向　陽

（貴州省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院　貴州　貴陽　550001）

分析道橋水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

向陽

（貴州省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院貴州貴陽550001）

針對道路橋梁路面設(shè)計(jì)要求，簡單介紹水泥混凝土路面早期損壞形式及原因與設(shè)計(jì)依據(jù)，在此基礎(chǔ)上從基層組合型式、面層厚度、平面尺寸以及混凝土配比四個方面對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行深入的分析，為道橋水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的有序開展提供理論基礎(chǔ)。

道橋；水泥混凝土路面；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著我國交通道路建設(shè)力度的不斷加強(qiáng)，水泥混凝土路面這種具有高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性特點(diǎn)的路面逐漸被更多的工程所使用，在交通量急劇增長的形勢下，道橋路面的實(shí)際厚度已經(jīng)由最初的22cm上升至26cm或28cm，并且要求必須是無筋混凝土構(gòu)造形式。不同的道路橋梁等級對于路面的抗彎、抗拉強(qiáng)度要求會有所不同，設(shè)計(jì)壽命也會存在一定差距，實(shí)踐表明，有許多道路橋梁的路面在建成初期就出現(xiàn)了不同程度的損壞情況，究其原因，絕大多數(shù)是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等問題造成，因此，應(yīng)切實(shí)加大道橋路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究力度。

1　道橋水泥混凝土路面早期損壞形式及原因

1.1斷裂與破損

首先是所用水泥混凝土的強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)，其次為設(shè)計(jì)強(qiáng)度較低或面層的設(shè)計(jì)厚度較薄，特別是在超載情況較為嚴(yán)重的路段上，這種斷裂與破損的情況較為嚴(yán)重。

1.2唧泥

主要由于施工時未按要求設(shè)置傳力桿及接縫寬度超出限度等原因?qū)е?，此外在設(shè)計(jì)層面上，基層沒有加設(shè)封層會使基層出現(xiàn)滲水、翻漿現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生唧泥。

1.3拱起

施工期間脹縫沒有達(dá)到相應(yīng)的要求，無法實(shí)現(xiàn)基本功能，反而會起到截然相反的作用，使得脹縫的實(shí)際距離過小。此外，設(shè)計(jì)工作者未對不同等級水泥混凝土所對應(yīng)的彈性模量給予足夠的重視，最終拱起現(xiàn)象的產(chǎn)生。

1.4錯臺

由于混凝土具有徐變特征，在高溫環(huán)境中混凝土的板體容易出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象，相反在低溫環(huán)境中斯板體容易發(fā)生拱波，加上相鄰兩個混凝土板體的實(shí)際強(qiáng)度不夠均勻，且由于徐變程度不相同，則在此情況中，極有可能產(chǎn)生錯臺問題。四種常見的早期損壞如圖1所示。

圖1　道橋水泥混凝土路面早期損壞圖

2　道橋水泥混凝土路面結(jié)果設(shè)計(jì)根據(jù)

2.1行車荷載及溫度梯度

計(jì)算公式為：

公式（1）中：fr代表混凝土的設(shè)計(jì)抗彎強(qiáng)度（單位：MPa）；σtr代表溫度梯度條件下的溫度應(yīng)力（單位：MPa）；σpt代表實(shí)際荷載帶來的結(jié)構(gòu)疲勞荷載（單位：MPa）；γr代表混凝土所對應(yīng)的變異可靠系數(shù)，從相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中可以查到。

計(jì)算公式為：

2.2累計(jì)當(dāng)量軸次

公式（2）中：Ne代表路面設(shè)計(jì)壽命中的當(dāng)量軸次（單位：次）；t代表路面設(shè)計(jì)壽命（單位：年）；Ns代表標(biāo)準(zhǔn)軸載軸次（單位：次）；γ代表壽命路段交通量的年均增長率（單位：%）。

3　路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1基層組合型式

路面基層的主要作用除了可以提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以外，還能消除唧泥問題，降低路基形變對面層造成的影響，進(jìn)而為面層的施工創(chuàng)建更多的便利條件。因此，若在實(shí)際情況中，基層產(chǎn)生相對較大的形變，則面層板會和它脫空，加劇了支承條件的惡化，進(jìn)而增加了板中的應(yīng)力。與此同時，如果基層中含有大量的細(xì)料，則會提高唧泥或錯臺等問題的產(chǎn)生機(jī)率。

路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，大多使用水泥混凝土基層型式。新建道橋工程通常位于新城區(qū)，農(nóng)田較多，土基的濕度比市區(qū)內(nèi)大，存在于地面上的控制物很少，中心高程易于操控，所以，此處的結(jié)構(gòu)層應(yīng)適當(dāng)厚一些。在初期的設(shè)計(jì)工作中，路面基層一般為厚度在40cm左右的石灰穩(wěn)定土基層，還有一些是二灰碎石。近幾年，絕大多數(shù)都使用厚度為15cm的水穩(wěn)砂礫與厚度為30cm的石灰穩(wěn)定土基層相結(jié)合的復(fù)合式基層。就上述兩種類型的基層使用狀況來分析，基本都可以滿足強(qiáng)度需求，但使用復(fù)合式基層要明顯好于使用單一的基層，這主要是因?yàn)槭褂脧?fù)合式基層在在受到重復(fù)荷載時，所產(chǎn)生的形變較小，并且單一的基層還會受到水的直接作用，而被軟化，不利于長期保持良好的穩(wěn)定性。由此可見，厚度為15cm的水穩(wěn)砂礫與厚度為30cm的石灰穩(wěn)定土基層相結(jié)合的復(fù)合式基層相比之下較為理想。

3.2面層厚度設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)壽命內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)軸載于路面車道中的重復(fù)作用總次數(shù)，用Ne表示，該次數(shù)在軸載調(diào)查與實(shí)際交通量增長形勢分析以后，按照以下公式計(jì)算得出，計(jì)算公式為：

公式（3）中：No代表路面車道中日標(biāo)準(zhǔn)軸載的累計(jì)次數(shù)（單位：次）；γ代表路段實(shí)際交通量的年增長率（單位：%）；T代表路面結(jié)構(gòu)壽命；η代表輪跡的分布系數(shù)，如果路面為雙向雙車道，則η取0.3～0.4，若車道需分成快慢、機(jī)動非機(jī)動時，則η應(yīng)取0.4～0.5，單向車道η應(yīng)取0.5～0.6。

其中，道路的標(biāo)準(zhǔn)軸載主要將BZZ～100作為依據(jù)，由通過調(diào)查得知的各個軸載及其作用次數(shù)算出標(biāo)準(zhǔn)軸載的實(shí)際作用次數(shù)，用Ns表示，計(jì)算公式為：

公式（4）中：a1代表后軸系數(shù)。單個后軸情況中，a1=1。軸距在1.35m以內(nèi)的雙后軸情況中，將板中作為臨界荷位時，a1=0.23，將板邊作為臨界荷位時，a1=3.8。軸距在1.35m以上的雙后軸情況中，須按照單后軸進(jìn)行計(jì)算。

（2）水泥混凝土的實(shí)際抗折疲勞強(qiáng)度計(jì)算公式為：

公式（5）中：σ1代表抗折疲勞強(qiáng)度的計(jì)算值；N代表軸載的作用累計(jì)次數(shù)。

（3）地基回彈模量計(jì)算公式為：

公式（6）中，n代表回彈模量的增大系數(shù)，其計(jì)算公式為：

公式（7）中：nr代表荷位系數(shù)的計(jì)算值，將板中作為臨界荷位時取1.0，將板邊作為臨界荷位時取0.75；h代表混凝土結(jié)構(gòu)厚度（單位：cm）；Et代表回彈模量當(dāng)量（單位：MPa），需根據(jù)基層以及路基回彈模量預(yù)先確定基層的實(shí)際厚度，再結(jié)合Et圖求出。

（4）水泥混凝土結(jié)構(gòu)的荷載應(yīng)力計(jì)算需借助應(yīng)力計(jì)算模圖，根據(jù)擬定的結(jié)構(gòu)厚度、彈性模量比值、軸載大小，確定出結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力。由于道橋路面通常較不平整，加之會受到車輛的作用影響，所以會對路面產(chǎn)生一種動態(tài)的效應(yīng)。對于動軸載而言，其變化通常呈現(xiàn)出正態(tài)分布。因此，在對靜載應(yīng)力實(shí)施計(jì)算時，需要乘以動軸載的系數(shù)，這一系數(shù)的取值范圍為1.15～1.20，須根據(jù)交通的實(shí)際繁重程度確定。

3.3路面結(jié)構(gòu)平面尺寸選定

水泥混凝土結(jié)構(gòu)的板寬大多在3.5～3.75m之間，長度在4.0～5.5m之間。為準(zhǔn)確判斷實(shí)際選取的尺寸能否滿足實(shí)際要求，應(yīng)施以溫度應(yīng)力測算，并進(jìn)行荷載應(yīng)力疊加，進(jìn)而驗(yàn)算實(shí)際的綜合應(yīng)力是否低于結(jié)構(gòu)的抗折強(qiáng)度，計(jì)算公式為：

公式（8）中：σC代表綜合應(yīng)力；σP代表最大荷載虛力，通常取120kN；σT代表結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力；σS代表結(jié)構(gòu)抗折強(qiáng)度計(jì)算值。

3.4混凝土配比設(shè)計(jì)

切實(shí)提升路面整體性能的關(guān)鍵在于真正提高各集料和界面的粘結(jié)能力，此要求可通過合理選取原料與準(zhǔn)確設(shè)計(jì)混凝土配比實(shí)現(xiàn)。配比設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：①盡量選用C3S與C4AF含量相對較高的水泥；②選用細(xì)度模數(shù)相對較大且具有較高耐磨性的細(xì)集料；③在選用巖石時，應(yīng)對其物理性能等進(jìn)行充分考慮，可通過對比分析得出最佳結(jié)論；④水灰比、摻砂率等均需通過嚴(yán)格的對比試驗(yàn)選定。

4　結(jié)束語

總而言之，道橋水泥混凝土路面在建成早期出現(xiàn)損壞，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、施工水平及質(zhì)量控制等密不可分，通過對當(dāng)前道橋路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的分析得知，重交通路段的路面結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度不得低于5.0MPa，在滿足這一基本要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量采取配筋等方式。在施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場管理力度，堅(jiān)決杜絕使用低強(qiáng)度水泥等違規(guī)做法，正確理解結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和回彈模量等性能之間具有的聯(lián)系，并且這也是確保道橋水泥混凝土路面整體性能與質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

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2015-10-13