公路水泥混凝土路面設計規范新解

2011版公路水泥混凝土路面設計規范新解 作者：張紅松

來源：《科技創新與應用第一文庫網》2013年第25期

摘 要：2002版公路水泥混凝土路面設計規范主要基于上世紀的研究成果和使用經驗，隨著時代和技術的不斷進步無法反映近年來取得的建設經驗以及科技項目的最新成果。2011版公路水泥混凝土路面設計規范即應運而出，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。

關鍵詞：公路；水泥；混凝土

前言

新規范以局部完善為主，未進行整體性修訂，修改也更多的是來自于近年來的實際經驗。針對新版規范對于水泥廠道路設計產生的影響，本文對其進行了新的解讀與分析。 1 新版規范修改要點

主要涉及未能反映出公路車輛超載、超限的情況；力學模型和溫度應力的計算方法；舊水泥砼路面評級標準和處治措施；路面材料的試驗方法及設計參數。其具體表現在以下八個方面：（1）可靠度設計系數的調整；（2）設計標準的增加，以考慮基層和重載交通的影響；

（3）強化了極重交通等級及相關設計軸載的規定；（4）完善了路面結構層材料設計參數；

（5）強化結構組合和材料組成設計；（6）改進了力學模型和結構應力計算方法；（7）修改了舊混凝土路面損壞評定標準，增加了加鋪方案的選用原則；（8）改進了連續配筋混凝土縱向配筋率的設計標準。

2 具體介紹修改要點及新規范要點在實際中的運用理解

2.1 可靠度設計標準

原規范《公路工程結構可靠度設計統標準》中規定的公路工程結構的設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，其相應的安全等級要求規定為一級、二級和三級。

修訂后的新版規范不再改變《公路工程結構可靠度設計統一標準》的分級，而是將道路的安全等級適當提高。安全等級是為使結構具有合理的安全性根據工程結構破壞所產生后果的嚴重程度而劃分的設計等級。提高了安全等級即提高了結構重要性系數。

本次修訂還規定二級及二級以下公路（國道、省道等）可根據結構破壞可能產生的嚴重后果（如具有政治、經濟、國防或搶險救災等重要作用）提高一級設計安全等級，以提高其抗災

能力，保障“生命線”功能的發揮；三級、四級公路交通量相對較小，根據實際調研，調整了

三、四級公路水泥混凝土路面的設計基準期。同時針對四級公路的目標可靠度指標也有所調整。詳見下表

可靠度設計基準期的調整比較

2011版規范可靠度設計標準調整表

目標可靠度指標γr在道路計算中直接影響到最終計算結果，當荷載疲勞應力與溫度疲勞應力之和與可靠度系數的乘積，小于且接近于混凝土彎拉強度標準值，同時，最大荷載應力與最大溫度應力之和與可靠度系數的乘積，小于混凝土彎拉強度標準值，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。由上式可看出目標可靠度指標的取值對水泥混凝土厚度影響非常大。

2.2 增加設計標準

公路車輛超載、超限是導致混凝土路面過早損壞的主要原因之一。由于原規范沒有反映這一狀況，本次修訂增加了超重載設計標準和交通等級，以適應結構分析中考慮超重載影響的需要，避免出現少數超重軸載對面層板產生斷裂破壞。

設計標準的增加分為兩方面，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計標準。設計標準調整后新規范要求：

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，路面結構滿足的前提條件

γr（σp.max+σt.max）≤fr-應根據交通調研情況，選定路面結構可能出現的特重軸載，按本式進行驗算。

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計標準，由于基層經受的溫度梯度小，相應的溫度翹曲應力可以忽略不計。

根據以上新規范內容對某工程中遇到的情況進行計算比較：以安徽盤景2X4500t/d水泥熟料生產線為例，在無超載的正常情況下，以設計軸載Ps=100KN計算出Ne=1.15*107，考慮偶爾出現個極端重荷載Pm=150kn，180kn，200kn

安徽盤景項目道路結構受力分析

由上表可看出，按原規范僅對γr*（σpr+σtr）≤fr進行驗算，通過計算可得γr*（σpr+σtr）=4.98

2.3 極重交通等級及相關的設計軸載的規定

新規范內交通荷載等級按設計基準期內設計車道臨界荷位處所承受的`設計軸載累計作用次數分為5級，增加了極重交通荷載以適應結構分析中考慮超重載影響的需要。

交通荷載分級

新規范中首次提出設計軸載可替代原有的標準軸載。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次方的關系），對于特重軸載采用100kN設計軸載進行設計時，基準期內的設計軸載累計作用次數往往會達到天文數字，很容易超過1010次，也難以反映全國不同地區、不同交通狀況下面板的實際受力響應。為了避免出現這種情況，對于極重交通負擔的公路，新規范建議選取貨車中占主導的特重車型的軸載（占主要份額）作為設計軸載，以計算其疲勞效應。路面結構設計時，疲勞性能的驗算同樣采用式Ns=？撞niNl*（■）16進行計算，但式中應力的計算應按設計荷載進行。

另外新規范對雙聯軸以及三聯軸也進行了簡化計算，雙聯軸按2 次單軸計，三聯軸按3次單軸計，從而解決了多聯軸軸重不均勻的問題，并可直接利用稱重站的軸載數據。雙聯軸駛過混凝土面層板時，臨界荷位處會出現二次應力峰值；三聯軸駛過時，則會出現三次應力峰值。由于相鄰軸產生負彎矩，應力峰值要比單軸作用時小（降低10%～14%）。同時，根據軸載調查發現，多聯軸各根軸之間的軸重差異較大，雙聯軸的前軸重與平均軸重之比平均為1.03；三聯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水泥熟料生產線項目中的車輛參數進行計算對比。

軸載當量換算

由上表計算結果可得出，新規范在計算軸載當量次數時較原規范更加謹慎，計算結果偏大，尤其三聯軸當量次數的計算結果是原規范的數倍。其計算出的荷載應力偏大，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，當特重車型的軸載（占主要份額）作為設計軸載計算時，更能體現交通狀況下面板的實際受力響應，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 完善路面結構層材料設計參數

新規范對材料設計參數進行了較大的修改，其主要是考慮材料的環境影響因素，考慮材料試驗方法的發展趨勢。如可靠度系數因為安全等級的調整，使得相應等級的公路可靠度系數都有所提高。有關路床的參數都有所改變，根據今年來運行經驗，對材料參數的數值給出更加準確的范圍，也提出相應的代表值給予設計人員參考。并且提出“路基因彈模量及濕度調整系數經驗參考值”，而不是簡單的給出中濕狀態下的材料參數，對于參數取值更加準確，也更具代表性。

有關無機結合料類基層和底基層材料彈性模量經驗參考值給出更詳細的數值，分為四種情況下的取值：7d 浸水抗壓強度、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計更具指導意義。

水泥混凝土強度和彈性模量經驗參考值也同樣根據近年實際運行中的經驗進行調整，得出更加準確數據。

2.5 強化結構組合和材料組成設計

依據公路等級、交通荷載、路基條件、當地溫度和濕度狀況以及使用性能要求，選擇及組合與之相適應的水泥混凝土路面結構。

首先提到路基，路基應穩定、密實、均質，對路面結構提供均勻的支承，在新規范內對于路基的提出了更加明確的要求，對于季節性冰凍地區的中濕類、潮濕類和過濕類路基，當冰凍線深度達到路基的易凍脹土層時，在易凍脹土層上應設置防凍墊層或用不易凍脹土置換冰凍線深度范圍內的易凍脹土；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的要求。基層和底基層應具有足夠的抗沖刷能力和適當的剛度。基層和底基層的材料可依據交通荷載等級、結構層組合要求和材料供應條件。參照如下兩表數據。

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今年經驗提出新的要求，如下表所示。

水泥混凝土面層厚度的參考范圍

2.6 改進了力學模型和結構應力計算方法

本次規范修改就是改進了力學模型，給出溫度應力系數的數值解。

計算模型的改變主要基于兩點考慮：（1）文克勒（Winkler）地基板模型所得荷載應力與實測結果符合很好，結構的本構關系明晰（基層頂面當量模量無需因數據的擬合而修正）；

（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。設計軸載Ps在四邊自由板臨界荷位處產生的荷載應力σps 的計算考慮計算模型，分單層板模型、雙層板模型和復合板模型三種。

彈性地基單層板荷載應力：

彈性地基雙層板荷載應力

面層復合板荷載應力

對于溫度應力的計算，本次修訂給出了溫度應力系數的數值解，物理概念清楚，計算精確。

彈性地基單層板溫度應力

彈性地基雙層板溫度應力

通過以上公式，實現了水泥混凝土道路結構計算的軟件程序化，便于計算和修改，也方便多方案設計的修改。

2.7 修改了舊混凝土路面損壞評定標準，增加了加鋪方案的選用原則

路面損壞狀況調查評定仍然采用和兩項指標評定。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準：平均錯臺量對優良、中、次、差四個等級平均下調2～4mm。

路面損壞狀況分級標準

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，本次修訂為利于控制舊路加鋪層設計后的性能，對接縫傳荷能力分級標準中的中、次、差三個等級進行了調整，使評級標準稍有提高。

接縫傳荷能力分級標準

2.8 改進了連續配筋混凝土縱向配筋率的設計標準

按照連續配筋混凝土面層的工作特性及國內外的使用經驗和研究成果，并參照美國力學經驗法路面設計指南，制定了連續配筋混凝土的3項要求和相應的技術指標

（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）鋼筋所承受的拉應力不超過其屈服強度。

3 結束語

由以上闡述新老規范的差別可看出，新規范以局部完善為主，未進行整體性修訂；新規范的主要內容是成熟的、可靠的。新規范的修改也更多的是來自于近年來的實際經驗，適應于社會的發展。

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