城市地下道路復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究

虞秋富 ，馬士賓 ，陳 晗 ，王海燕

（1.河北工業(yè)大學(xué)土木學(xué)院，天津 300400；2.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市的規(guī)模正在迅速變大，城市人口密度的增加給城市交通帶來(lái)了很大的壓力。與此同時(shí)，地下道路正以其可提高線路標(biāo)準(zhǔn)、縮短運(yùn)營(yíng)里程、保護(hù)環(huán)境、減少拆遷、噪音污染少等優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越得到人們的青睞。城市地下道路內(nèi)采用連續(xù)配筋混凝土基層和瀝青混凝土面層組合的復(fù)合式路面具有很多優(yōu)點(diǎn)。CRC層由于縱向配置了足夠的鋼筋而具有非常強(qiáng)的結(jié)構(gòu)承載能力，同時(shí)CRC取消了橫向接縫，可以減少路面水損害。而AC層則可以改善路面行駛性能。AC+CRC路面結(jié)構(gòu)可以大大提高地下道路路面的使用性能、使用壽命和服務(wù)水平等。但是由于種種原因，作為地下道路重要組成部分的CRC+AC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)卻未得到足夠的重視，即大部分地下道路內(nèi)路面結(jié)構(gòu)都是根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)直接給出的，未經(jīng)過(guò)專題的研究[1]。

AC+CRC作為一種新型的路面結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)常規(guī)做法是套用公路瀝青路面設(shè)計(jì)方法。而城市道路與一般公路所承受的交通組成方面存在很大差異，直接套用現(xiàn)有規(guī)范勢(shì)必造成很多不合理的地方。因此，研究和推廣AC+CRC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)，并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法不僅具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，而且具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 交通量調(diào)查及軸載換算研究

1.1 交通量調(diào)查

為掌握地下道路交通量情況，針對(duì)天津市海河?xùn)|路地下道路交通組成情況進(jìn)行了專項(xiàng)交通量調(diào)查。由于受調(diào)查條件及儀器的限制，該項(xiàng)調(diào)查選取工作日內(nèi)的一天實(shí)測(cè)交通量換算全天交通量的方法。

由于海河?xùn)|路地處市中心，且靠近天津東站，交通流量相對(duì)較大，以小汽車、公交車為主。一天內(nèi)小汽車、中型客車、大客車交通輛依次為1 4395 veh、53 veh、944 veh，且早上 8:00-10:00，下午 17:00-18:30為高峰小時(shí)段。對(duì)車重最大的大客車載客量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到如下表1所列及圖1所示。

表1 大客車載客情況表

圖1 大客車載客人數(shù)分布圖

由表1及圖1可以看出，載客在20～30人的大客車數(shù)量明顯高于其他類型的車輛。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大客車主要由公交車和旅游大巴兩種車構(gòu)成。旅游大巴空車質(zhì)量在13 t左右，滿載47人，人均體重按65 kg計(jì)，則滿載時(shí)旅游大巴軸重為78.75 kN。公交車空車質(zhì)量在9.5 t左右，滿載時(shí)有70人，人均體重按65 kg計(jì)，此時(shí)軸載為70.25 kN。

1.2 軸載換算研究

在我國(guó)，規(guī)范中要求軸載換算時(shí)，路面設(shè)計(jì)時(shí)以單軸雙輪組軸載100 kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載。而調(diào)查結(jié)果顯示：地下道路最大軸載也不過(guò)80 kN，再以100 kN作為標(biāo)準(zhǔn)軸載顯然不合理。

軸載換算應(yīng)遵循的原則[2]：

（1）以達(dá)到相同的損壞狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)，即同一路面結(jié)構(gòu)，甲軸作用了N1次后，路面達(dá)到某種損壞狀態(tài)，乙軸作用了N2次后，路面也要達(dá)到同樣的損壞狀態(tài)，在此時(shí)甲軸和乙軸的作用視為等效。

（2）對(duì)于同樣一個(gè)交通組成，無(wú)論以其中哪一個(gè)軸載作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等效換算后所得到的路面厚度計(jì)算結(jié)果應(yīng)該是相同的。

按照上述原則以60 kN作為標(biāo)準(zhǔn)軸載重，在應(yīng)用ANSYS建模分析后，重新推導(dǎo)了城市地下道路軸載換算公式。

計(jì)算AC層底拉應(yīng)力時(shí)軸載換算公式見(jiàn)公式（1）。

計(jì)算連續(xù)配筋混凝土板底彎拉應(yīng)力時(shí)采用公式（2）。

2 地下道路復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

應(yīng)用ANSYS建立有限元模型采用的路面結(jié)構(gòu)及其參數(shù)如表2所列，層間條件連續(xù)。

表2 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)一覽表

軸載選用修正的標(biāo)準(zhǔn)軸載60 kN，胎內(nèi)壓力0.6 MPa。

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)AC層底剪應(yīng)力的影響

2.1.1 瀝青層厚度對(duì)剪應(yīng)力的影響（見(jiàn)圖2）

圖2 AC層底最大剪應(yīng)力隨AC層厚變化曲線圖

AC層厚度依次取2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm、12 cm、14 cm、16 cm、18 cm，CRC板厚度取 18 cm，其他參數(shù)不變，分析AC層厚度變化對(duì)層底剪應(yīng)力的影響。

從圖2可以看出，當(dāng)AC層厚度由2 cm增加到6 cm時(shí)，層底最大剪應(yīng)力由0.215 MPa降至0.198 MPa，降低了8.59%；AC層厚度由14 cm增至18 cm時(shí)，層間剪應(yīng)力僅降低了5.71%，且剪應(yīng)力隨厚度增大而降低的趨勢(shì)變緩。總體而言,AC層厚度對(duì)剪應(yīng)力影響不大。考慮施工工藝要求,AC層厚度宜取4 cm～8 cm之間。

2.1.2 CRC厚度對(duì)剪應(yīng)力的影響

分別改變CRC層厚度，計(jì)算AC層底剪應(yīng)力，結(jié)果如圖3所示。

圖3 AC層底最大剪應(yīng)力隨CRC厚度變化曲線圖

由圖3可以看出，CRC層厚度對(duì)層間剪應(yīng)力基本沒(méi)有影響，依靠增加連續(xù)配筋混凝土板的厚度來(lái)減少層間剪應(yīng)力沒(méi)什么實(shí)際意義。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)AC層底拉應(yīng)變的影響

通過(guò)改變AC、CRC層厚度得到AC層底拉應(yīng)變，計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 AC層底拉應(yīng)變隨AC板厚變化曲線圖

圖5 AC層底拉應(yīng)力隨CRC板厚變化曲線圖

比較圖5和圖6可見(jiàn)，當(dāng)AC層厚度每增加2 cm，AC層底拉應(yīng)變下降約2.4%～2.9%，下降較為明顯。當(dāng)CRC板厚度從16 cm增加到22 cm時(shí)，AC層底拉應(yīng)變下降總百分比為3.71%，可見(jiàn)CRC板厚對(duì)AC層底拉應(yīng)變影響不大。即AC層厚度對(duì)AC層底拉應(yīng)變影響遠(yuǎn)比CRC層厚度影響大。

2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)CRC板底荷載應(yīng)力

分別改變AC層厚度，CRC層厚度得到AC層底拉應(yīng)變計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 CRC板底橫向拉應(yīng)力隨AC厚度變化曲線圖

圖7 CRC板底橫向拉應(yīng)力隨CRC板厚變化曲線圖

由圖6、圖7隨著AC層厚度的增加，CRC板底荷載應(yīng)力呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這是由于AC層厚度的增加有利于將作用于路表的荷載應(yīng)力分散、消減，使作用于CRC板的應(yīng)力降低[4]。由圖6可以看出，AC層厚度由4 cm增加到12 cm時(shí)，CRC板底的荷載應(yīng)力減小了21%，當(dāng)AC層厚度從12cm增加到18 cm時(shí)CRC板底的荷載應(yīng)力減小了11%，可見(jiàn)AC層厚度在4 cm～12 cm時(shí)，對(duì)CRC板底荷載應(yīng)力的折減比較明顯，當(dāng)AC層厚度進(jìn)一步增大時(shí)，對(duì)CRC板底荷載應(yīng)力降低并不明顯，況且，較厚的瀝青層也不經(jīng)濟(jì)。所以從降低CRC板底荷載應(yīng)力角度考慮，地下道路CRC+AC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，AC層厚度以4～12 cm為宜。當(dāng)CRC板厚度每增加2 cm，CRC板底荷載應(yīng)力下降約10%～14%，并隨著CRC板厚度的增加，標(biāo)準(zhǔn)軸載在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應(yīng)力逐漸減小；當(dāng)CRC板厚度增加到25 cm以后這種減小的趨勢(shì)逐漸趨緩。

可見(jiàn)通過(guò)增加CRC板厚度可以減少板底荷載應(yīng)力從而達(dá)到延長(zhǎng)路面使用壽命的目的，但CRC板過(guò)厚會(huì)造成造價(jià)過(guò)高，不經(jīng)濟(jì)。因此在地下道路CRC+AC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，CRC板厚以不超過(guò)25 cm為宜。

3 地下道路復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

3.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)的選取

根據(jù)力學(xué)分析結(jié)果，選定AC層層底的最大拉應(yīng)變及CRC板底的最大拉應(yīng)力為地下道路復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)。要求：

（1）AC層層底的最拉應(yīng)變不大于該層材料的容許拉應(yīng)變；

（2）CRC板底的疲勞應(yīng)力不大于該層材料的容許拉應(yīng)力。

3.2 計(jì)算過(guò)程

3.2.1 AC層底拉應(yīng)變的計(jì)算

AC層底拉應(yīng)力計(jì)算參考普通瀝青混凝土計(jì)算公式（3）：

AC層底拉應(yīng)變計(jì)算公式（4）：

式中：EC為AC層材料抗彎拉模量。

3.2.2 連續(xù)配筋混凝土板底疲勞應(yīng)力計(jì)算

由于連續(xù)配筋混凝土板中的鋼筋只起到控制板內(nèi)橫向裂縫的作用，因此在計(jì)算板內(nèi)荷載應(yīng)力時(shí)不考慮鋼筋的存在。

根據(jù)《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D40—2011)水泥混凝土板允許應(yīng)力計(jì)算公式：

式中：P——標(biāo)準(zhǔn)軸載，kN；

h——CRC板厚度，m；

r——混凝土板的相對(duì)剛度半徑，m；

A，m，n——與軸型有關(guān)的回歸系數(shù)，見(jiàn)表3所列。

在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)引起的累計(jì)荷載疲勞應(yīng)力：

式中：kr——應(yīng)力傳荷系數(shù)；

表3 軸型有關(guān)的回歸系數(shù)表

kf——設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)荷載應(yīng)力累計(jì)作用次數(shù)的疲勞應(yīng)力系數(shù)，可按下式計(jì)算：kf=Ne0.057，其中，Ne為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)荷載應(yīng)力累計(jì)作用次數(shù)；

kc——考慮超載和動(dòng)荷載等因素對(duì)路面疲勞損害綜合影響的系數(shù)。

3.3 設(shè)計(jì)流程

CRC+AC剛?cè)釓?fù)合式路面設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）交通參數(shù)調(diào)查，收集交通量和軸載組成數(shù)據(jù)，計(jì)算單車道內(nèi)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)軸載的累計(jì)作用次數(shù)。

（2）初擬路面結(jié)構(gòu)，根據(jù)交通量計(jì)算結(jié)果擬定AC層厚度、CRC板厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)。

（3）根據(jù)路面結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算AC層底拉應(yīng)變，并與容許拉應(yīng)變對(duì)比分析。

（4）計(jì)算CRC板底荷載疲勞應(yīng)力，驗(yàn)算CRC板參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文結(jié)合地下道路交通量特點(diǎn)，對(duì)CRC+AC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了全面分析，主要結(jié)論有：

（1）地下道路CRC+AC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)主要有：瀝青層底彎拉應(yīng)變及連續(xù)配筋混凝土板荷載應(yīng)力。

（2）通過(guò)建立有限元模型分析，AC層厚度在4 cm～12 cm時(shí)，對(duì)CRC板底荷載應(yīng)力的折減比較明顯，當(dāng)AC層厚度進(jìn)一步增大時(shí)，對(duì)CRC板底荷載應(yīng)力降低并不明顯，從降低板底荷載應(yīng)力角度考慮，地下道路CRC+AC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，AC層厚度以4～12 cm為宜；CRC板厚度每增加2 cm，CRC板底荷載應(yīng)力下降約10%～14%，當(dāng)CRC板厚度增加到25 cm以后CRC板應(yīng)力折減不明顯，CRC板厚以不超過(guò)25 cm為宜。

（3）給出了城市地下道路復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)過(guò)程。

[1]顧興宇,倪富健,董僑.AC+CRCP復(fù)合式路面溫度場(chǎng)有限元分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào),2006,36（5）:805-809.

[2]陽(yáng)宏毅,劉朝暉.水泥混凝土與瀝青混凝土復(fù)合式路面層間剪應(yīng)力分析[J].公路與汽運(yùn),2004,(6)：41-43.

[3]李盛.連續(xù)配筋混凝土復(fù)合式瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度研究[D].長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué),2010.

[4]倪富健,盧楊,顧興宇，等.瀝青混凝土與連續(xù)配筋混凝土復(fù)合式路面承載力分析[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2007,7（1）：43-48.