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[摘 要] 研究斜向布筋在路面低温收缩时的止裂作用。通过理论分析及室内试验，在混凝土板中布置斜向钢筋，利用其结构特性，以横向变形补偿纵向变形的需要，抵消纵向的温缩应力，达到止裂的目的。通过理论分析表明，斜向布置的钢筋在低温收缩变短时，由于路面纵向无限长的特点所决定的约束条件，纵向不发生位移。即斜向布置的钢筋组成的网状结构沿路面横向收缩，以此作用于混凝土，使混凝土沿路面横向受压，并将其产生的纵向压应力补偿由于低温收缩产生的拉应力。通过了理论分析与实验的研究已经发现斜向布置钢筋能够有效的防止温缩裂缝的产生。
[关键词] 斜向布筋 路面裂缝 温缩应力 温缩裂缝
1、概述
道路的横向断裂一直以來困扰着工程界，大量的研究已经证实其主要原因是由于低温收缩所引起的内部温度应力超过了材料的抗拉强度所至，但由于道路铺装材料无论是水泥混凝土还是沥青混凝土都存在着抗拉强度低，而低温延性差的特性，使得路面在低温收缩过程中受到纵向变形的限制导致温度应力的积累，最终超过了材料的抗拉强度，体现断裂力学观点中的第一类裂缝。预应力在桥梁构件中的应用有效的防止裂缝的发生，说明当采用某种方法致使材料中不出现拉应力，第一类型的裂缝将不会出现。道路作为特殊的结构，曾有人作过尝试，都由于各种原因而未能获得成功。其中的一个原因是道路为一个在纵向即行车方向为无限长，从力学角度看，在横向上是自由的，竖向是半自由的一种带状结构，传统的预应力方法无法实现，因此，至今无论是质量如何优良的高等级路面，都无法避免横向裂缝的产生。
2、斜向布筋
斜向布筋可以从根本上防止横向裂缝的产生。从力学观点出发，当温度下降时，道路沿纵向的质点只有不发生位移才不会产生温度应力的积累，质点间由于温缩变形所产生的拉应力，如果能得到变形的补偿，即通过横向的压缩来补偿这部分的变形，则质点间的温度应力也不会产生。就水泥混凝土，沥青混凝土本身都不具备这种特性。但当尝试斜向布置的钢筋与水泥混凝土或沥青混凝土材料共同工作，将会实现横向变形补偿纵向变形的情况。斜向布置钢筋如图1所示
图1斜向布置钢筋
由斜向布置的钢筋本身所形成的是一个斜向的钢筋网，作为一个无限长的钢筋网，在分析的过程中可以看成为两端受到固定约束的有限长钢筋网。
当温度下降，钢筋网的收缩只有横向的，或者换句话说，钢筋上的任意一点，在钢的产生收缩时，只有横向的位移，而不会出现纵向的位移。钢的长度的收缩由于纵向的约束只是使得钢筋网的钢筋相交的角度产生了变化，整个筋网只有横向尺寸的减少。这是斜向布置解决路面横向断裂的关键特性。将水泥混凝土或沥青混凝土铺设在斜向的筋网上，就将会实现横向变形补偿纵向收缩变形，或者认为钢筋横向尺寸收缩作用在水泥混凝土或沥青混凝土上的压应力将在纵向上产生压应力的抵消，由于温度降低所产生的拉应力被抵消，横向裂缝不会产生。
3、理论说明
斜向位置防止温度裂缝的理论支持是弹性力学中的“做功互等原理”弹性理论认为：
第一状态的力系，包括惯性力在第二状态的相应弹性位移上所做的功，等于第二状态的力系在第一状态的相应的弹性位移上所做的功。
其关系如下:
图2 板在受压和受拉时的模拟效果图
如果要求这二力在杆内所产生的应力，这是一个复杂问题，但如我们所要求的不是应力而是杆的总伸长δ，则这个问题立刻可用互等定理来解答。为此，我们设在弹性物体上作用着二个外力系（就是两个表面力和体积力系），产生两个应力，形变和弹性位移系，形成两个状态。
（1）第一状态 表面力和体积力为
第一状态的力系，包括惯性力在第二状态的相应弹性位移上所做的功，等于第二状态的力系在第一状态的相应的弹性位移上所做的功。
4、试验说明
通过试验验证钢筋与路面材料能够共同工作，在温度变化的范围内同时变形，可以为斜向布筋止裂提供有力的根据。在实际的道路上布筋进行试验，一开始是不现实的，但只要小型板试验可以初步说明钢筋与水泥混凝土材料可以同时工作。实验室的试验应该是布置不同直径钢筋的网状结构，改变板的厚度、纵向约束、降低温度，观测板的横向变形，从而完成斜向布筋止裂的试验说明，只是由于条件所限目前还没有实验设备对此进行实验,但对于最初步的说明，本文只进行了小型水泥混凝土的试验，如图3
本实验的方案如下：
⑴．设计图如图3所示。
⑵．钢筋之间采用铁丝绑扎。
⑶．四根杆中有三根较长的上面沿钢筋纵向贴应变片,焊导线,胶布绝缘,以环氧树脂涂抹贴在应变片的部位,以起到防水作用。
⑷．钢筋两侧与H型钢焊接, 采用C30混凝土浇筑,室外养护。
⑸．型钢外加钢板以防在拉伸时型钢变形。
⑹．钢板,型钢与千斤顶连接加荷载,使板体受拉,连接处采用螺栓连接。
⑺．与应变片相连的导线运用UCAM数据采集仪采集数据,观察板体在纵向水平受拉的情况下,处于何种状态。
⑻．在板侧向放置位移计。
⑼．钢筋采用直径为8mm的一级钢筋。
注：图中标号为混凝土板上所贴应变片的标号
板体受拉的时候,板的边部产生裂缝,混凝土板只在弹性变化范围内变化.所以可以换一种方式继续加载,改成受压的形式.。
通过以上实验数据表明板无论在受压时还是在受拉时纵向的位移与横向的位移相比相差不大如图6，7所示，进而说明了斜向布筋的有效性，即斜向布置钢筋网能有效的使板在低温缩裂产生的纵向位移在横向上得到补偿，从而防止裂缝的产生。
5、结论
实验的研究已经发现斜向布置钢筋组成的钢筋网能够有效的防止裂缝的产生。并且随着斜向布筋混凝土路面应力补偿止裂机理理论体系的成熟和施工技术的发展完善，斜向布置钢筋的理论必然会有广阔的应用空间。
参 考 文 献
[1] 程靳,赵树山.断裂力学.北京:科学出版社,2006.
[2] 尤晓玮,现代道路路基路面工程.北京:清华大学出版社,北京交通大学出版社,2004.
[3] 王龙甫，弹性理论.北京:科学出版社,1984.
[4] 王敏中,王炜,武际可.弹性力学教程.北京:北京大学出版社,2002.
[5] 胡长顺,曹东伟.连续配筋混凝土路面设计理论与方法研究[R].西安:长安大学,2000.■
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
[关键词] 斜向布筋 路面裂缝 温缩应力 温缩裂缝
1、概述
道路的横向断裂一直以來困扰着工程界，大量的研究已经证实其主要原因是由于低温收缩所引起的内部温度应力超过了材料的抗拉强度所至，但由于道路铺装材料无论是水泥混凝土还是沥青混凝土都存在着抗拉强度低，而低温延性差的特性，使得路面在低温收缩过程中受到纵向变形的限制导致温度应力的积累，最终超过了材料的抗拉强度，体现断裂力学观点中的第一类裂缝。预应力在桥梁构件中的应用有效的防止裂缝的发生，说明当采用某种方法致使材料中不出现拉应力，第一类型的裂缝将不会出现。道路作为特殊的结构，曾有人作过尝试，都由于各种原因而未能获得成功。其中的一个原因是道路为一个在纵向即行车方向为无限长，从力学角度看，在横向上是自由的，竖向是半自由的一种带状结构，传统的预应力方法无法实现，因此，至今无论是质量如何优良的高等级路面，都无法避免横向裂缝的产生。
2、斜向布筋
斜向布筋可以从根本上防止横向裂缝的产生。从力学观点出发，当温度下降时，道路沿纵向的质点只有不发生位移才不会产生温度应力的积累，质点间由于温缩变形所产生的拉应力，如果能得到变形的补偿，即通过横向的压缩来补偿这部分的变形，则质点间的温度应力也不会产生。就水泥混凝土，沥青混凝土本身都不具备这种特性。但当尝试斜向布置的钢筋与水泥混凝土或沥青混凝土材料共同工作，将会实现横向变形补偿纵向变形的情况。斜向布置钢筋如图1所示
图1斜向布置钢筋
由斜向布置的钢筋本身所形成的是一个斜向的钢筋网，作为一个无限长的钢筋网，在分析的过程中可以看成为两端受到固定约束的有限长钢筋网。
当温度下降，钢筋网的收缩只有横向的，或者换句话说，钢筋上的任意一点，在钢的产生收缩时，只有横向的位移，而不会出现纵向的位移。钢的长度的收缩由于纵向的约束只是使得钢筋网的钢筋相交的角度产生了变化，整个筋网只有横向尺寸的减少。这是斜向布置解决路面横向断裂的关键特性。将水泥混凝土或沥青混凝土铺设在斜向的筋网上，就将会实现横向变形补偿纵向收缩变形，或者认为钢筋横向尺寸收缩作用在水泥混凝土或沥青混凝土上的压应力将在纵向上产生压应力的抵消，由于温度降低所产生的拉应力被抵消，横向裂缝不会产生。
3、理论说明
斜向位置防止温度裂缝的理论支持是弹性力学中的“做功互等原理”弹性理论认为：
第一状态的力系，包括惯性力在第二状态的相应弹性位移上所做的功，等于第二状态的力系在第一状态的相应的弹性位移上所做的功。
其关系如下:
图2 板在受压和受拉时的模拟效果图
如果要求这二力在杆内所产生的应力，这是一个复杂问题，但如我们所要求的不是应力而是杆的总伸长δ，则这个问题立刻可用互等定理来解答。为此，我们设在弹性物体上作用着二个外力系（就是两个表面力和体积力系），产生两个应力，形变和弹性位移系，形成两个状态。
（1）第一状态 表面力和体积力为
第一状态的力系，包括惯性力在第二状态的相应弹性位移上所做的功，等于第二状态的力系在第一状态的相应的弹性位移上所做的功。
4、试验说明
通过试验验证钢筋与路面材料能够共同工作，在温度变化的范围内同时变形，可以为斜向布筋止裂提供有力的根据。在实际的道路上布筋进行试验，一开始是不现实的，但只要小型板试验可以初步说明钢筋与水泥混凝土材料可以同时工作。实验室的试验应该是布置不同直径钢筋的网状结构，改变板的厚度、纵向约束、降低温度，观测板的横向变形，从而完成斜向布筋止裂的试验说明，只是由于条件所限目前还没有实验设备对此进行实验,但对于最初步的说明，本文只进行了小型水泥混凝土的试验，如图3
本实验的方案如下：
⑴．设计图如图3所示。
⑵．钢筋之间采用铁丝绑扎。
⑶．四根杆中有三根较长的上面沿钢筋纵向贴应变片,焊导线,胶布绝缘,以环氧树脂涂抹贴在应变片的部位,以起到防水作用。
⑷．钢筋两侧与H型钢焊接, 采用C30混凝土浇筑,室外养护。
⑸．型钢外加钢板以防在拉伸时型钢变形。
⑹．钢板,型钢与千斤顶连接加荷载,使板体受拉,连接处采用螺栓连接。
⑺．与应变片相连的导线运用UCAM数据采集仪采集数据,观察板体在纵向水平受拉的情况下,处于何种状态。
⑻．在板侧向放置位移计。
⑼．钢筋采用直径为8mm的一级钢筋。
注：图中标号为混凝土板上所贴应变片的标号
板体受拉的时候,板的边部产生裂缝,混凝土板只在弹性变化范围内变化.所以可以换一种方式继续加载,改成受压的形式.。
通过以上实验数据表明板无论在受压时还是在受拉时纵向的位移与横向的位移相比相差不大如图6，7所示，进而说明了斜向布筋的有效性，即斜向布置钢筋网能有效的使板在低温缩裂产生的纵向位移在横向上得到补偿，从而防止裂缝的产生。
5、结论
实验的研究已经发现斜向布置钢筋组成的钢筋网能够有效的防止裂缝的产生。并且随着斜向布筋混凝土路面应力补偿止裂机理理论体系的成熟和施工技术的发展完善，斜向布置钢筋的理论必然会有广阔的应用空间。
参 考 文 献
[1] 程靳,赵树山.断裂力学.北京:科学出版社,2006.
[2] 尤晓玮,现代道路路基路面工程.北京:清华大学出版社,北京交通大学出版社,2004.
[3] 王龙甫，弹性理论.北京:科学出版社,1984.
[4] 王敏中,王炜,武际可.弹性力学教程.北京:北京大学出版社,2002.
[5] 胡长顺,曹东伟.连续配筋混凝土路面设计理论与方法研究[R].西安:长安大学,2000.■
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文