分析道橋水泥混凝土路面結構設計要點

向　陽

（貴州省城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院　貴州　貴陽　550001）

分析道橋水泥混凝土路面結構設計要點

向陽

（貴州省城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院貴州貴陽550001）

針對道路橋梁路面設計要求，簡單介紹水泥混凝土路面早期損壞形式及原因與設計依據，在此基礎上從基層組合型式、面層厚度、平面尺寸以及混凝土配比四個方面對結構設計要點進行深入的分析，為道橋水泥混凝土路面結構設計工作的有序開展提供理論基礎。

道橋；水泥混凝土路面；結構設計

隨著我國交通道路建設力度的不斷加強，水泥混凝土路面這種具有高強度、高穩(wěn)定性特點的路面逐漸被更多的工程所使用，在交通量急劇增長的形勢下，道橋路面的實際厚度已經由最初的22cm上升至26cm或28cm，并且要求必須是無筋混凝土構造形式。不同的道路橋梁等級對于路面的抗彎、抗拉強度要求會有所不同，設計壽命也會存在一定差距，實踐表明，有許多道路橋梁的路面在建成初期就出現(xiàn)了不同程度的損壞情況，究其原因，絕大多數是由于結構設計不合理等問題造成，因此，應切實加大道橋路面結構設計方面的研究力度。

1　道橋水泥混凝土路面早期損壞形式及原因

1.1斷裂與破損

首先是所用水泥混凝土的強度不達標，其次為設計強度較低或面層的設計厚度較薄，特別是在超載情況較為嚴重的路段上，這種斷裂與破損的情況較為嚴重。

1.2唧泥

主要由于施工時未按要求設置傳力桿及接縫寬度超出限度等原因導致，此外在設計層面上，基層沒有加設封層會使基層出現(xiàn)滲水、翻漿現(xiàn)象，進而產生唧泥。

1.3拱起

施工期間脹縫沒有達到相應的要求，無法實現(xiàn)基本功能，反而會起到截然相反的作用，使得脹縫的實際距離過小。此外，設計工作者未對不同等級水泥混凝土所對應的彈性模量給予足夠的重視，最終拱起現(xiàn)象的產生。

1.4錯臺

由于混凝土具有徐變特征，在高溫環(huán)境中混凝土的板體容易出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象，相反在低溫環(huán)境中斯板體容易發(fā)生拱波，加上相鄰兩個混凝土板體的實際強度不夠均勻，且由于徐變程度不相同，則在此情況中，極有可能產生錯臺問題。四種常見的早期損壞如圖1所示。

圖1　道橋水泥混凝土路面早期損壞圖

2　道橋水泥混凝土路面結果設計根據

2.1行車荷載及溫度梯度

計算公式為：

公式（1）中：fr代表混凝土的設計抗彎強度（單位：MPa）；σtr代表溫度梯度條件下的溫度應力（單位：MPa）；σpt代表實際荷載帶來的結構疲勞荷載（單位：MPa）；γr代表混凝土所對應的變異可靠系數，從相關設計規(guī)范中可以查到。

計算公式為：

2.2累計當量軸次

公式（2）中：Ne代表路面設計壽命中的當量軸次（單位：次）；t代表路面設計壽命（單位：年）；Ns代表標準軸載軸次（單位：次）；γ代表壽命路段交通量的年均增長率（單位：%）。

3　路面結構設計要點

3.1基層組合型式

路面基層的主要作用除了可以提高其結構強度以外，還能消除唧泥問題，降低路基形變對面層造成的影響，進而為面層的施工創(chuàng)建更多的便利條件。因此，若在實際情況中，基層產生相對較大的形變，則面層板會和它脫空，加劇了支承條件的惡化，進而增加了板中的應力。與此同時，如果基層中含有大量的細料，則會提高唧泥或錯臺等問題的產生機率。

路面結構設計過程中，大多使用水泥混凝土基層型式。新建道橋工程通常位于新城區(qū)，農田較多，土基的濕度比市區(qū)內大，存在于地面上的控制物很少，中心高程易于操控，所以，此處的結構層應適當厚一些。在初期的設計工作中，路面基層一般為厚度在40cm左右的石灰穩(wěn)定土基層，還有一些是二灰碎石。近幾年，絕大多數都使用厚度為15cm的水穩(wěn)砂礫與厚度為30cm的石灰穩(wěn)定土基層相結合的復合式基層。就上述兩種類型的基層使用狀況來分析，基本都可以滿足強度需求，但使用復合式基層要明顯好于使用單一的基層，這主要是因為使用復合式基層在在受到重復荷載時，所產生的形變較小，并且單一的基層還會受到水的直接作用，而被軟化，不利于長期保持良好的穩(wěn)定性。由此可見，厚度為15cm的水穩(wěn)砂礫與厚度為30cm的石灰穩(wěn)定土基層相結合的復合式基層相比之下較為理想。

3.2面層厚度設計

（1）設計壽命內標準軸載于路面車道中的重復作用總次數，用Ne表示，該次數在軸載調查與實際交通量增長形勢分析以后，按照以下公式計算得出，計算公式為：

公式（3）中：No代表路面車道中日標準軸載的累計次數（單位：次）；γ代表路段實際交通量的年增長率（單位：%）；T代表路面結構壽命；η代表輪跡的分布系數，如果路面為雙向雙車道，則η取0.3～0.4，若車道需分成快慢、機動非機動時，則η應取0.4～0.5，單向車道η應取0.5～0.6。

其中，道路的標準軸載主要將BZZ～100作為依據，由通過調查得知的各個軸載及其作用次數算出標準軸載的實際作用次數，用Ns表示，計算公式為：

公式（4）中：a1代表后軸系數。單個后軸情況中，a1=1。軸距在1.35m以內的雙后軸情況中，將板中作為臨界荷位時，a1=0.23，將板邊作為臨界荷位時，a1=3.8。軸距在1.35m以上的雙后軸情況中，須按照單后軸進行計算。

（2）水泥混凝土的實際抗折疲勞強度計算公式為：

公式（5）中：σ1代表抗折疲勞強度的計算值；N代表軸載的作用累計次數。

（3）地基回彈模量計算公式為：

公式（6）中，n代表回彈模量的增大系數，其計算公式為：

公式（7）中：nr代表荷位系數的計算值，將板中作為臨界荷位時取1.0，將板邊作為臨界荷位時取0.75；h代表混凝土結構厚度（單位：cm）；Et代表回彈模量當量（單位：MPa），需根據基層以及路基回彈模量預先確定基層的實際厚度，再結合Et圖求出。

（4）水泥混凝土結構的荷載應力計算需借助應力計算模圖，根據擬定的結構厚度、彈性模量比值、軸載大小，確定出結構的最大應力。由于道橋路面通常較不平整，加之會受到車輛的作用影響，所以會對路面產生一種動態(tài)的效應。對于動軸載而言，其變化通常呈現(xiàn)出正態(tài)分布。因此，在對靜載應力實施計算時，需要乘以動軸載的系數，這一系數的取值范圍為1.15～1.20，須根據交通的實際繁重程度確定。

3.3路面結構平面尺寸選定

水泥混凝土結構的板寬大多在3.5～3.75m之間，長度在4.0～5.5m之間。為準確判斷實際選取的尺寸能否滿足實際要求，應施以溫度應力測算，并進行荷載應力疊加，進而驗算實際的綜合應力是否低于結構的抗折強度，計算公式為：

公式（8）中：σC代表綜合應力；σP代表最大荷載虛力，通常取120kN；σT代表結構的溫度應力；σS代表結構抗折強度計算值。

3.4混凝土配比設計

切實提升路面整體性能的關鍵在于真正提高各集料和界面的粘結能力，此要求可通過合理選取原料與準確設計混凝土配比實現(xiàn)。配比設計的主要內容有：①盡量選用C3S與C4AF含量相對較高的水泥；②選用細度模數相對較大且具有較高耐磨性的細集料；③在選用巖石時，應對其物理性能等進行充分考慮，可通過對比分析得出最佳結論；④水灰比、摻砂率等均需通過嚴格的對比試驗選定。

4　結束語

總而言之，道橋水泥混凝土路面在建成早期出現(xiàn)損壞，與結構設計的合理性、施工水平及質量控制等密不可分，通過對當前道橋路面結構設計要求的分析得知，重交通路段的路面結構抗拉強度不得低于5.0MPa，在滿足這一基本要求的基礎上，應盡量采取配筋等方式。在施工過程中，應加強現(xiàn)場管理力度，堅決杜絕使用低強度水泥等違規(guī)做法，正確理解結構強度和回彈模量等性能之間具有的聯(lián)系，并且這也是確保道橋水泥混凝土路面整體性能與質量的關鍵所在。

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U416.216

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1673-0038（2015）44-0248-02

2015-10-13