一种基于高性能混凝土的空心路缘石设计方法

技术领域

本发明涉及一种基于高性能混凝土的空心路缘石设计方法，内容包括空心路缘石尺寸设计，配合比设计，强度检验，属于路缘石设计技术领域。

背景技术

路缘石是设在路面与其他构造物之间的标石，在城市道路和高速公路等交通基础设施的建设和运维过程中需求巨大，其主要作用有以下三点：一是分隔市政道路不同的功能板块(如车行道与侧分带、车行道与人行道)，二是对路面边缘起到良好的保护作用，三是用于拦截汇聚路面内的雨水。

目前大多数路缘石都是实心结构，对原材料需求量多，自重较大，不便于运输及施工等。针对实心路缘石存在的问题，不少学者通过采用空心路缘石的结构形式，减少制备原料的用量，降低路缘石自重，从而降低运输及施工难度。然而，目前针对空心路缘石的设计尚缺乏完备的设计理论及设计方法，导致空心路缘石的质量参差不齐，费时费力，无法满足实际工程需要。

基于此，本发明提出了一种基于高性能混凝土的空心路缘石设计方法，一方面，利用高性能混凝土优异的力学性能和耐久性能提高空心路缘石的承载能力和服役寿命；另一方面，提供基于这种高性能混凝土的空心路缘石设计方法，包括空心路缘石内部结构、尺寸设计、材料配合比设计及其强度检验，为空心路缘石的设计及后期广泛应用于实际工程提供理论及方法指导，具有重要的理论意义和应用价值。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于高性能混凝土的空心路缘石设计方法，在既有普通混凝土路缘石规范的基础上，针对高性能混凝土空心路缘石在设计方法上的空缺，提供一种基于高性能混凝土的空心路缘石设计方法，为高性能混凝土成功应用在空心路缘石上提供了设计参考和理论补充。

本发明采用以下技术方案：

一种基于高性能混凝土的空心路缘石设计方法，包括：

步骤1：初拟空心路缘石的高度、宽度、长度及壁厚；

步骤2：计算空心路缘石在侧面受力情况下产生的弯拉应力；

步骤3：计算空心路缘石在水平推力下产生的弯拉应力；

步骤4：结合步骤2和和步骤3计算所得的弯拉应力，取较大值作为空心路缘石制备原料的弯拉强度参考值，考虑安全系数，得到弯拉强度设计值；

步骤5：根据高性能混凝土的抗压强度限值，取适当值作为空心路缘石的抗压强度设计值；

步骤6：根据空心路缘石的弯拉强度设计值和抗压强度设计值，进行混凝土配合比设计；

步骤7：采用足尺试验或数值模拟，对空心路缘石的弯拉强度和抗压强度进行验算；

步骤8：如果步骤7得到的弯拉强度和抗压强度分别大于等于空心路缘石的弯拉强度设计值和空心路缘石的抗压强度设计值，则强度验算通过，设计步骤完成；如果强度验算不通过，则重新进行步骤1的结构尺寸拟定或步骤6的配合比设计，直至强度验算通过。

优选的，步骤2具体为：

路缘石在实际工况中存在侧面受力的情况，例如预制成品空心路缘石在运输过程中可能受到的叠压作用，因此在空心路缘石的设计中，路缘石须抵御侧面受力而不发生破坏，将路缘石的侧向受力情况简化成两端固结的板承受弯曲荷载，简化过程及计算图示见图2，板的长度相当于路缘石的高度，板的宽度相当于路缘石的长度，板的厚度相当于路缘石的壁厚，空心路缘石一般采用整体浇筑，因此板的两端视为固结约束；

空心路缘石在侧面受力情况下产生的弯拉应力计算过程如下：

2.1、根据路缘石的壁厚t、高度h及计算图示，计算弯曲截面模量：

2.2、根据受力情况及路缘石的长度l，计算最危险截面的弯矩值，为了使计算结果更加可靠，把路缘石叠压作用力F

F

式中：n为路缘石叠压时，最底层路缘石上方的路缘石个数；m

2.3、根据以上弯曲截面模量和跨中截面的弯矩值，计算弯拉应力：

优选的，步骤3具体为：

路缘石在实际工况中存在承受水平推力的情况，例如车辆在驶上路缘石时产生的水平分力，因此在空心路缘石的设计中，路缘石须抵御水平推力而不发生破坏。将路缘石承受水平推力的情况简化成两端固结的刚架承受水平推力，化过程及计算图示见图3，刚架的宽度相当于路缘石的宽度，刚架的高度取为路缘石高度的一半(实际工况中，路缘石埋置于道路两侧，有效受荷高度仅为高于路面的上半部分)，刚架的厚度相当于路缘石的壁厚；

空心路缘石在承受水平推力情况下产生的弯拉应力计算过程如下：

3.1、根据路缘石的壁厚t、长度l及计算图示，计算弯曲截面模量：

3.2、根据受力情况及路缘石的宽度b、高度h，计算最危险截面的弯矩值，水平分力根据车辆45°斜压路缘石的情况计算，车辆轮胎对路缘石的压力取为车辆总重的1/4；为了偏于安全，把水平分力以集中荷载的形式水平作用于刚架顶部，水平分力及弯矩值计算如下：

式中：m

3.3、根据以上弯曲截面模量和最危险截面的弯矩值，计算弯拉应力：

优选的，步骤5中，当空心路缘石壁厚为10-25mm，长度为500-750mm时，高性能混凝土的弯拉强度设计值宜为7-30MPa，抗压强度设计值宜不小于80MPa，取80MPa作为空心路缘石的抗压强度设计值。高性能混凝土要求最小抗压强度为80MPa，适当值该大于等于这一限值，同时，混凝土抗压不抗拉，这一限值基本能避免空心路缘石在施工及服役过程中发生受压破坏。

优选的，步骤4中，安全系数为1.3，即弯拉强度设计值为弯拉强度参考值的1.3倍。

本发明未详尽之处，均可采用现有技术。

本发明的有益效果为：

(1)针对目前空心路缘石缺少设计理论及设计方法的问题，本发明可提供基于高性能混凝土的空心路缘石设计方法，包括空心路缘石尺寸设计、材料配合比设计及其强度检验。

(2)本发明提出空心路缘石受力计算模型，采用固结板和固结刚架的力学计算模型模拟路缘石在运输及服役过程中的受力情况，并以此为强度依据进行路缘石设计。

(3)本发明提出以弯拉应力与构造要求为强度设计指标的路缘石强度设计方法，为高性能混凝土配合比设计提供依据。

(4)本发明提出了不同厚度、不同长度的空心路缘石，高性能混凝土弯拉强度和抗压强度设计值的推荐范围，当空心路缘石壁厚为10-25mm，长度为500-750mm时，高性能混凝土的弯拉强度设计值宜为7-30MPa，抗压强度设计值宜不小于80MPa，取80MPa作为空心路缘石的抗压强度设计值。

附图说明

图1为本发明的基于高性能混凝土的空心路缘石设计方法流程图；

图2为路缘石侧向受力情况的简化过程示意图；

图3为路缘石承受水平推力的简化过程示意图；

图4为实施例1的空心路缘石结构尺寸示意图；

图5为实施例2的空心路缘石结构尺寸示意图。

具体实施方式：

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

一种基于高性能混凝土的空心路缘石设计方法，包括：

步骤1：初拟空心路缘石的高度、宽度、长度及壁厚；

根据《混凝土路缘石》(JC/T 899-2016)，在传统H3型实心路缘石(高300mm，宽200mm)的基础上，将路缘石内部全部镂空，内壁均作倒圆角处理，结构尺寸如图4所示。拟定路缘石的长度为500mm，壁厚为10mm，则一个路缘石的体积约为0.005m

步骤2：计算空心路缘石在侧面受力情况下产生的弯拉应力；

根据如图2所示的计算图示，计算空心路缘石弯曲截面模量：

计算作用力，作用力取为四个路缘石的总重以模拟实际的叠压作用：

F

其中，V

计算最危险截面的弯矩值：

计算空心路缘石在侧面受力情况下产生的弯拉应力:

步骤3：计算空心路缘石在水平推力下产生的弯拉应力；

根据如图3所示的计算图示，计算空心路缘石弯曲截面模量：

计算作用力，拟定车辆质量为2400kg，作用力计算如下：

计算最危险截面的弯矩值：

计算弯拉应力：

步骤4：结合步骤2和和步骤3计算所得的弯拉应力，取较大值即22.11MPa作为空心路缘石制备原料的弯拉强度参考值，考虑安全系数，优选为弯拉强度参考值的1.3倍，即28.74MPa，取30MPa作为弯拉强度设计值；

步骤5：根据高性能混凝土的抗压强度限值，选定80MPa作为高性能混凝土的抗压强度设计值。

步骤6：根据空心路缘石的弯拉强度设计值和抗压强度设计值，进行混凝土配合比设计；

根据上述弯拉强度设计值和抗压强度设计值，进行高性能混凝土配合比设计。制备高性能混凝土常用的原材料有水泥、硅灰、矿粉、河砂、外加剂、水，为了提高基体的韧性，通常会掺加一定体积的纤维。初拟水泥、硅灰、矿粉掺量分别为胶凝材料的90％、5％、5％，胶砂比为1：1，水胶比为0.18，纤维选择PVA纤维，体积掺量为0.6％，外加剂选择聚羧酸系高性能粉体减水剂和消泡剂，掺量分别为胶凝材料的1％和0.4％。具体配合比如下表1所示：

表1：实施例1的配合比设计

步骤7：采用足尺试验对空心路缘石的弯拉强度和抗压强度进行验算；

根据上述路缘石尺寸和配合比，制备足尺路缘石模型。参照《混凝土路缘石》(JC/T899-2016)进行抗折试验和抗压试验，检验路缘石抗折及抗压强度。测试结果及设计值如下表2所示：

表2：实施例1足尺试验测试结果

步骤8：由上述检验结果可得，所设计的路缘石抗折及抗压强度均满足设计要求，设计流程结束。

实施例2：

一种基于高性能混凝土的空心路缘石设计方法，包括：

步骤1：初拟空心路缘石的高度、宽度、长度及壁厚；

根据《混凝土路缘石》(JC/T 899-2016)，在传统H3型实心路缘石(高300mm，宽200mm)的基础上，将路缘石内部全部镂空，内壁均作倒圆角处理，结构尺寸如图5所示。拟定路缘石的长度为750mm，壁厚为25mm，则一个路缘石的体积约为0.017m

步骤2：计算空心路缘石在侧面受力情况下产生的弯拉应力；

根据如图2所示的计算图示，计算空心路缘石弯曲截面模量：

计算作用力，作用力取为四个路缘石的总重以模拟实际的叠压作用：

F

计算最危险截面的弯矩值：

计算空心路缘石在侧面受力情况下产生的弯拉应力:

步骤3：计算空心路缘石在水平推力下产生的弯拉应力；

根据如图3所示的计算图示，计算空心路缘石弯曲截面模量：

计算作用力，拟定车辆质量为2400kg，作用力计算如下：

计算最危险截面的弯矩值：

计算弯拉应力：

步骤4：结合步骤2和和步骤3计算所得的弯拉应力，取较大值即5.00MPa作为空心路缘石制备原料的弯拉强度参考值，考虑安全系数，优选为弯拉强度参考值的1.3倍，即6.50MPa，取7.00MPa作为弯拉强度设计值；

步骤5：根据高性能混凝土的抗压强度限值，选定80MPa作为高性能混凝土的抗压强度设计值。

步骤6：根据空心路缘石的弯拉强度设计值和抗压强度设计值，进行混凝土配合比设计；

根据上述弯拉强度设计值和抗压强度设计值，进行高性能混凝土配合比设计。制备高性能混凝土常用的原材料有水泥、硅灰、矿粉、河砂、外加剂、水，为了提高基体的韧性，通常会掺加一定体积的纤维。初拟水泥、硅灰、矿粉掺量分别为胶凝材料的90％、5％、5％，胶砂比为1：1，水胶比为0.19，纤维选择PVA纤维，体积掺量为1.8％，外加剂选择聚羧酸系高性能粉体减水剂和消泡剂，掺量分别为胶凝材料的1％和0.4％。具体配合比如下表3所示：

表3：实施例2的配合比设计

步骤7：采用足尺试验对空心路缘石的弯拉强度和抗压强度进行验算；

采用足尺试验的方式进行路缘石强度检验。根据上述路缘石尺寸和配合比，制备足尺路缘石模型。参照《混凝土路缘石》(JC/T 899-2016)进行抗折试验和抗压试验，检验路缘石抗折及抗压强度。测试结果及设计值如下表4所示：

表4：实施例2足尺试验测试结果

步骤8：由上述检验结果可得，所设计的路缘石抗折及抗压强度均满足设计要求，设计流程结束。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。