应该考虑离散纤维赋予混凝土铺路断裂和疲劳阻力的改进。
2.Existingconcretepavementdesignmethods现有混凝土路面设计方法
Currentdesignmethodsforconcretepavement(e.g.,[14,28]),adoptlinearelasticanalysisconceptsbasedontheWestergaardstressformulation[44,45].当前对混凝土路面的设计方法(例如,
[14,28]),是基于魏斯特加压力的配方采用线弹性分析概念(44,45]
Theallowablestressintheconcreteislimitedbytheconcrete’sflexuralstrengthormodulusofrupture(MOR).在混凝土的许用应力的限制是混凝土的抗弯强度和模量的破裂(断裂模量)。
Theeffectoffibersontheconcrete’sMORandcompressivestrengthisminimalatvolumefractionslessthanonepercent[15,39].在混凝土的断裂模量和抗压强度上,纤维的影响是最小小于体积分数的百分之一
Therefore,anelastic-baseddesignoffiber-reinforcedconcretepavementswouldrecommendthesameslabthicknessasforplainconcrete.因此,一个基于弹性纤维增强混凝土的设计道路,建议与普通混凝土板坯厚度相同。
AmethodwillbeproposedhereinthatwillaccountfortheknownincreaseinflexuralcapacityofFRCslabsoverplainconcreteandstillallowforuseofexistingconcretepavementdesignprocedures.本文提出了一种方法,这将使增加纤维增强混凝土的已知的受弯承载能力超过纯混凝土,而且仍然允许使用现有的混凝土路面设计程序。
Thepostcrackingstrength(toughness)ofFRC,whichcontributetotheincreasedflexuralcapacityoftheslab,canbecharacterizedusingtheconceptoftheequivalentflexuralstrengthasdiscussedbelow.post纤维增强混凝土的开裂强度(韧性),提供增加的受弯承载能力的板,其特点是使用这个概念的等效弯曲、将在下面被讨论。
2.1.EquivalentflexuralstrengthofFRC纤维增强混凝土的等效抗弯强度
Flexuralstrengthresultsobtainedfrombeamtestshavenotbeenconsistentwiththelarge-scaleexperimentalresultsshowingconsiderabledifferenceintheloadcarryingcapacitybetweenfibrousandplainconcreteslabs[6,8,5,34].不符合大规模的实验结果,从梁测试得到的抗弯强度的结果,显示出纤维混凝土板和普通混凝土板之间负荷能力有相当大的不同。
SincetheMORdoesnotcharacterizethedifferenceinstrengthbetweenplainandFRCslabsorpredictthestaticstrengthoftheslab[48],analternativestrengthmeasureisrequiredtodemonstratethetoughnessbenefitofFRCoverplainconcrete.因为断裂模量没有描述普通混凝土板和纤维增强混凝土板在强度上和预测静强度的不同[48],所以展示纤维增强混凝土在韧性上优于纯混凝土的另一种强度测量是必需的
MoensandNemegeer[25]firstrecommendedusingtoughnessindicestoaccountfortheaddedbenefitoffibersinslabonground(SOG)applications.Moens和Nemegeer[25]首先使用韧性指数来解释纤维板在地面(SOG)应用上带来的好处。
Theimprovementintheresidualstrengtho
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