港區道路堆場水泥混凝土鋪面結構設計方法

郭少鋒

（山東港通工程管理咨詢有限公司，山東 煙臺 264000）

對于社會發展來說，港口碼頭等地區在社會經濟發展過程中發揮著重要的作用和影響，但我國在過去很長一段時間之內，在港口碼頭地區中進行堆場以及道路的鋪面設計與建設，常采用公路路面結構的設計方法，這其中由于港口碼頭地區在承載力以及使用頻率方面都會遠超公路，從而其中道路和堆場在結構方面更容易出現損壞，并且由于其使用過程與各方面都與公路有著較大的差異和區別，從而對于其建設的性能要求也必然要提高，所以沿用公路路面的結構設計與建設方式，會越來越不適應港區地區。為了解決這種實際問題，也為了保障社會經濟穩定發展以及確保港區發揮重要作用，社會交通部門等相關組織開始著手研究對于港區道路和堆場的結構設計以及建設方法，并編制相應的設計與建設規范、標準。

1 荷載與設計標準

1.1 載荷

對于港區而言，由于其日常來往的機械車輛以及集裝箱等重載荷設備，會加大港區的路面載荷壓力，因此也會極大的影響水泥混凝土鋪面結構的穩定性。其中影響較大的載荷有：裝卸設備以及車輛等流動機械產生的載荷（主要是輪載）、定點堆放的集裝箱對路面產生的壓力載荷、定點裝卸機械設備產生的載荷（支撐腳載荷或者輪載）等。

從而對于港區而言，流動機械種類多樣，并且還會由于不同流動機械設備之間的輪距、噸位以及輪壓等不同因素影響，產生不同程度的載荷壓力。所以為了簡化設計過程和降低不同設備輪載之間的設計誤差，將港區內部流動機械的輪載產生的壓力載荷分為6級，每個級別用標準單輪作為設計載荷，如表1所示。

將其他輪載的設計標準統一換算成設計載荷。

表1 港區流動機械輪載的分級

設計集裝箱箱腳的載荷在50～220 kN之間，一般情況下，集裝箱高度會在五層以下，箱腳尺寸為16.3 cm×17.5 cm，裝卸機械設備的支架尺寸約為30 cm×30 cm，載荷在150～350 kN之間。

1.2 設計標準

對于港區混凝土鋪面結構所產生的損壞形式一般會來自一次性極限損壞和長久使用之后出現的疲勞損壞。以此根據實際情況制定兩種設計標準。所制定的設計標準的表達方式采用統一形式。具體為：允許載荷應力σa大于等于該標準的載荷應力σp。

式中：σp——載荷應力在動荷或者沖擊效應載荷對混凝土鋪面結構當中產生的最大彎拉應力，具體的計算公式即：

式中：Kd——沖擊系數或者動荷；Kj——接縫之間的傳動荷系數；σPs——最大彎拉壓力于四邊自由矩形板上形成的設計載荷。

從而在集裝箱箱腳以及流動機械的輪載中允許的載荷應力σa可用下列公式表示：

式中：Kn、Kt、Kc、Kσ、σs——分別表示疲勞折減系數；溫度應力折減系數；鋪面等級系數；混凝土強度增長系數；混凝土標準設計彎拉強度。

2 載荷應力

2.1 四邊自由矩形板的荷載應力

使用winkler地基上Riessenr厚板模型對四邊自由矩形板的荷載應力進行計算。這當中對能夠產生輪載和支腳荷載的流動機械來說，其臨界荷載的位置，也就是產生載荷作用最大的位置，一般在于矩形板長邊的邊緣居中位置。而相對來說有固定行進通道的跨運車等，若是其中作用于長邊邊緣的輪胎能夠有效地規避板塊劃分的位置，則產生的臨界荷載的位置就會在短邊邊緣的居中位置。由此在港區內部常見的4 m×4 m的方板的標準載荷應力（σPs0）和板長的修正系數λ之間的乘積可以用來表示流動機械單輪和支腳在臨界載荷位置所造成的載荷應力σPs。即：

2.2 接縫傳荷修正系數

Kj即為接縫傳荷修正系數，定義是四邊自由板板邊最大應力與接縫傳荷最大應力的比值。因此接縫類型就成為影響Kj大小的主要因素。如表2所示為Kj系數在不同接縫類型中的推薦值。

表2 Kj系數在不同接縫類型中的推薦值

2.3 動荷和沖擊效應

對于流動機械輪載隨機波動產生的效應的動荷系數即為Rd，對于沖擊系數則是由支腳載荷和箱腳載荷所產生。

從而產生動荷效應的流動機械，其應該將輪載與行駛速度進行正比，反之則是輪載量和鋪面平整度的比較。在當輪載量處于p1和p2級別之間時（30～130 kN），Kd應該處在1.10～1.20之間。而在當輪載量處于p3和p6級別之間時（130～350 kN），應該采用1.05～1.10的Kd。

3 溫度應力與溫度應力折減系數

3.1 溫度應力

對于港區內部的鋪面結構來說，其中存在的溫度應力通常是有內應力和板翹曲應力兩種。其中內應力是由沿著板厚產生非線性變化的溫度造成的；板翹曲應力是由板內溫度發生梯度變化造成的。

這當中，對于結構溫度產生應力系數的物力含義即為：單位溫度梯度當中產生的板邊溫度應力值。其與板相對剛度和板長、板厚之比以及混凝土產生的彈性模量有直接的關系。如表3所示為我國沿海地區以及長江中下游流域五十年一遇的最大溫度梯度值。

表3 我國沿海地區以及長江中下游流域五十年一遇的最大溫度梯度值 /（℃/cm）

3.2 溫度應力折減系數

在港區內部，堆場存放的集裝箱，由于數量眾多，因此太陽光不會直接照射到鋪面的表面，從而溫度應力可以直接忽略。即Kt≈1。

而對于支腳以及支腿所產生的一次性的具有極限作用的溫度應力的折減系數可以定義為：1-σtm/σs=Kt。

對于流動機械本身的輪載所產生的溫度應力折減系數為：1-σt（ζ）/σs。這其中代表疲勞溫度應力的是σt（ζ）。其在物理方面的含義為：自身的載荷應力所產生的實際作用對鋪面結構造成的疲勞損耗，等效于設計建設規定使用年限之內所造成的疲勞損壞（這方面的疲勞損壞是由使用期間的載荷應力與溫度變化應力的共同作用造成）。因此對于港區內部的鋪面溫度應力變化，是隨著使用年限的增加而呈現不同的變化，并且累積。其中日溫度應力的變化用線性表示會呈現更規律的正弦曲線變化，年變化則跟隨日變化形式隨之變化。

4 混凝土強度增長系數

對于港區內部的混凝土鋪面來說，其中混凝土結構的強度（抗折強度）會隨著使用齡期的增長而增強。因此一般混凝土強度的設計為使用齡期28 d的抗折強度。從而可以得出，鋪面混凝土強度隨著使用年限增加而逐漸增加其強度，對于港區內部鋪面結構的使用是非常有利的。

由此對于支腿載荷的考慮是根據設計標準中極限損壞程度的載荷量，以此將混凝土強度作為主要的設計值最為合適。由此σs（tt）和σs之間的比值用來表示Kσ（混凝土強度增長）。

從中集裝箱的載荷與流動機械輪載所產生的疲勞損壞標準，用混凝土強度與設計標準強度的比值，以疲勞損耗系數Kσ進行定義。進而作：“在使用規定年限之內，鋪面結構所受到的當量作用次數均勻分布”這一安全假設，Kσ就可以表示為：

式中：T—為鋪面設計規定的使用年限；t1—鋪面在開始使用期間的混凝土齡期。

以此主要的設計步驟應該在基于港區內部主要作業需求基礎上，對不同分區進行不同設計載荷的確定，并考慮港區所在地區的最大溫度梯度。以此根據這一基礎對港區基層類型和厚度進行確定。之后再對混凝土的配合比進行設計，并考慮混凝土標準設計強度，對載荷應力和允許的載荷應力進行計算。

5 結語

對于港區的設計、建設和使用，對主要的道路和堆場等設計過程中，要充分考慮現場環境、材料以及溫度影響等重要因素，以此在考慮全面的基礎上，做好對載荷與設計標準的確定、載荷應力的計算、溫度應力與溫度應力折減系數的計算以及混凝土強度增長系數的計算，從而在做好基本的準備工作之后，展開具體的設計與建設，確保港區堆場以及道路的設計和建設能夠在符合實際使用需求的同時發揮重要的作用。最終提升港口碼頭地區的使用效率，也提升經濟效益。