瀝青路面結(jié)構(gòu)的可靠度優(yōu)化設(shè)計

張培賢，劉 寧，吳軍軍，李大明

(山東中咨公路咨詢設(shè)計有限公司，山東 東營 257091)

瀝青路面結(jié)構(gòu)的可靠度優(yōu)化設(shè)計

張培賢，劉 寧，吳軍軍，李大明

(山東中咨公路咨詢設(shè)計有限公司，山東 東營 257091)

針對目前瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠度設(shè)計過程中存在的問題影響，分析了研究瀝青路面結(jié)構(gòu)可靠度優(yōu)化設(shè)計的現(xiàn)實(shí)意義與影響設(shè)計不穩(wěn)定的具體因素，并提出了優(yōu)化可靠度設(shè)計的方法策略，其目的是為相關(guān)建設(shè)者提供一些理論依據(jù)。結(jié)果表明，要想實(shí)現(xiàn)瀝青路面結(jié)構(gòu)的可靠度設(shè)計，相關(guān)人員應(yīng)從問題角度入手，即在明確分析方法、設(shè)計過程以及施工過程存在的不確定因素情況下，使優(yōu)化設(shè)計策略具有一定針對性。

瀝青路面結(jié)構(gòu)；可靠度；模型選擇；遺傳算法；彎沉設(shè)計

1 影響瀝青路面結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計不穩(wěn)定因素分析

1.1 分析方法不確定性

以柔性路面采用的瀝青混合料為例，設(shè)計人員利用其空隙率變異的概率進(jìn)行了建模，并結(jié)合有限元模型、該理論以及仿真技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的可靠度控制。具體來說，就是利用隨機(jī)場法和均一化法，通過量化空隙結(jié)構(gòu)不確定性對瀝青混合料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，均一化方法的可靠度設(shè)計未開裂柔性路面性能的實(shí)際變異影響，即忽略了材料力學(xué)性能可能帶來的不確定性。

1.2 設(shè)計過程不確定性

設(shè)計過程的不確定性主要體現(xiàn)在參數(shù)的不確定性，即交通參數(shù)、路面結(jié)構(gòu)材料以及路面結(jié)構(gòu)集合參數(shù)。其中交通參數(shù)是指，路面設(shè)置基準(zhǔn)內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)軸載累計作用次數(shù)的變異性；路面材料是指，結(jié)構(gòu)各項(xiàng)物理力學(xué)性能因施工技術(shù)、施工管理水平以及材料的影響，而出現(xiàn)不缺性問題。這里的物理力學(xué)性能包括：路面結(jié)構(gòu)層回彈模量、土基回彈模量以及整體性結(jié)構(gòu)層的劈裂強(qiáng)度。此外，隨著車流量的不斷增加，載重問題導(dǎo)致交通參數(shù)變異統(tǒng)計變小，而現(xiàn)有的施工與管理水平，會導(dǎo)致材料性能與幾何參數(shù)等統(tǒng)計值過大。而且，相關(guān)建設(shè)人員并未將現(xiàn)有的X射線CT成像技術(shù)作用于實(shí)際統(tǒng)計，這就使得設(shè)計過程存在的不確定性問題難以得到有效控制。

1.3 施工過程不確定性

經(jīng)分析證實(shí)，施工參數(shù)的不確定性與瀝青路面的施工質(zhì)量密切相關(guān)，即不僅會對瀝青路面使用性能造成影響，還會降低結(jié)構(gòu)使用的耐久性。具體來說，當(dāng)前瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計采用疲勞破壞原則，這就使得施工與設(shè)計要求不可避免的存在差異。這種情況，導(dǎo)致工程建成后的瀝青路面疲勞壽命與設(shè)計疲勞壽命，也會出現(xiàn)一定差異。造成施工過程不確定性問題存在的原因?yàn)椋┕げ牧系睦碚撗芯砍晒c建成后路面工程的實(shí)際效果偏差，甚至脫節(jié)。此問題的存在，是研究人員對實(shí)際施工成型路面的不確定因素考慮較少導(dǎo)致的。

2 優(yōu)化瀝青路面結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計應(yīng)用策略

2.1 優(yōu)化可靠度設(shè)計模型選擇

由于我國對瀝青路面結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計理念研究起步較晚，使得其因失效破壞而產(chǎn)生的成本費(fèi)用，并未得到有效的控制。為此，結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計人員應(yīng)通過優(yōu)化設(shè)計模型的選擇，來避免造價成本提升所帶來的影響。具體來說，目標(biāo)函數(shù)為

約束條件為：s.t.pfl≤pfio

himin≤hi≤himax

公式中，si為各個瀝青路面結(jié)構(gòu)層的單價；hi為各個瀝青路面結(jié)構(gòu)層的厚度；n為瀝青路面的結(jié)構(gòu)層數(shù)；pfl為彎沉失效概率；pfio為彎沉容許失效概率。而后，經(jīng)過上述建模公式后，再進(jìn)行綜合考慮各項(xiàng)費(fèi)用，通過比選，最終，確定具有經(jīng)濟(jì)合理性的路面結(jié)構(gòu)方案來進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化與施工選用處理。

2.2 遺傳算法應(yīng)用控制

該方法主要根據(jù)進(jìn)化論原理，其以應(yīng)用效果的高效性、隨機(jī)搜索性，廣泛作用于各種結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化。具體來說，遺傳算法將待解決的目標(biāo)對象看成遺傳學(xué)中的“染色體”，即代表二進(jìn)制的編碼串。同時，在執(zhí)行遺傳算法前，設(shè)計人員應(yīng)通過給出一系列“染色體”，即問題假設(shè)，來將諸多不穩(wěn)定因素納入到其中。而后，就能將這些“染色體”解置于當(dāng)前的問題環(huán)境中，并按照相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，通過變異、交叉等方式，提高適應(yīng)環(huán)境的效果。這樣一來，眾多不確定問題就能在交叉與變異過程中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計控制手段的進(jìn)化，從而選出一個最具環(huán)境適應(yīng)效果的“染色體”，即基于瀝青路面結(jié)構(gòu)所處實(shí)際施工設(shè)計環(huán)境的可靠度優(yōu)化設(shè)計方案。

2.3 彎沉設(shè)計方法

路面的功能函數(shù)，即路面的極限狀態(tài)方程定義為：g=N-n。其中：N為路面的疲勞壽命；n為預(yù)估軸載重復(fù)作用次數(shù)，其可靠度R=P(g>0)=P(N>n)，公式中：ls為路表實(shí)際彎沉；lR為路表容許回彈彎沉?？梢姡捎胠R-ls和N-n兩種功能函數(shù)并無差異。因此，在瀝青路面的可靠性分析中，彎沉的解析解是關(guān)于路面結(jié)構(gòu)層模量、結(jié)構(gòu)層厚度等參數(shù)的極為復(fù)雜的隱函數(shù)。為了對柔性路面進(jìn)行可靠性分析，采用標(biāo)準(zhǔn)FORTRAN語言編制了計算機(jī)程序RELF1，該程序采用了概率分析中的蒙特卡洛模擬法，在每次模擬中，利用計算彎沉的簡化公式來求三層體系路面結(jié)構(gòu)雙圓荷載輪隙中心點(diǎn)的彎沉值以及路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

3 結(jié)束語

總體而言，我國道路工程的瀝青路面結(jié)構(gòu)建設(shè)市場已經(jīng)呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展趨勢，其全面提升工程建設(shè)使用效果的同時，也為結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)合理性帶來的新的要求與挑戰(zhàn)。相關(guān)人員應(yīng)加大可靠度設(shè)計的優(yōu)化研究，即在明確缺陷的基礎(chǔ)上，找出科學(xué)技術(shù)應(yīng)用方向與重點(diǎn)。事實(shí)證明，只有這樣，才能使瀝青路面的可靠度優(yōu)化設(shè)計達(dá)到工程項(xiàng)目對其結(jié)構(gòu)作用效果提出的需求目標(biāo)，從而緩解現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)建設(shè)給交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)展帶來的壓力。為此，研究人員應(yīng)結(jié)合工程建設(shè)的實(shí)際情況，采用具有針對性的可靠度優(yōu)化設(shè)計策略，來降低市場環(huán)境的多元化發(fā)展對工程建設(shè)穩(wěn)定性所帶來的影響。

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U412

C

1008-3383(2017)10-0060-02

2017-08-01

張培賢(1986-)，男，工程師，研究方向：總體、路線、交通工程及沿線設(shè)施。