水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法

趙治國

(大慶市華大道橋有限公司)

水泥混凝土路面從工程結(jié)構(gòu)分類來看，應(yīng)屬于巖土工程的地基結(jié)構(gòu)物，因此混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法是隨著結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)理論與巖土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展而不斷發(fā)展并完善。在荷載圖式方面，最早采用靜力作用點(diǎn)荷載，后來提出了靜力作用均布面荷載(如圓形、橢圓形、圓頭矩形荷載等)。美國波特蘭水泥協(xié)會(PCA)最早提出了混凝土疲勞斷裂的概念，設(shè)計(jì)方法改用多次重復(fù)作用靜荷載，混凝土的極限控制指標(biāo)用疲勞極限應(yīng)力表示。20世紀(jì)60年代后提出了荷載動力影響問題，考慮荷載的振動與移動效應(yīng)，在設(shè)計(jì)方法中摻入了動力響應(yīng)系數(shù)。

在地基模型方面，一般均采用溫克勒地基模型和彈性半空間均質(zhì)地基模型，至今仍然是世界各國設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)。在研究探索中也有提出采用黏彈性地基，雙參數(shù)地基、多層地基、非線性彈性地基等模型，但是由于數(shù)學(xué)概念的復(fù)雜性和參數(shù)測定的困難，至今在設(shè)計(jì)方法中均未采納。

在路面板的形態(tài)方面，威斯特卡德最早提出了溫克勒地基上矩形板彎特定加載位置下，荷載應(yīng)力的求解方法。后來提出了半空間彈性地基上無限大圓板的求解方法。20世紀(jì)70年代隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用和有限元分析法的推廣，提出了有限尺寸板在各種模型地基支承下，任意荷載位置的荷載應(yīng)力求解方法，以及各種不同邊界傳力條件下的解算方法。

20世紀(jì)80年代工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出以概率法替代定值法，引入可靠度概念，對于混凝土路面設(shè)計(jì)，引入可靠度后的設(shè)計(jì)方法仍然以路面板的極限疲勞彎拉應(yīng)力作為極限狀態(tài)指標(biāo)。結(jié)構(gòu)分析的理論基礎(chǔ)與分析方法仍然沒有本質(zhì)的變化。

從20世紀(jì)50年代至今，我國水泥混凝土路面設(shè)計(jì)理論導(dǎo)方法不斷改進(jìn)，曾經(jīng)于1958年、1966年、1984年、1994年、2003年頒布過5個(gè)版本的設(shè)計(jì)規(guī)范。2002年由中華人民共和國交通部頒布的中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D40-2002)是現(xiàn)行的我國最新的混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范。新規(guī)范列出的設(shè)計(jì)方法以彈性半空間地基有限大矩形板模型為基礎(chǔ)，以100 kN單軸雙輪標(biāo)準(zhǔn)軸載作用于矩形板縱向邊緣中部產(chǎn)生的最大荷載應(yīng)力控制設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方法采用了可靠度設(shè)計(jì)方法，以行車荷載和溫度梯度綜合作用產(chǎn)生的疲勞斷裂作為設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)。該方法綜合了多年來我國道路界在科學(xué)研究和工程實(shí)踐中積累的成果和經(jīng)驗(yàn)，可用于指導(dǎo)我國當(dāng)前混凝土路面工程設(shè)計(jì)。

1 混凝土路面設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期

路面設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期是計(jì)算路面結(jié)構(gòu)可靠度時(shí)，考慮各項(xiàng)基本度量與時(shí)間關(guān)系所取用的基準(zhǔn)時(shí)間。也可理解為保證路面結(jié)構(gòu)達(dá)到規(guī)定可靠度指標(biāo)的有效期間。

混凝土路面設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期與公路等級有關(guān)，可根據(jù)公路在路網(wǎng)中的功能定位，當(dāng)?shù)貒窠?jīng)濟(jì)發(fā)展的需求以及投資條件等因素，經(jīng)綜合論證后確定。通常可參照表1選定。

表1 公路混凝土路面設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期參考值

2 標(biāo)準(zhǔn)軸載及軸載當(dāng)量換算

水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以100 kN單軸一雙輪組荷載為標(biāo)準(zhǔn)軸載。不同軸一輪型和軸載的作用次數(shù)，應(yīng)按式(1)換算為標(biāo)準(zhǔn)軸載的作用次數(shù)。

式中:Ns為100 kN的單軸一雙輪組標(biāo)準(zhǔn)軸載的通行次數(shù);Pi為各類軸一輪型i級軸載的總重，kN;N為軸型和軸載級位數(shù);Ni為各類軸一輪型i級軸載的通行次數(shù);Δi為軸一輪型系數(shù)。

3 混凝土路面交通等級劃分

水泥混凝土路面所承受的軸載作用，按照設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)設(shè)計(jì)車道臨界荷位承受的標(biāo)準(zhǔn)軸載當(dāng)量累計(jì)作用次數(shù)分為4級，分級范圍見表3。

表3 公路混凝土路面交通分級