城鎮(zhèn)道路連續(xù)配筋混凝土路面設(shè)計

謝卓昊

(華設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司常州分公司，江蘇 常州 213000)

1 工程概況

341省道溧陽段改擴(kuò)建工程起點(diǎn)位于方里村以西，與341省道別橋段線位相接，起點(diǎn)樁號為K18+850.000，路線終點(diǎn)位于青墩立交橋西橋頭，終點(diǎn)樁號為K32+823.041。全段均采用雙向四車道路基標(biāo)準(zhǔn)斷面，按一級公路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計速度為100 km/h。路段路基全寬26.0 m，中間帶3.5 m(含左側(cè)路緣帶2×0.75 m)，行車道2 m×2 m×3.75 m，硬路肩2 m×3.0 m，土路肩2 m×0.75 m。路基設(shè)計標(biāo)高為左側(cè)路緣帶與中央分隔帶相接處的路面標(biāo)高。路線基本呈東西走向，主要經(jīng)過別橋鎮(zhèn)、竹簀鎮(zhèn)等城鎮(zhèn)。工程所在地年平均氣溫15.4 ℃，極端最高氣溫41.5 ℃，極端最低氣溫-15.5 ℃，年平均降水量為1 071.4 mm。為消除普通混凝土路面橫向接縫，提升路面平整度和行車舒適性，延長路面使用壽命，該道路改擴(kuò)建段決定采用連續(xù)配筋混凝土路面結(jié)構(gòu)。

2 設(shè)計思路

現(xiàn)行《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D40-2011)與原版本相比，在連續(xù)配筋混凝土路面縱向配筋設(shè)計方面進(jìn)行了較大修訂，新規(guī)范中只有CRCP路面配筋設(shè)計方法，而對CRCP路面加鋪瀝青混凝土面層時配筋設(shè)計的相關(guān)規(guī)定仍不具體和明確?，F(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，CRCP路面縱向鋼筋必須使用直徑12～20 mm的螺紋鋼，且鋼筋和面層頂面的距離應(yīng)至少為90 mm；鋼筋設(shè)置間距應(yīng)按照集料最大粒徑2.5倍確定，且不超出250 mm，邊緣鋼筋與縱縫及自由邊的距離控制在100～150 mm；橫向裂縫間距應(yīng)控制在1.8 m左右，鋼筋埋設(shè)處縫隙寬度應(yīng)不超出0.5 mm；縱向配筋率必須結(jié)合交通運(yùn)行實(shí)際在0.6%～1.0%之間選取。

CRCP路面及瀝青混凝土加鋪層設(shè)置縱向配筋主要目的在于控制橫向裂縫寬度、間距、裂縫對荷載的傳遞能力、鋼筋承受的拉應(yīng)力以及縱向裂縫對混凝土板邊的沖斷?，F(xiàn)行規(guī)范中的有關(guān)CRCP路面縱向配筋設(shè)計要求其實(shí)參照的是美國AASHTO極限準(zhǔn)則，控制裂縫寬度的目的在于防止剝落和滲水，控制裂縫間距的目的在于降低剝落和沖斷發(fā)生的可能，限制鋼筋應(yīng)力的作用在于避免鋼筋發(fā)生拉斷破壞[1]。

依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范及該城鎮(zhèn)道路工程實(shí)際的基礎(chǔ)上，CRCP路面結(jié)構(gòu)分連續(xù)配筋混凝土層(CRC層)和加鋪層(AC層)兩個層次設(shè)計，CRCP路面計算模型，其中AC層彈性模量EAC=1 200 MPa，泊松比μAC=0.3；CRC層彈性模量EC=31 000 MPa，泊松比μC=0.15；水穩(wěn)碎石層彈性模量ED=1 000 MPa，泊松比μD=0.25；土基層彈性模量E=40 MPa，泊松比μ=0.35。在CRCP路面結(jié)構(gòu)中，加鋪層(AC層)主要起到分離上下混凝土板的作用，采用分離式加鋪結(jié)構(gòu)；而連續(xù)配筋混凝土層(CRC層)則主要對舊水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)起到補(bǔ)強(qiáng)作用，改善路面排水性能，提升路面平整度。

3 連續(xù)配筋混凝土路面設(shè)計方案

3.1 連續(xù)配筋混凝土加鋪層設(shè)計

通過設(shè)置混凝土加鋪層以起到調(diào)平、補(bǔ)強(qiáng)的作用，增強(qiáng)CRCP路面抗滑、平整、抗變形、密水等表面功能。CRCP路面是在路面設(shè)置足夠數(shù)量的縱向鋼筋，防止路面板因縱向收縮等原因而發(fā)生斷裂，為此，該路面形式除應(yīng)在施工縫和構(gòu)造內(nèi)設(shè)置脹縫外，其余部位無需設(shè)置脹縫和縮縫，所形成的混凝土路面結(jié)構(gòu)完整且平坦，能夠有效防止混凝土路面所普遍存在的接縫破壞，同時還能提升路面板結(jié)構(gòu)的整體剛度、承載力和抗水損性能。然而，CRCP路面并非完全沒有裂縫，混凝土收縮變形應(yīng)力等主要受到鋼筋約束，所以裂縫一般分散在較多部位，寬度也極其微小，大多裂縫肉眼觀察不到[2]。這種微小的裂縫不會影響路面結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和行車穩(wěn)定，不影響路面使用效果。但是CRCP路面鋼筋用量較多，對施工工序要求也較為嚴(yán)格。

(1)混凝土加鋪層的溫度效應(yīng)

瀝青混凝土熱傳導(dǎo)性能、吸收太陽輻射的能力均與水泥混凝土材料不同，當(dāng)瀝青混凝土層厚較小的情況下，層間溫度可能會比無瀝青混凝土面層的溫度高，瀝青混凝土層的隔熱作用完全得不到發(fā)揮。這就表明CRCP路面存在一個臨界的瀝青混凝土面層厚度。應(yīng)用傳熱學(xué)原理及ABAQUS有限元軟件進(jìn)行了高溫效應(yīng)下連續(xù)配筋混凝土加鋪層臨界厚度值的分析計算，結(jié)果匯總見圖1。由圖1可知，連續(xù)配筋混凝土加鋪層厚度只有達(dá)到4 cm及以上才能有效發(fā)揮隔熱效果，綜合考慮隔熱效果及施工成本，最終將該城鎮(zhèn)道路連續(xù)配筋混凝土加鋪層厚度確定為4 cm[3]。

圖1 混凝土層厚與層間溫度的關(guān)系曲線

瀝青混凝土面層厚度還與CRCP路面頂面溫度有一定關(guān)系，通過試驗得知，在不設(shè)置瀝青混凝土加鋪層時CRCP路面頂面溫度最高可達(dá)51.1 ℃，而當(dāng)設(shè)置厚度在4～14 cm的加鋪層后，CRCP路面頂面最高溫度的變動趨勢與混凝土面層厚度有關(guān)，具體見圖2。根據(jù)圖2結(jié)果，瀝青混凝土面層厚度對CRCP路面頂面最高溫度影響較大。當(dāng)混凝土面層厚度從4 cm增加至10 cm，則CRCP路面頂面最高溫度從49.8 ℃降低至42.9 ℃，降幅明顯。所以，瀝青混凝土層具有較好的隔熱效果，能使CRCP路面鋼筋拉應(yīng)力、溫度翹曲應(yīng)力等均降低。

圖2 CRCP路面頂面最高溫度與混凝土面層厚度的關(guān)系曲線

取該城鎮(zhèn)道路工程所在地區(qū)低溫季節(jié)24 h的實(shí)測氣溫為代表值，進(jìn)行溫度持續(xù)變化情況下瀝青混凝土加鋪層厚度對CRCP路面頂面溫度影響的試驗和分析。根據(jù)試驗結(jié)果，在不設(shè)置瀝青混凝土加鋪層時，CRCP路面頂面最高溫度為-2.7 ℃，而加鋪厚度4～14 cm的瀝青混凝土面層后CRCP路面頂面最高溫度將會表現(xiàn)出一定程度的波動，具體見圖3。由圖3可知，瀝青混凝土加鋪層厚度對CRCP路面頂面最低溫度的影響較小，當(dāng)加鋪層厚度從4 cm增加至10 cm，頂面最低溫度從-2.7 ℃提升至-2.5 ℃，這表明瀝青混凝土加鋪層保溫效果一般。

圖3 CRCP路面頂面最低溫度與混凝土面層厚度的關(guān)系曲線

(2)路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)合初始設(shè)計思路及對混凝土加鋪層的溫度效應(yīng)的分析，采用有限元分析方法進(jìn)行該城鎮(zhèn)道路CRCP路面荷載應(yīng)力、溫度應(yīng)力等受力狀況的進(jìn)一步分析，綜合考慮重載超載作用的基礎(chǔ)上確定配筋量。以控制裂縫間距和寬度及鋼筋應(yīng)力為設(shè)計指標(biāo)，進(jìn)行了該城鎮(zhèn)道路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化，即主線路面結(jié)構(gòu)為4 cm厚瀝青混凝土加鋪層+22 cm厚連續(xù)配筋混凝土+2 cm厚AC-10瀝青混合料隔離層粘層+換板壓漿處治后的原水泥混凝土板設(shè)計；硬路肩路面結(jié)構(gòu)為26 cm厚水泥混凝土板+換板壓漿處治后的原水泥混凝土板設(shè)計。通過現(xiàn)場檢測及室內(nèi)試驗進(jìn)行了方案合理性及適用性驗證，驗證結(jié)果顯示，該城鎮(zhèn)道路試驗路段采用24 cm厚的連續(xù)配筋混凝土加鋪層在結(jié)構(gòu)上完全可行；縱向鋼筋采用直徑18 mm的二級鋼筋并按16 cm間距設(shè)置；裂縫間距為1.625 m，裂縫寬度平均為0.91 mm；鋼筋應(yīng)力168 MPa，比鋼筋屈服強(qiáng)度340 MPa小；橫向鋼筋采用直徑14 mm的二級鋼筋并按70 cm間距設(shè)置。橫縱向鋼筋配筋率分別為0.092%和0.663%，滿足規(guī)范要求。

3.2 配筋設(shè)計

連續(xù)配筋混凝土路面設(shè)計的關(guān)鍵在于配筋設(shè)計，包括橫縱筋配筋率的確定和鋼筋規(guī)格、配筋位置確定兩個方面的工作任務(wù)。

(1)橫縱筋配筋率的確定

CRCP路面設(shè)計中橫向鋼筋用量較少，其配筋率應(yīng)當(dāng)按照縱向鋼筋配筋率的1/8～1/5確定，作用在于確?？v向鋼筋間距及穩(wěn)固鋼筋網(wǎng)。結(jié)合相關(guān)規(guī)范及工程經(jīng)驗，橫向鋼筋應(yīng)選用直徑12 mm的筋材，間距應(yīng)按照0.8 m的要求確定。

縱向鋼筋配筋率應(yīng)當(dāng)結(jié)合裂縫寬度、裂縫間距、鋼筋間距及鋼筋應(yīng)力等參數(shù)綜合確定，一般控制在0.6%～0.8%，在具體設(shè)計過程中，應(yīng)初擬0.7%的配筋率，再計算并校核裂縫寬度、裂縫間距、鋼筋間距和鋼筋應(yīng)力，不斷修正，直至滿足設(shè)計要求。

(2)配筋方案

根據(jù)規(guī)范及經(jīng)驗公式進(jìn)行驗算，確保裂縫寬度<1 mm，裂縫間距在1.0～2.5 m之間，鋼筋間距在100～250 mm，鋼筋應(yīng)力不超出極限拉伸強(qiáng)度。根據(jù)驗算結(jié)果，最終采用直徑16 mm的鋼筋為縱向筋，配筋率0.72%，鋼筋設(shè)置間距103 mm，搭接長度40 cm，單面焊接；橫向筋采用直徑12 mm的鋼筋，并按照60 cm間距設(shè)置；焊接段連線和縱向鋼筋夾角控制在45°。

3.3 端部處理

CRCP路面因取消了橫向接縫，很容易因混凝土材料熱脹冷縮而在路面和其他構(gòu)造物、瀝青路面及混凝土路面連接部位產(chǎn)生縱向位移，進(jìn)而產(chǎn)生較大的水平推力，破壞路面結(jié)構(gòu)并影響構(gòu)造物穩(wěn)定性。為防止端部發(fā)生嚴(yán)重位移損壞路面，必須在CRCP路面和構(gòu)造物、瀝青路面、橋梁等銜接處采取合適的端部處理措施，以控制或消除可能出現(xiàn)的縱向位移，確保路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行。常見的端部處理技術(shù)包括混凝土灌注樁錨固、地錨梁錨固、設(shè)置脹縫、寬翼緣工字梁等。考慮到脹縫施工處理要求較高，如果處理不當(dāng)，會造成接縫損壞，而混凝土灌注樁造價高，施工過程復(fù)雜。綜合考慮以上措施的優(yōu)劣勢，按照《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D40-2011)的規(guī)定，該道路工程CRCP路面端部主要采用地錨梁錨固及寬翼緣工字梁兩種處理措施。

地錨梁錨固方案設(shè)計時，應(yīng)先確定出溫度應(yīng)變最大值，計算地錨梁極限抗剪力及約束力、錨固梁數(shù)量，并確定錨固梁和路面板內(nèi)附加內(nèi)力，最后根據(jù)以上所確定出的參數(shù)進(jìn)行地錨梁和路面板配筋的布置與驗算。該城鎮(zhèn)道路路基表面摩擦系數(shù)取1.5，路基土容重192 000 N/m3，粘聚力0.06 MPa，混凝土材料容重24 500 N/m3。工字梁設(shè)計時應(yīng)先確定出溫度應(yīng)變最大值和端部位移最大值，根據(jù)約束位移計算約束力，最后通過有限元法進(jìn)行錨固系統(tǒng)受力分析。當(dāng)前國內(nèi)并無合適且型號規(guī)格符合要求的工字鋼材料，必須特殊加工。該城鎮(zhèn)道路地錨梁外側(cè)應(yīng)連續(xù)設(shè)置三道脹縫，工字梁必須和普通混凝土面板連接，混凝土面板再和橋臺連接，并增設(shè)一道脹縫。

4 結(jié) 論

綜上所述，路面層結(jié)構(gòu)設(shè)計和配筋設(shè)計是連續(xù)配筋混凝土路面(CRCP路面)設(shè)計的主要內(nèi)容，推薦的設(shè)計方法對于現(xiàn)行規(guī)范中縫隙寬度、橫向裂縫間距等方面的規(guī)定具有補(bǔ)充說明的積極作用，在CRCP路面縱向配筋設(shè)計方面也充分考慮了溫度效應(yīng)的影響，使設(shè)計結(jié)果更加契合工程實(shí)際。在原設(shè)計基礎(chǔ)上所進(jìn)行的原水泥混凝土路面加鋪連續(xù)配筋混凝土路面的方案可作為類似工程實(shí)踐的借鑒參考。