水泥混凝土路面結構設計理論與方法

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構分類來看，應屬于巖土工程的地基結構物，因此混凝土路面結構設計理論與方法是隨著結構工程設計理論與巖土結構設計理論的發(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，設計方法改用多次重復作用靜荷載，混凝土的極限控制指標用疲勞極限應力表示。20世紀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，在設計方法中摻入了動力響應系數(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地基模型，至今仍然是世界各國設計方法的基礎。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)學概念的復雜性和參數(shù)測定的困難，至今在設計方法中均未采納。

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70年代隨著計算機應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80年代工程結構設計提出以概率法替代定值法，引入可靠度概念，對于混凝土路面設計，引入可靠度后的設計方法仍然以路面板的極限疲勞彎拉應力作為極限狀態(tài)指標。結構分析的理論基礎與分析方法仍然沒有本質的變化。

從20世紀50年代至今，我國水泥混凝土路面設計理論導方法不斷改進，曾經于1958年、1966年、1984年、1994年、2003年頒布過5個版本的設計規(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)標準《公路水泥混凝土路面設計規(guī)范》(JTG D40-2002)是現(xiàn)行的我國最新的混凝土路面設計規(guī)范。新規(guī)范列出的設計方法以彈性半空間地基有限大矩形板模型為基礎，以100 kN單軸雙輪標準軸載作用于矩形板縱向邊緣中部產生的最大荷載應力控制設計。設計方法采用了可靠度設計方法，以行車荷載和溫度梯度綜合作用產生的疲勞斷裂作為設計的極限狀態(tài)。該方法綜合了多年來我國道路界在科學研究和工程實踐中積累的成果和經驗，可用于指導我國當前混凝土路面工程設計。

1 混凝土路面設計基準期

路面設計基準期是計算路面結構可靠度時，考慮各項基本度量與時間關系所取用的基準時間。也可理解為保證路面結構達到規(guī)定可靠度指標的有效期間。

混凝土路面設計基準期與公路等級有關，可根據公路在路網中的功能定位，當?shù)貒窠洕l(fā)展的需求以及投資條件等因素，經綜合論證后確定。通?？蓞⒄毡?選定。

表1 公路混凝土路面設計基準期參考值

2 標準軸載及軸載當量換算

水泥混凝土路面結構設計以100 kN單軸一雙輪組荷載為標準軸載。不同軸一輪型和軸載的作用次數(shù)，應按式(1)換算為標準軸載的作用次數(shù)。

式中:Ns為100 kN的單軸一雙輪組標準軸載的通行次數(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，按照設計基準期內設計車道臨界荷位承受的標準軸載當量累計作用次數(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