虞秋富 ，馬士賓 ，陳 晗 ，王海燕

（1.河北工業(yè)大學(xué)土木學(xué)院，天津 300400；2.天津市市政工程設(shè)計研究院，天津 300051）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展，城市的規(guī)模正在迅速變大，城市人口密度的增加給城市交通帶來了很大的壓力。與此同時，地下道路正以其可提高線路標(biāo)準(zhǔn)、縮短運營里程、保護環(huán)境、減少拆遷、噪音污染少等優(yōu)點而越來越得到人們的青睞。城市地下道路內(nèi)采用連續(xù)配筋混凝土基層和瀝青混凝土面層組合的復(fù)合式路面具有很多優(yōu)點。CRC層由于縱向配置了足夠的鋼筋而具有非常強的結(jié)構(gòu)承載能力，同時CRC取消了橫向接縫，可以減少路面水損害。而AC層則可以改善路面行駛性能。AC+CRC路面結(jié)構(gòu)可以大大提高地下道路路面的使用性能、使用壽命和服務(wù)水平等。但是由于種種原因，作為地下道路重要組成部分的CRC+AC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計卻未得到足夠的重視，即大部分地下道路內(nèi)路面結(jié)構(gòu)都是根據(jù)以往的經(jīng)驗直接給出的，未經(jīng)過專題的研究[1]。

AC+CRC作為一種新型的路面結(jié)構(gòu)，設(shè)計時常規(guī)做法是套用公路瀝青路面設(shè)計方法。而城市道路與一般公路所承受的交通組成方面存在很大差異，直接套用現(xiàn)有規(guī)范勢必造成很多不合理的地方。因此，研究和推廣AC+CRC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)，并提出相應(yīng)的設(shè)計方法不僅具有重要的現(xiàn)實意義，而且具有很好的工程應(yīng)用價值。

1 交通量調(diào)查及軸載換算研究

1.1 交通量調(diào)查

為掌握地下道路交通量情況，針對天津市海河?xùn)|路地下道路交通組成情況進行了專項交通量調(diào)查。由于受調(diào)查條件及儀器的限制，該項調(diào)查選取工作日內(nèi)的一天實測交通量換算全天交通量的方法。

由于海河?xùn)|路地處市中心，且靠近天津東站，交通流量相對較大，以小汽車、公交車為主。一天內(nèi)小汽車、中型客車、大客車交通輛依次為1 4395 veh、53 veh、944 veh，且早上 8:00-10:00，下午 17:00-18:30為高峰小時段。對車重最大的大客車載客量進行統(tǒng)計得到如下表1所列及圖1所示。

表1 大客車載客情況表

圖1 大客車載客人數(shù)分布圖

由表1及圖1可以看出，載客在20～30人的大客車數(shù)量明顯高于其他類型的車輛。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大客車主要由公交車和旅游大巴兩種車構(gòu)成。旅游大巴空車質(zhì)量在13 t左右，滿載47人，人均體重按65 kg計，則滿載時旅游大巴軸重為78.75 kN。公交車空車質(zhì)量在9.5 t左右，滿載時有70人，人均體重按65 kg計，此時軸載為70.25 kN。

1.2 軸載換算研究

在我國，規(guī)范中要求軸載換算時，路面設(shè)計時以單軸雙輪組軸載100 kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載。而調(diào)查結(jié)果顯示：地下道路最大軸載也不過80 kN，再以100 kN作為標(biāo)準(zhǔn)軸載顯然不合理。

軸載換算應(yīng)遵循的原則[2]：

（1）以達到相同的損壞狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)，即同一路面結(jié)構(gòu)，甲軸作用了N1次后，路面達到某種損壞狀態(tài)，乙軸作用了N2次后，路面也要達到同樣的損壞狀態(tài)，在此時甲軸和乙軸的作用視為等效。

（2）對于同樣一個交通組成，無論以其中哪一個軸載作為標(biāo)準(zhǔn)進行等效換算后所得到的路面厚度計算結(jié)果應(yīng)該是相同的。

按照上述原則以60 kN作為標(biāo)準(zhǔn)軸載重，在應(yīng)用ANSYS建模分析后，重新推導(dǎo)了城市地下道路軸載換算公式。

計算AC層底拉應(yīng)力時軸載換算公式見公式（1）。

計算連續(xù)配筋混凝土板底彎拉應(yīng)力時采用公式（2）。

2 地下道路復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

應(yīng)用ANSYS建立有限元模型采用的路面結(jié)構(gòu)及其參數(shù)如表2所列，層間條件連續(xù)。

表2 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)一覽表

軸載選用修正的標(biāo)準(zhǔn)軸載60 kN，胎內(nèi)壓力0.6 MPa。

2.1 設(shè)計參數(shù)對AC層底剪應(yīng)力的影響

2.1.1 瀝青層厚度對剪應(yīng)力的影響（見圖2）

圖2 AC層底最大剪應(yīng)力隨AC層厚變化曲線圖

AC層厚度依次取2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm、12 cm、14 cm、16 cm、18 cm，CRC板厚度取 18 cm，其他參數(shù)不變，分析AC層厚度變化對層底剪應(yīng)力的影響。

從圖2可以看出，當(dāng)AC層厚度由2 cm增加到6 cm時，層底最大剪應(yīng)力由0.215 MPa降至0.198 MPa，降低了8.59%；AC層厚度由14 cm增至18 cm時，層間剪應(yīng)力僅降低了5.71%，且剪應(yīng)力隨厚度增大而降低的趨勢變緩?？傮w而言,AC層厚度對剪應(yīng)力影響不大?？紤]施工工藝要求,AC層厚度宜取4 cm～8 cm之間。

2.1.2 CRC厚度對剪應(yīng)力的影響

分別改變CRC層厚度，計算AC層底剪應(yīng)力，結(jié)果如圖3所示。

圖3 AC層底最大剪應(yīng)力隨CRC厚度變化曲線圖

由圖3可以看出，CRC層厚度對層間剪應(yīng)力基本沒有影響，依靠增加連續(xù)配筋混凝土板的厚度來減少層間剪應(yīng)力沒什么實際意義。

2.2 設(shè)計參數(shù)對AC層底拉應(yīng)變的影響

通過改變AC、CRC層厚度得到AC層底拉應(yīng)變，計算結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 AC層底拉應(yīng)變隨AC板厚變化曲線圖

圖5 AC層底拉應(yīng)力隨CRC板厚變化曲線圖

比較圖5和圖6可見，當(dāng)AC層厚度每增加2 cm，AC層底拉應(yīng)變下降約2.4%～2.9%，下降較為明顯。當(dāng)CRC板厚度從16 cm增加到22 cm時，AC層底拉應(yīng)變下降總百分比為3.71%，可見CRC板厚對AC層底拉應(yīng)變影響不大。即AC層厚度對AC層底拉應(yīng)變影響遠(yuǎn)比CRC層厚度影響大。

2.3 設(shè)計參數(shù)對CRC板底荷載應(yīng)力

分別改變AC層厚度，CRC層厚度得到AC層底拉應(yīng)變計算結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 CRC板底橫向拉應(yīng)力隨AC厚度變化曲線圖

圖7 CRC板底橫向拉應(yīng)力隨CRC板厚變化曲線圖

由圖6、圖7隨著AC層厚度的增加，CRC板底荷載應(yīng)力呈現(xiàn)減小的趨勢，這是由于AC層厚度的增加有利于將作用于路表的荷載應(yīng)力分散、消減，使作用于CRC板的應(yīng)力降低[4]。由圖6可以看出，AC層厚度由4 cm增加到12 cm時，CRC板底的荷載應(yīng)力減小了21%，當(dāng)AC層厚度從12cm增加到18 cm時CRC板底的荷載應(yīng)力減小了11%，可見AC層厚度在4 cm～12 cm時，對CRC板底荷載應(yīng)力的折減比較明顯，當(dāng)AC層厚度進一步增大時，對CRC板底荷載應(yīng)力降低并不明顯，況且，較厚的瀝青層也不經(jīng)濟。所以從降低CRC板底荷載應(yīng)力角度考慮，地下道路CRC+AC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時，AC層厚度以4～12 cm為宜。當(dāng)CRC板厚度每增加2 cm，CRC板底荷載應(yīng)力下降約10%～14%，并隨著CRC板厚度的增加，標(biāo)準(zhǔn)軸載在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應(yīng)力逐漸減?。划?dāng)CRC板厚度增加到25 cm以后這種減小的趨勢逐漸趨緩。

可見通過增加CRC板厚度可以減少板底荷載應(yīng)力從而達到延長路面使用壽命的目的，但CRC板過厚會造成造價過高，不經(jīng)濟。因此在地下道路CRC+AC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時，CRC板厚以不超過25 cm為宜。

3 地下道路復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

3.1 設(shè)計指標(biāo)的選取

根據(jù)力學(xué)分析結(jié)果，選定AC層層底的最大拉應(yīng)變及CRC板底的最大拉應(yīng)力為地下道路復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)。要求：

（1）AC層層底的最拉應(yīng)變不大于該層材料的容許拉應(yīng)變；

（2）CRC板底的疲勞應(yīng)力不大于該層材料的容許拉應(yīng)力。

3.2 計算過程

3.2.1 AC層底拉應(yīng)變的計算

AC層底拉應(yīng)力計算參考普通瀝青混凝土計算公式（3）：

AC層底拉應(yīng)變計算公式（4）：

式中：EC為AC層材料抗彎拉模量。

3.2.2 連續(xù)配筋混凝土板底疲勞應(yīng)力計算

由于連續(xù)配筋混凝土板中的鋼筋只起到控制板內(nèi)橫向裂縫的作用，因此在計算板內(nèi)荷載應(yīng)力時不考慮鋼筋的存在。

根據(jù)《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D40—2011)水泥混凝土板允許應(yīng)力計算公式：

式中：P——標(biāo)準(zhǔn)軸載，kN；

h——CRC板厚度，m；

r——混凝土板的相對剛度半徑，m；

A，m，n——與軸型有關(guān)的回歸系數(shù)，見表3所列。

在設(shè)計使用期內(nèi)引起的累計荷載疲勞應(yīng)力：

式中：kr——應(yīng)力傳荷系數(shù)；

表3 軸型有關(guān)的回歸系數(shù)表

kf——設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)荷載應(yīng)力累計作用次數(shù)的疲勞應(yīng)力系數(shù)，可按下式計算：kf=Ne0.057，其中，Ne為設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)荷載應(yīng)力累計作用次數(shù)；

kc——考慮超載和動荷載等因素對路面疲勞損害綜合影響的系數(shù)。

3.3 設(shè)計流程

CRC+AC剛?cè)釓?fù)合式路面設(shè)計步驟如下：

（1）交通參數(shù)調(diào)查，收集交通量和軸載組成數(shù)據(jù)，計算單車道內(nèi)設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)軸載的累計作用次數(shù)。

（2）初擬路面結(jié)構(gòu)，根據(jù)交通量計算結(jié)果擬定AC層厚度、CRC板厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)。

（3）根據(jù)路面結(jié)構(gòu)參數(shù)計算AC層底拉應(yīng)變，并與容許拉應(yīng)變對比分析。

（4）計算CRC板底荷載疲勞應(yīng)力，驗算CRC板參數(shù)是否滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

本文結(jié)合地下道路交通量特點，對CRC+AC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的關(guān)鍵問題進行了全面分析，主要結(jié)論有：

（1）地下道路CRC+AC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)主要有：瀝青層底彎拉應(yīng)變及連續(xù)配筋混凝土板荷載應(yīng)力。

（2）通過建立有限元模型分析，AC層厚度在4 cm～12 cm時，對CRC板底荷載應(yīng)力的折減比較明顯，當(dāng)AC層厚度進一步增大時，對CRC板底荷載應(yīng)力降低并不明顯，從降低板底荷載應(yīng)力角度考慮，地下道路CRC+AC復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時，AC層厚度以4～12 cm為宜；CRC板厚度每增加2 cm，CRC板底荷載應(yīng)力下降約10%～14%，當(dāng)CRC板厚度增加到25 cm以后CRC板應(yīng)力折減不明顯，CRC板厚以不超過25 cm為宜。

（3）給出了城市地下道路復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及設(shè)計過程。

[1]顧興宇,倪富健,董僑.AC+CRCP復(fù)合式路面溫度場有限元分析[J].東南大學(xué)學(xué)報,2006,36（5）:805-809.

[2]陽宏毅,劉朝暉.水泥混凝土與瀝青混凝土復(fù)合式路面層間剪應(yīng)力分析[J].公路與汽運,2004,(6)：41-43.

[3]李盛.連續(xù)配筋混凝土復(fù)合式瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度研究[D].長沙:長沙理工大學(xué),2010.

[4]倪富健,盧楊,顧興宇，等.瀝青混凝土與連續(xù)配筋混凝土復(fù)合式路面承載力分析[J].交通運輸工程學(xué)報,2007,7（1）：43-48.