公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范新解
2011版公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范新解 作者：張紅松
來源：《科技創(chuàng)新與應(yīng)用第一文庫網(wǎng)》2013年第25期
摘 要：2002版公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范主要基于上世紀(jì)的研究成果和使用經(jīng)驗(yàn)，隨著時(shí)代和技術(shù)的不斷進(jìn)步無法反映近年來取得的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)以及科技項(xiàng)目的最新成果。2011版公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范即應(yīng)運(yùn)而出，其在原計(jì)算理論、荷載分析等一些重要方面做出了修改完善。
關(guān)鍵詞：公路；水泥；混凝土
前言
新規(guī)范以局部完善為主，未進(jìn)行整體性修訂，修改也更多的是來自于近年來的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)新版規(guī)范對(duì)于水泥廠道路設(shè)計(jì)產(chǎn)生的影響，本文對(duì)其進(jìn)行了新的解讀與分析。 1 新版規(guī)范修改要點(diǎn)
主要涉及未能反映出公路車輛超載、超限的情況；力學(xué)模型和溫度應(yīng)力的計(jì)算方法；舊水泥砼路面評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和處治措施；路面材料的試驗(yàn)方法及設(shè)計(jì)參數(shù)。其具體表現(xiàn)在以下八個(gè)方面：（1）可靠度設(shè)計(jì)系數(shù)的調(diào)整；（2）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的增加，以考慮基層和重載交通的影響；
（3）強(qiáng)化了極重交通等級(jí)及相關(guān)設(shè)計(jì)軸載的規(guī)定；（4）完善了路面結(jié)構(gòu)層材料設(shè)計(jì)參數(shù)；
（5）強(qiáng)化結(jié)構(gòu)組合和材料組成設(shè)計(jì)；（6）改進(jìn)了力學(xué)模型和結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法；（7）修改了舊混凝土路面損壞評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，增加了加鋪方案的選用原則；（8）改進(jìn)了連續(xù)配筋混凝土縱向配筋率的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
2 具體介紹修改要點(diǎn)及新規(guī)范要點(diǎn)在實(shí)際中的運(yùn)用理解
2.1 可靠度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
原規(guī)范《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的公路工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安全等級(jí)共為三個(gè)等級(jí)，路面工程的安全等級(jí)僅考慮高速、一級(jí)和二級(jí)公路的路面，其相應(yīng)的安全等級(jí)要求規(guī)定為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)。
修訂后的新版規(guī)范不再改變《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的分級(jí)，而是將道路的安全等級(jí)適當(dāng)提高。安全等級(jí)是為使結(jié)構(gòu)具有合理的安全性根據(jù)工程結(jié)構(gòu)破壞所產(chǎn)生后果的嚴(yán)重程度而劃分的設(shè)計(jì)等級(jí)。提高了安全等級(jí)即提高了結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。
本次修訂還規(guī)定二級(jí)及二級(jí)以下公路（國道、省道等）可根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的嚴(yán)重后果（如具有政治、經(jīng)濟(jì)、國防或搶險(xiǎn)救災(zāi)等重要作用）提高一級(jí)設(shè)計(jì)安全等級(jí)，以提高其抗災(zāi)
能力，保障“生命線”功能的發(fā)揮；三級(jí)、四級(jí)公路交通量相對(duì)較小，根據(jù)實(shí)際調(diào)研，調(diào)整了
三、四級(jí)公路水泥混凝土路面的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期。同時(shí)針對(duì)四級(jí)公路的目標(biāo)可靠度指標(biāo)也有所調(diào)整。詳見下表
可靠度設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的調(diào)整比較
2011版規(guī)范可靠度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整表
目標(biāo)可靠度指標(biāo)γr在道路計(jì)算中直接影響到最終計(jì)算結(jié)果，當(dāng)荷載疲勞應(yīng)力與溫度疲勞應(yīng)力之和與可靠度系數(shù)的乘積，小于且接近于混凝土彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，同時(shí)，最大荷載應(yīng)力與最大溫度應(yīng)力之和與可靠度系數(shù)的乘積，小于混凝土彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，即同時(shí)滿足式γr *（σpr+σtr）≤fr和式γr（σp.max+σt.max）≤fr時(shí)，所選水泥混凝土厚度可作為混凝土板的計(jì)算厚度。由上式可看出目標(biāo)可靠度指標(biāo)的取值對(duì)水泥混凝土厚度影響非常大。
2.2 增加設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
公路車輛超載、超限是導(dǎo)致混凝土路面過早損壞的主要原因之一。由于原規(guī)范沒有反映這一狀況，本次修訂增加了超重載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和交通等級(jí)，以適應(yīng)結(jié)構(gòu)分析中考慮超重載影響的需要，避免出現(xiàn)少數(shù)超重軸載對(duì)面層板產(chǎn)生斷裂破壞。
設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的增加分為兩方面，一方面增加極限斷裂破壞驗(yàn)算，一方面增加剛性基層疲勞斷裂設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整后新規(guī)范要求：
半剛性基層上的水泥路面需同時(shí)滿足下列兩式：
γr*（σpr+σtr）≤fr-行車荷載和溫度梯度的綜合疲勞作用，路面結(jié)構(gòu)滿足的前提條件
γr（σp.max+σt.max）≤fr-應(yīng)根據(jù)交通調(diào)研情況，選定路面結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的特重軸載，按本式進(jìn)行驗(yàn)算。
剛性基層上的水泥路面需同時(shí)滿足下列三式：
γr*（σpr+σtr）≤fr
γr（σp.max+σt.max）≤fr
γr*σtpr≤fbr-貧混凝土及碾壓混凝土基層的疲勞斷裂設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，由于基層經(jīng)受的溫度梯度小，相應(yīng)的溫度翹曲應(yīng)力可以忽略不計(jì)。
根據(jù)以上新規(guī)范內(nèi)容對(duì)某工程中遇到的情況進(jìn)行計(jì)算比較：以安徽盤景2X4500t/d水泥熟料生產(chǎn)線為例，在無超載的正常情況下，以設(shè)計(jì)軸載Ps=100KN計(jì)算出Ne=1.15*107，考慮偶爾出現(xiàn)個(gè)極端重荷載Pm=150kn，180kn，200kn
安徽盤景項(xiàng)目道路結(jié)構(gòu)受力分析
由上表可看出，按原規(guī)范僅對(duì)γr*（σpr+σtr）≤fr進(jìn)行驗(yàn)算，通過計(jì)算可得γr*（σpr+σtr）=4.98
2.3 極重交通等級(jí)及相關(guān)的設(shè)計(jì)軸載的規(guī)定
新規(guī)范內(nèi)交通荷載等級(jí)按設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)設(shè)計(jì)車道臨界荷位處所承受的`設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)分為5級(jí)，增加了極重交通荷載以適應(yīng)結(jié)構(gòu)分析中考慮超重載影響的需要。
交通荷載分級(jí)
新規(guī)范中首次提出設(shè)計(jì)軸載可替代原有的標(biāo)準(zhǔn)軸載。由于水泥混凝土路面的疲勞損傷量對(duì)軸重很敏感（與軸重比成16次方的關(guān)系），對(duì)于特重軸載采用100kN設(shè)計(jì)軸載進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，基準(zhǔn)期內(nèi)的設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)往往會(huì)達(dá)到天文數(shù)字，很容易超過1010次，也難以反映全國不同地區(qū)、不同交通狀況下面板的實(shí)際受力響應(yīng)。為了避免出現(xiàn)這種情況，對(duì)于極重交通負(fù)擔(dān)的公路，新規(guī)范建議選取貨車中占主導(dǎo)的特重車型的軸載（占主要份額）作為設(shè)計(jì)軸載，以計(jì)算其疲勞效應(yīng)。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，疲勞性能的驗(yàn)算同樣采用式Ns=？撞niNl*（■）16進(jìn)行計(jì)算，但式中應(yīng)力的計(jì)算應(yīng)按設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行。
另外新規(guī)范對(duì)雙聯(lián)軸以及三聯(lián)軸也進(jìn)行了簡化計(jì)算，雙聯(lián)軸按2 次單軸計(jì)，三聯(lián)軸按3次單軸計(jì)，從而解決了多聯(lián)軸軸重不均勻的問題，并可直接利用稱重站的軸載數(shù)據(jù)。雙聯(lián)軸駛過混凝土面層板時(shí)，臨界荷位處會(huì)出現(xiàn)二次應(yīng)力峰值；三聯(lián)軸駛過時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)三次應(yīng)力峰值。由于相鄰軸產(chǎn)生負(fù)彎矩，應(yīng)力峰值要比單軸作用時(shí)�。ń档�10%～14%）。同時(shí)，根據(jù)軸載調(diào)查發(fā)現(xiàn)，多聯(lián)軸各根軸之間的軸重差異較大，雙聯(lián)軸的前軸重與平均軸重之比平均為1.03；三聯(lián)軸的前軸重與平均軸重之比平均為1.05，綜合這兩方面因素，對(duì)多聯(lián)軸的軸載換算作偏保守的處理，忽略鄰軸的影響。
通過安徽盤景2X4500t/d水泥熟料生產(chǎn)線項(xiàng)目中的車輛參數(shù)進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。
軸載當(dāng)量換算
由上表計(jì)算結(jié)果可得出，新規(guī)范在計(jì)算軸載當(dāng)量次數(shù)時(shí)較原規(guī)范更加謹(jǐn)慎，計(jì)算結(jié)果偏大，尤其三聯(lián)軸當(dāng)量次數(shù)的計(jì)算結(jié)果是原規(guī)范的數(shù)倍。其計(jì)算出的荷載應(yīng)力偏大，使水泥混凝土路面厚度偏厚且更加安全。通過表中后兩列比較，當(dāng)特重車型的軸載（占主要份額）作為設(shè)計(jì)軸載計(jì)算時(shí)，更能體現(xiàn)交通狀況下面板的實(shí)際受力響應(yīng)，計(jì)算也更加簡單。最終計(jì)算的水泥混凝土路面受力情況基本相同。
2.4 完善路面結(jié)構(gòu)層材料設(shè)計(jì)參數(shù)
新規(guī)范對(duì)材料設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了較大的修改，其主要是考慮材料的環(huán)境影響因素，考慮材料試驗(yàn)方法的發(fā)展趨勢(shì)。如可靠度系數(shù)因?yàn)榘踩燃?jí)的調(diào)整，使得相應(yīng)等級(jí)的公路可靠度系數(shù)都有所提高。有關(guān)路床的參數(shù)都有所改變，根據(jù)今年來運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)材料參數(shù)的數(shù)值給出更加準(zhǔn)確的范圍，也提出相應(yīng)的代表值給予設(shè)計(jì)人員參考。并且提出“路基因彈模量及濕度調(diào)整系數(shù)經(jīng)驗(yàn)參考值”，而不是簡單的給出中濕狀態(tài)下的材料參數(shù)，對(duì)于參數(shù)取值更加準(zhǔn)確，也更具代表性。
有關(guān)無機(jī)結(jié)合料類基層和底基層材料彈性模量經(jīng)驗(yàn)參考值給出更詳細(xì)的數(shù)值，分為四種情況下的取值：7d 浸水抗壓強(qiáng)度、試件模量、收縮開裂后模量、疲勞破壞后模量。這對(duì)于實(shí)際中的道路設(shè)計(jì)更具指導(dǎo)意義。
水泥混凝土強(qiáng)度和彈性模量經(jīng)驗(yàn)參考值也同樣根據(jù)近年實(shí)際運(yùn)行中的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，得出更加準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。
2.5 強(qiáng)化結(jié)構(gòu)組合和材料組成設(shè)計(jì)
依據(jù)公路等級(jí)、交通荷載、路基條件、當(dāng)?shù)販囟群蜐穸葼顩r以及使用性能要求，選擇及組合與之相適應(yīng)的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)。
首先提到路基，路基應(yīng)穩(wěn)定、密實(shí)、均質(zhì)，對(duì)路面結(jié)構(gòu)提供均勻的支承，在新規(guī)范內(nèi)對(duì)于路基的提出了更加明確的要求，對(duì)于季節(jié)性冰凍地區(qū)的中濕類、潮濕類和過濕類路基，當(dāng)冰凍線深度達(dá)到路基的易凍脹土層時(shí)，在易凍脹土層上應(yīng)設(shè)置防凍墊層或用不易凍脹土置換冰凍線深度范圍內(nèi)的易凍脹土；而在正常路床頂面的綜合回彈模量值，輕交通荷載等級(jí)時(shí)不得低于40MPa，中等或重交通荷載等級(jí)時(shí)不得低于60MPa，特重或極重交通荷載等級(jí)時(shí)不得低于80MPa。
作為基層和底基層有相應(yīng)的要求�；鶎雍偷谆鶎討�(yīng)具有足夠的抗沖刷能力和適當(dāng)?shù)膭偠取；鶎雍偷谆鶎拥牟牧峡梢罁?jù)交通荷載等級(jí)、結(jié)構(gòu)層組合要求和材料供應(yīng)條件。參照如下兩表數(shù)據(jù)。
各交通荷載等級(jí)的基層材料類型
各交通荷載等級(jí)的底基層材料類型
水泥混凝土面層厚度根據(jù)今年經(jīng)驗(yàn)提出新的要求，如下表所示。
水泥混凝土面層厚度的參考范圍
2.6 改進(jìn)了力學(xué)模型和結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法
本次規(guī)范修改就是改進(jìn)了力學(xué)模型，給出溫度應(yīng)力系數(shù)的數(shù)值解。
計(jì)算模型的改變主要基于兩點(diǎn)考慮：（1）文克勒（Winkler）地基板模型所得荷載應(yīng)力與實(shí)測(cè)結(jié)果符合很好，結(jié)構(gòu)的本構(gòu)關(guān)系明晰（基層頂面當(dāng)量模量無需因數(shù)據(jù)的擬合而修正）；
（2）避免荷載作用位置不同而反算獲得的地基模量相差很大的難題。設(shè)計(jì)軸載Ps在四邊自由板臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應(yīng)力σps 的計(jì)算考慮計(jì)算模型，分單層板模型、雙層板模型和復(fù)合板模型三種。
彈性地基單層板荷載應(yīng)力：
彈性地基雙層板荷載應(yīng)力
面層復(fù)合板荷載應(yīng)力
對(duì)于溫度應(yīng)力的計(jì)算，本次修訂給出了溫度應(yīng)力系數(shù)的數(shù)值解，物理概念清楚，計(jì)算精確。
彈性地基單層板溫度應(yīng)力
彈性地基雙層板溫度應(yīng)力
通過以上公式，實(shí)現(xiàn)了水泥混凝土道路結(jié)構(gòu)計(jì)算的軟件程序化，便于計(jì)算和修改，也方便多方案設(shè)計(jì)的修改。
2.7 修改了舊混凝土路面損壞評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，增加了加鋪方案的選用原則
路面損壞狀況調(diào)查評(píng)定仍然采用和兩項(xiàng)指標(biāo)評(píng)定。綜合我國公路水泥混凝土路面接縫損壞情況，本次修訂提高了混凝土板錯(cuò)臺(tái)量評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：平均錯(cuò)臺(tái)量對(duì)優(yōu)良、中、次、差四個(gè)等級(jí)平均下調(diào)2～4mm。
路面損壞狀況分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
接縫傳荷能力的評(píng)定，接縫傳荷能力是加鋪方案選擇的重要依據(jù)，本次修訂為利于控制舊路加鋪層設(shè)計(jì)后的性能，對(duì)接縫傳荷能力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的中、次、差三個(gè)等級(jí)進(jìn)行了調(diào)整，使評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)稍有提高。
接縫傳荷能力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
2.8 改進(jìn)了連續(xù)配筋混凝土縱向配筋率的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
按照連續(xù)配筋混凝土面層的工作特性及國內(nèi)外的使用經(jīng)驗(yàn)和研究成果，并參照美國力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法路面設(shè)計(jì)指南，制定了連續(xù)配筋混凝土的3項(xiàng)要求和相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)
（1）縱向鋼筋埋置深度處的裂縫縫隙平均寬度不大于0.5mm；（2）橫向裂縫的平均間距不大于1.8m；（3）鋼筋所承受的拉應(yīng)力不超過其屈服強(qiáng)度。
3 結(jié)束語
由以上闡述新老規(guī)范的差別可看出，新規(guī)范以局部完善為主，未進(jìn)行整體性修訂；新規(guī)范的主要內(nèi)容是成熟的、可靠的。新規(guī)范的修改也更多的是來自于近年來的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，適應(yīng)于社會(huì)的發(fā)展。
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