水泥混凝土面層板剩余疲勞壽命分析

周獻高，任 帥

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530000)

0 引言

隨著高速公路里程的增長和高速公路網的逐漸形成，高速公路的路面養護越來越受到重視和關注。對高速公路養護決策進行研究，能有效轉換傳統公路養護管理理念，保證高速公路運行效率，為路面管理決策者進行路面使用性能評價與預測、合理分配資金需求、優化路面養護決策方案等提供科學依據和決策支持。

混凝土為脆性材料，受重復荷載作用時，構件損傷度不斷增加，同時強度和模量隨之下降[1]。目前水泥混凝土路面結構性能評價方法主要是鉆芯測厚度和強度，FWD檢測估算基層頂面模量、板底脫空和橫縫傳荷系數，這些檢測手段均無法實測動模量衰減量，也無法得到疲勞損傷及剩余疲勞壽命。本文通過對廣西某高速公路道路狀況現場調查、檢測、路面結構力學分析，試圖采用路面力學其他參數指標的衰減結合交通荷載狀況來預估混凝土板的剩余壽命。

1 交通量調查與分析

從沿線各收費站收集2006-2016年本路段交通量及車型分布比例，計算出2006-2015年全年累計設計車道(慢車道)和快車道承受的當量標準軸次，見表1。

表1 上行車道2006-2016年歷年累計當量標準軸次表

2 路面結構力學分析

對于路面來講，慢車道承受約70%重車作用[2](現行設計規范推薦高速公路單向2車道的設計車道的分配系數為0.70～0.85)，快車道承受約30%重車作用。

將實測基層頂面模量、上行快車道累計當量標準軸次和上行慢車道累計當量標準軸次的比值(0.43)列于表2，根據該表建立的基層頂面模量衰減關系見圖2。

圖1 基頂回彈模量衰減方程示意圖

車道基頂回彈模量平均代表值Et(MPa)ExtE0tNxeN2006-2016e初始490.51.000上行一車道360.340.730.25上行二車道306.460.621.00

圖2 基頂回彈模量衰減關系圖

根據圖2，建立基層頂面模量隨累計當量軸載作用次數降低的衰減方程：

(1)

αEt=0.951 8·e-0.419x

(2)

(3)

式中，αEt——基層頂面模量衰減系數；

βNe——以2006-2016年累計標準軸載作用次數為基數的累計軸次系數；

應用基層頂面模量衰減方程可計算其衰減系數，計算結果見下頁表3。

表3 基頂回彈模量衰減系數表

3 地基模量換算

Winkler地基上無限大板的相對剛度半徑為[3]：

(4)

彈性實體地基上無限大板的相對剛度半徑為[2]：

(5)

式中，l——地基板的相對剛度半徑，mm；

Ec——混凝土彈性模量，MPa；

νc——混凝土泊松比；

K0——Winkler地基反應模量，MPa/mm；

Et——彈性實體地基模量，MPa；

hc——混凝土板厚度，mm。

取混凝土泊松比為0.15，令上兩種地基板相對剛度半徑相等，得到兩種地基模量的換算關系式：

(6)

根據此關系式，將本次檢測的4個車道地基模量E0換算為Winkler地基反應模量K0，列于表4，以用于后文采用EverFE對混凝土板應力進行分析。

表4 彈性實體地基的模量與Winkler

4 按現行規范分析路面疲勞損耗及疲勞壽命

采用現行公路水泥混凝土路面規范(2011年)確定板厚時，水泥混凝土路面結構設計應以面層板在設計基準期內，在行車荷載和溫度梯度綜合作用下，不產生疲勞斷裂作為設計標準；并以最重軸載和最大溫度梯度共同作用下，不產生極限斷裂作為驗算標準。其極限狀態設計表達式可分別采用式(7)和式(8)表示：

γr(σpr+σtr)≤fr

(7)

γr(σp，max+σt，max)≤fr

(8)

根據實測的基層頂面模量、面板厚度、混凝土模量和換算彎拉強度代表值，取可靠度系數為1.2，采用現行路面設計規范計算的路面疲勞壽命列于表5。應該指出，表5采用的參數：地基模量代表值、板厚、混凝土模量和混凝土面板彎拉強度均是在完好板塊實測，因此計算的疲勞壽命是這些完好板塊的疲勞壽命估算值。

表5 按現行規范取值計算的車道剩余疲勞壽命表

對比表1可以發現，2016年的各車道累計經受當量標準軸次(η=0.2)遠大于表5的剩余疲勞壽命，但目前這些板塊完好且顯然不可能所有的板塊在一年之內全部壞掉，可見現行路面設計規范的混凝土面板疲勞分析不能反映路面的真實狀況。

5 按本文方法取值分析面板疲勞損耗

現場調查發現混凝土面板長5 000 mm，寬4 000 mm，車道與標線幾何關系見圖3。

圖3 車道與標線幾何關系圖

實際車輛一般情況下在標線中央行駛，據此提出本檢測路段的力學模型(圖4)，實際輪印邊緣距縱縫邊緣631 mm。采用EverFE分析圖4所示的模型在標準軸載100 kN作用下的AB軸上的荷載應力σPS，同時采用現行規范的方法計算溫度疲勞應力σtr，進而分析估算路面的剩余疲勞壽命。

圖4 混凝土板荷載應力計算力學模型圖

混凝土板長5 000 mm，寬4 000 mm，厚度260 mm左右，單元劃分板長向50格、板寬向40格、板厚向5層，單元劃分模型見圖5，應力云圖見圖6，最大應力坐標點為X=2 500 mm，Y=1 200 mm。荷載應力及剩余疲勞壽命計算結果見表6，表中混凝土板參數為調查路段代表值，因此計算得疲勞壽命偏安全，需要說明的是此疲勞壽命僅是目前完好板塊的。

圖5 標準軸載100 kN作用下面板單元劃分示意圖

圖6 標準軸載100 kN作用下無脫空板板底應力云圖

車道基頂回彈模量代表值Et(MPa)混凝土板厚Hc代表值(m)混凝土彎拉回彈模量Ec(MPa)混凝土板彎拉強度fr(MPa)荷載應力σps(MPa)最大溫度應力σt,max(MPa)溫度疲勞應力σtr(MPa)疲勞壽命Ne(標準軸次)1010上行一車道360.340.269 333 3994.5840.6471.6410.60710.019上行二車道306.460.259 132 0794.3300.7031.5760.5920.759

6 結語

(1)按混凝土面層板的臨界荷位的位置在縱縫邊緣中部計算，得到的疲勞壽命與實際路況相差較大，因此本文采用臨界荷位的位置在輪印邊緣計算。

(2)計算得到的疲勞壽命可用于養護對策分析，確定中長期養護規劃方案。

[1]楊 健.淺談混凝土裂縫的原因及處理方法[J].黑龍江科技信息，2009(33)：339.

[2]JTG D40-2011，公路水泥混凝土路面設計規范[S].

[3]黃 衛，錢振東.高等水泥混凝土路面設計理論與方法[M].北京：科學出版社，2000.