港區(qū)道路堆場水泥混凝土鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

郭少鋒

（山東港通工程管理咨詢有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

對(duì)于社會(huì)發(fā)展來說，港口碼頭等地區(qū)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中發(fā)揮著重要的作用和影響，但我國在過去很長一段時(shí)間之內(nèi)，在港口碼頭地區(qū)中進(jìn)行堆場以及道路的鋪面設(shè)計(jì)與建設(shè)，常采用公路路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，這其中由于港口碼頭地區(qū)在承載力以及使用頻率方面都會(huì)遠(yuǎn)超公路，從而其中道路和堆場在結(jié)構(gòu)方面更容易出現(xiàn)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(qū)別，從而對(duì)于其建設(shè)的性能要求也必然要提高，所以沿用公路路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建設(shè)方式，會(huì)越來越不適應(yīng)港區(qū)地區(qū)。為了解決這種實(shí)際問題，也為了保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展以及確保港區(qū)發(fā)揮重要作用，社會(huì)交通部門等相關(guān)組織開始著手研究對(duì)于港區(qū)道路和堆場的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及建設(shè)方法，并編制相應(yīng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)。

1 荷載與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 載荷

對(duì)于港區(qū)而言，由于其日常來往的機(jī)械車輛以及集裝箱等重載荷設(shè)備，會(huì)加大港區(qū)的路面載荷壓力，因此也會(huì)極大的影響水泥混凝土鋪面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。其中影響較大的載荷有：裝卸設(shè)備以及車輛等流動(dòng)機(jī)械產(chǎn)生的載荷（主要是輪載）、定點(diǎn)堆放的集裝箱對(duì)路面產(chǎn)生的壓力載荷、定點(diǎn)裝卸機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的載荷（支撐腳載荷或者輪載）等。

從而對(duì)于港區(qū)而言，流動(dòng)機(jī)械種類多樣，并且還會(huì)由于不同流動(dòng)機(jī)械設(shè)備之間的輪距、噸位以及輪壓等不同因素影響，產(chǎn)生不同程度的載荷壓力。所以為了簡化設(shè)計(jì)過程和降低不同設(shè)備輪載之間的設(shè)計(jì)誤差，將港區(qū)內(nèi)部流動(dòng)機(jī)械的輪載產(chǎn)生的壓力載荷分為6級(jí)，每個(gè)級(jí)別用標(biāo)準(zhǔn)單輪作為設(shè)計(jì)載荷，如表1所示。

將其他輪載的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一換算成設(shè)計(jì)載荷。

表1 港區(qū)流動(dòng)機(jī)械輪載的分級(jí)

設(shè)計(jì)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(huì)在五層以下，箱腳尺寸為16.3 cm×17.5 cm，裝卸機(jī)械設(shè)備的支架尺寸約為30 cm×30 cm，載荷在150～350 kN之間。

1.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于港區(qū)混凝土鋪面結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的損壞形式一般會(huì)來自一次性極限損壞和長久使用之后出現(xiàn)的疲勞損壞。以此根據(jù)實(shí)際情況制定兩種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。所制定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的表達(dá)方式采用統(tǒng)一形式。具體為：允許載荷應(yīng)力σa大于等于該標(biāo)準(zhǔn)的載荷應(yīng)力σp。

式中：σp——載荷應(yīng)力在動(dòng)荷或者沖擊效應(yīng)載荷對(duì)混凝土鋪面結(jié)構(gòu)當(dāng)中產(chǎn)生的最大彎拉應(yīng)力，具體的計(jì)算公式即：

式中：Kd——沖擊系數(shù)或者動(dòng)荷；Kj——接縫之間的傳動(dòng)荷系數(shù)；σPs——最大彎拉壓力于四邊自由矩形板上形成的設(shè)計(jì)載荷。

從而在集裝箱箱腳以及流動(dòng)機(jī)械的輪載中允許的載荷應(yīng)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(shù)；溫度應(yīng)力折減系數(shù)；鋪面等級(jí)系數(shù)；混凝土強(qiáng)度增長系數(shù)；混凝土標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度。

2 載荷應(yīng)力

2.1 四邊自由矩形板的荷載應(yīng)力

使用winkler地基上Riessenr厚板模型對(duì)四邊自由矩形板的荷載應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。這當(dāng)中對(duì)能夠產(chǎn)生輪載和支腳荷載的流動(dòng)機(jī)械來說，其臨界荷載的位置，也就是產(chǎn)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(duì)來說有固定行進(jìn)通道的跨運(yùn)車等，若是其中作用于長邊邊緣的輪胎能夠有效地規(guī)避板塊劃分的位置，則產(chǎn)生的臨界荷載的位置就會(huì)在短邊邊緣的居中位置。由此在港區(qū)內(nèi)部常見的4 m×4 m的方板的標(biāo)準(zhǔn)載荷應(yīng)力（σPs0）和板長的修正系數(shù)λ之間的乘積可以用來表示流動(dòng)機(jī)械單輪和支腳在臨界載荷位置所造成的載荷應(yīng)力σPs。即：

2.2 接縫傳荷修正系數(shù)

Kj即為接縫傳荷修正系數(shù)，定義是四邊自由板板邊最大應(yīng)力與接縫傳荷最大應(yīng)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(shù)在不同接縫類型中的推薦值。

表2 Kj系數(shù)在不同接縫類型中的推薦值

2.3 動(dòng)荷和沖擊效應(yīng)

對(duì)于流動(dòng)機(jī)械輪載隨機(jī)波動(dòng)產(chǎn)生的效應(yīng)的動(dòng)荷系數(shù)即為Rd，對(duì)于沖擊系數(shù)則是由支腳載荷和箱腳載荷所產(chǎn)生。

從而產(chǎn)生動(dòng)荷效應(yīng)的流動(dòng)機(jī)械，其應(yīng)該將輪載與行駛速度進(jìn)行正比，反之則是輪載量和鋪面平整度的比較。在當(dāng)輪載量處于p1和p2級(jí)別之間時(shí)（30～130 kN），Kd應(yīng)該處在1.10～1.20之間。而在當(dāng)輪載量處于p3和p6級(jí)別之間時(shí)（130～350 kN），應(yīng)該采用1.05～1.10的Kd。

3 溫度應(yīng)力與溫度應(yīng)力折減系數(shù)

3.1 溫度應(yīng)力

對(duì)于港區(qū)內(nèi)部的鋪面結(jié)構(gòu)來說，其中存在的溫度應(yīng)力通常是有內(nèi)應(yīng)力和板翹曲應(yīng)力兩種。其中內(nèi)應(yīng)力是由沿著板厚產(chǎn)生非線性變化的溫度造成的；板翹曲應(yīng)力是由板內(nèi)溫度發(fā)生梯度變化造成的。

這當(dāng)中，對(duì)于結(jié)構(gòu)溫度產(chǎn)生應(yīng)力系數(shù)的物力含義即為：單位溫度梯度當(dāng)中產(chǎn)生的板邊溫度應(yīng)力值。其與板相對(duì)剛度和板長、板厚之比以及混凝土產(chǎn)生的彈性模量有直接的關(guān)系。如表3所示為我國沿海地區(qū)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(qū)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(yīng)力折減系數(shù)

在港區(qū)內(nèi)部，堆場存放的集裝箱，由于數(shù)量眾多，因此太陽光不會(huì)直接照射到鋪面的表面，從而溫度應(yīng)力可以直接忽略。即Kt≈1。

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

對(duì)于流動(dòng)機(jī)械本身的輪載所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力折減系數(shù)為：1-σt（ζ）/σs。這其中代表疲勞溫度應(yīng)力的是σt（ζ）。其在物理方面的含義為：自身的載荷應(yīng)力所產(chǎn)生的實(shí)際作用對(duì)鋪面結(jié)構(gòu)造成的疲勞損耗，等效于設(shè)計(jì)建設(shè)規(guī)定使用年限之內(nèi)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(yīng)力與溫度變化應(yīng)力的共同作用造成）。因此對(duì)于港區(qū)內(nèi)部的鋪面溫度應(yīng)力變化，是隨著使用年限的增加而呈現(xiàn)不同的變化，并且累積。其中日溫度應(yīng)力的變化用線性表示會(huì)呈現(xiàn)更規(guī)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(qiáng)度增長系數(shù)

對(duì)于港區(qū)內(nèi)部的混凝土鋪面來說，其中混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度（抗折強(qiáng)度）會(huì)隨著使用齡期的增長而增強(qiáng)。因此一般混凝土強(qiáng)度的設(shè)計(jì)為使用齡期28 d的抗折強(qiáng)度。從而可以得出，鋪面混凝土強(qiáng)度隨著使用年限增加而逐漸增加其強(qiáng)度，對(duì)于港區(qū)內(nèi)部鋪面結(jié)構(gòu)的使用是非常有利的。

由此對(duì)于支腿載荷的考慮是根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中極限損壞程度的載荷量，以此將混凝土強(qiáng)度作為主要的設(shè)計(jì)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(qiáng)度增長）。

從中集裝箱的載荷與流動(dòng)機(jī)械輪載所產(chǎn)生的疲勞損壞標(biāo)準(zhǔn)，用混凝土強(qiáng)度與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的比值，以疲勞損耗系數(shù)Kσ進(jìn)行定義。進(jìn)而作：“在使用規(guī)定年限之內(nèi)，鋪面結(jié)構(gòu)所受到的當(dāng)量作用次數(shù)均勻分布”這一安全假設(shè)，Kσ就可以表示為：

式中：T—為鋪面設(shè)計(jì)規(guī)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(shè)計(jì)步驟應(yīng)該在基于港區(qū)內(nèi)部主要作業(yè)需求基礎(chǔ)上，對(duì)不同分區(qū)進(jìn)行不同設(shè)計(jì)載荷的確定，并考慮港區(qū)所在地區(qū)的最大溫度梯度。以此根據(jù)這一基礎(chǔ)對(duì)港區(qū)基層類型和厚度進(jìn)行確定。之后再對(duì)混凝土的配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，并考慮混凝土標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度，對(duì)載荷應(yīng)力和允許的載荷應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

5 結(jié)語

對(duì)于港區(qū)的設(shè)計(jì)、建設(shè)和使用，對(duì)主要的道路和堆場等設(shè)計(jì)過程中，要充分考慮現(xiàn)場環(huán)境、材料以及溫度影響等重要因素，以此在考慮全面的基礎(chǔ)上，做好對(duì)載荷與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的確定、載荷應(yīng)力的計(jì)算、溫度應(yīng)力與溫度應(yīng)力折減系數(shù)的計(jì)算以及混凝土強(qiáng)度增長系數(shù)的計(jì)算，從而在做好基本的準(zhǔn)備工作之后，展開具體的設(shè)計(jì)與建設(shè)，確保港區(qū)堆場以及道路的設(shè)計(jì)和建設(shè)能夠在符合實(shí)際使用需求的同時(shí)發(fā)揮重要的作用。最終提升港口碼頭地區(qū)的使用效率，也提升經(jīng)濟(jì)效益。