公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范新解
2011版公路水泥混凝土路面設(shè)計規(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)計規(guī)范主要基于上世紀(jì)的研究成果和使用經(jīng)驗，隨著時代和技術(shù)的不斷進(jìn)步無法反映近年來取得的建設(shè)經(jīng)驗以及科技項目的最新成果。2011版公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范即應(yīng)運(yùn)而出，其在原計算理論、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際經(jīng)驗。針對新版規(guī)范對于水泥廠道路設(shè)計產(chǎn)生的影響，本文對其進(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)力的計算方法；舊水泥砼路面評級標(biāo)準(zhǔn)和處治措施；路面材料的試驗方法及設(shè)計參數(shù)。其具體表現(xiàn)在以下八個方面：（1）可靠度設(shè)計系數(shù)的調(diào)整；（2）設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的增加，以考慮基層和重載交通的影響；
（3）強(qiáng)化了極重交通等級及相關(guān)設(shè)計軸載的規(guī)定；（4）完善了路面結(jié)構(gòu)層材料設(shè)計參數(shù)；
（5）強(qiáng)化結(jié)構(gòu)組合和材料組成設(shè)計；（6）改進(jìn)了力學(xué)模型和結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算方法；（7）修改了舊混凝土路面損壞評定標(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)計標(biāo)準(zhǔn)。
2 具體介紹修改要點(diǎn)及新規(guī)范要點(diǎn)在實際中的運(yùn)用理解
2.1 可靠度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)
原規(guī)范《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的公路工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計安全等級共為三個等級，路面工程的安全等級僅考慮高速、一級和二級公路的路面，其相應(yīng)的安全等級要求規(guī)定為一級、二級和三級。
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)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的分級，而是將道路的安全等級適當(dāng)提高。安全等級是為使結(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)計等級。提高了安全等級即提高了結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。
本次修訂還規(guī)定二級及二級以下公路（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)、國防或搶險救災(zāi)等重要作用）提高一級設(shè)計安全等級，以提高其抗災(zāi)
能力，保障“生命線”功能的發(fā)揮；三級、四級公路交通量相對較小，根據(jù)實際調(diào)研，調(diào)整了
三、四級公路水泥混凝土路面的設(shè)計基準(zhǔn)期。同時針對四級公路的目標(biāo)可靠度指標(biāo)也有所調(diào)整。詳見下表
可靠度設(shè)計基準(zhǔn)期的調(diào)整比較
2011版規(guī)范可靠度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整表
目標(biāo)可靠度指標(biāo)γr在道路計算中直接影響到最終計算結(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，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，即同時滿足式γr *（σpr+σtr）≤fr和式γr（σp.max+σt.max）≤fr時，所選水泥混凝土厚度可作為混凝土板的計算厚度。由上式可看出目標(biāo)可靠度指標(biāo)的取值對水泥混凝土厚度影響非常大。
2.2 增加設(shè)計標(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)計標(biāo)準(zhǔn)和交通等級，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)超重軸載對面層板產(chǎn)生斷裂破壞。
設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的增加分為兩方面，一方面增加極限斷裂破壞驗算，一方面增加剛性基層疲勞斷裂設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計標(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)行驗算。
剛性基層上的水泥路面需同時滿足下列三式：
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。
根據(jù)以上新規(guī)范內(nèi)容對某工程中遇到的情況進(jìn)行計算比較：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)計軸載Ps=100KN計算出Ne=1.15*107，考慮偶爾出現(xiàn)個極端重荷載Pm=150kn，180kn，200kn
安徽盤景項目道路結(jié)構(gòu)受力分析
由上表可看出，按原規(guī)范僅對γr*（σpr+σtr）≤fr進(jìn)行驗算，通過計算可得γr*（σpr+σtr）=4.98
2.3 極重交通等級及相關(guān)的設(shè)計軸載的規(guī)定
新規(guī)范內(nèi)交通荷載等級按設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)設(shè)計車道臨界荷位處所承受的`設(shè)計軸載累計作用次數(shù)分為5級，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
新規(guī)范中首次提出設(shè)計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軸重很敏感（與軸重比成16次方的關(guān)系），對于特重軸載采用100kN設(shè)計軸載進(jìn)行設(shè)計時，基準(zhǔn)期內(nèi)的設(shè)計軸載累計作用次數(shù)往往會達(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際受力響應(yīng)。為了避免出現(xiàn)這種情況，對于極重交通負(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)計軸載，以計算其疲勞效應(yīng)。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時，疲勞性能的驗算同樣采用式Ns=？撞niNl*（■）16進(jìn)行計算，但式中應(yīng)力的計算應(yīng)按設(shè)計荷載進(jìn)行。
另外新規(guī)范對雙聯(lián)軸以及三聯(lián)軸也進(jìn)行了簡化計算，雙聯(lián)軸按2 次單軸計，三聯(lián)軸按3次單軸計，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，臨界荷位處會出現(xiàn)二次應(yīng)力峰值；三聯(lián)軸駛過時，則會出現(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�。ń档�10%～14%）。同時，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)線項目中的車輛參數(shù)進(jìn)行計算對比。
軸載當(dāng)量換算
由上表計算結(jié)果可得出，新規(guī)范在計算軸載當(dāng)量次數(shù)時較原規(guī)范更加謹(jǐn)慎，計算結(jié)果偏大，尤其三聯(lián)軸當(dāng)量次數(shù)的計算結(jié)果是原規(guī)范的數(shù)倍。其計算出的荷載應(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)計軸載計算時，更能體現(xiàn)交通狀況下面板的實際受力響應(yīng)，計算也更加簡單。最終計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)計參數(shù)
新規(guī)范對材料設(shè)計參數(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，考慮材料試驗方法的發(fā)展趨勢。如可靠度系數(shù)因為安全等級的調(diào)整，使得相應(yīng)等級的公路可靠度系數(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，對材料參數(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)驗參考值”，而不是簡單的給出中濕狀態(tài)下的材料參數(shù)，對于參數(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。這對于實際中的道路設(shè)計更具指導(dǎo)意義。
水泥混凝土強(qiáng)度和彈性模量經(jīng)驗參考值也同樣根據(jù)近年實際運(yùn)行中的經(jīng)驗進(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
依據(jù)公路等級、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、均質(zhì)，對路面結(jié)構(gòu)提供均勻的支承，在新規(guī)范內(nèi)對于路基的提出了更加明確的要求，對于季節(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，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，輕交通荷載等級時不得低于40MPa，中等或重交通荷載等級時不得低于60MPa，特重或極重交通荷載等級時不得低于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��；鶎雍偷谆鶎拥牟牧峡梢罁?jù)交通荷載等級、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)。
各交通荷載等級的基層材料類型
各交通荷載等級的底基層材料類型
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)力與實測結(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 的計算考慮計算模型，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
對于溫度應(yīng)力的計算，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，實現(xiàn)了水泥混凝土道路結(jié)構(gòu)計算的軟件程序化，便于計算和修改，也方便多方案設(shè)計的修改。
2.7 修改了舊混凝土路面損壞評定標(biāo)準(zhǔn)，增加了加鋪方案的選用原則
路面損壞狀況調(diào)查評定仍然采用和兩項指標(biāo)評定。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臺量評級標(biāo)準(zhǔn)：平均錯臺量對優(yōu)良、中、次、差四個等級平均下調(diào)2～4mm。
路面損壞狀況分級標(biāo)準(zhǔn)
接縫傳荷能力的評定，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)計后的性能，對接縫傳荷能力分級標(biāo)準(zhǔn)中的中、次、差三個等級進(jìn)行了調(diào)整，使評級標(biāo)準(zhǔn)稍有提高。
接縫傳荷能力分級標(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)驗和研究成果，并參照美國力學(xué)經(jīng)驗法路面設(shè)計指南，制定了連續(xù)配筋混凝土的3項要求和相應(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際經(jīng)驗，適應(yīng)于社會的發(fā)展。
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