连续配筋混凝土路面板厚计算与方案比选.pdf

2 0 1 0年第 1 2期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g l 25 文章编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 0 ) 1 2 0 1 2 5 - 0 4 连续 配筋混凝 土路面板厚计算与方案 比选 张庆 宇 ( 河北交通 职业技术学 院， 石家庄0 5 0 0 9 1 ) 摘要 ： 本 文介 绍 了连 续配 筋混凝 土路 面试验路段 的工程 概 况、 设 计 方案 ， 分析 了不 同板 厚情 况 下 的荷 载 疲 劳应 力 ， 温度 疲 劳应力和 总疲 劳应 力的 变化 规律 ， 并对连 续 配筋混凝 土路 面板厚进 行 了计算 、 比选 ， 拟 定 了板厚 设计 方案 ， 为连续 配筋 混凝 土路 面 的结构设 计提供 了一定 的理论和 实践基础 。 关键词 ： 连续 配筋混凝 土板 厚设计 方案 中图分类 号 ： U 4 1 6 2 1 6 2 文 献标识 码 ： B 连续 配筋混 凝土路 面 ( 以下简 称 C R C P ) 是 为 了克 服接缝水泥混凝土路面的各种病害及改善路用性能而 采用 的一 种混凝 土路 面 结构 形 式 ， 纵 向配有 足 够数 量 的钢筋 ， 以控制混 凝土路 面板 纵 向收缩产 生的裂缝 ， 施 工时完全不设胀缩缝 ， 形成一条完整而平坦的行 车表 面 ， 消除 了普 通水 泥混凝 土路 面的薄 弱环节 ， 增强 了路 面板 的整体 刚度 ， 改善 了汽 车行 驶 的平 稳性 。笔 者 结 合 张 ( 张家 口) 石 ( 石 家庄 ) 高 速公 路 C R C P试 验 路 段 的结 构设计 ， 对 C R C P板厚 设计 进行探 讨 。 1 工 程概 况 1 ) 试验路段位于张 ( 张家 口) 一石 ( 石家庄 ) 高速 公路 张北 至 旧罗 家 洼 段 ， 桩 号 为 K 4 4+7 4 0 一 K 4 5+ 8 3 7 ， 长1 1 0 0 I n 。这 一段路 填挖方 量 不是 很 多 ， 比较适 合于试验 段 的修 筑 。 2 ) 按照 公路 自然区划标准 ， 试验路所处地区为 ， 。 区， 即黄土高原干湿过渡区。 3 ) 试验 路段所 处位 置 系第 四系 黄土 ， 分 布 范 围广 泛 。根据实 地系统 取样调 查 ： 上 层主要 有亚 黏土组 成 ， 中层 主要有 碎石土 +砾 砂 +粉 细砂 组 成 ， 下层 由亚 黏 土组成。该段黄土普遍具有湿陷性 ， 湿 陷深度 为 3 5 I n ， 且 0 3 m 范 围 内黏性 土 和 砂性 土 的 承载 力 普遍 较低 。 2 设计方案 1 ) 路 基宽 2 4 5 m， 中央分 隔带宽 3 m， 为双 向 四车 道 ， 行车道宽度为 2 3 7 5 m， 硬路肩宽度为 2 5 m， 另 有 0 7 5 m 的土路 肩 ， 最大 纵坡 5 。设 计 C R C P板 宽 收稿 日期： 2 0 1 0 0 7 - 2 0 ； 修回 日期： 2 0 1 0 0 9 - 1 5 作者简介： 张庆宇 ( 1 9 7 4 一 ) ， 男 ， 河北滦南人， 副教授 ， 硕士。 为 1 0 m， 包括 两条行 车道 和硬路 肩 。 2 ) 为方便施 工 ， 底基 层 、 基层 、 封 层 采 用 与毗 连路 段 相 同的结构 ， 初拟试 验路 段方 案如 图 1 所示 。 3 ) 根据计算综合确定纵向钢筋直径为 1 6 m m， 配 筋率 为 0 7 2 ， 钢筋 间距 为1 0 3 m m。横 向钢 筋直 径定 为 1 2 mm， 横 向钢筋 间距 采用6 0 c m。 4 ) 端 部处理 采用 一端 为 地锚 梁 ， 另 一端 为 锚拉 缝 的端 部约束 方法 。 6 c m AC一 2 OI 1 2 n l m 黏结层 、 找平层 2 7 c mC R C P面板 1 2 m m改性乳化沥青下封层 1 7 c m水泥稳定碎石基层 1 6 c m水泥 稳定砂 砾底基层 图 1 初拟路面结构 3 板厚设计 根据美 国 A A S HO设计 规 范 和我 国规 范 的设 计 方法 ， 设计板厚中均不计钢筋对路面承载能力增强的 作用 ， 其配置的钢筋主要用于消除接缝 ， 提高路面的使 用 品质 。 同时理 论 分 析 也 表 明 ， C R C P中钢 筋 的加 劲作用并不 明显 ， 主要是约束裂缝 的发生发展 ， 因此 C R C P的厚 度更倾 向于采用 与传 统 水 泥混 凝 土路 面相 同的厚度 。 3 1 交通 量计算 交通量分析是路面结构设计的基础。设计资料根 据交通量调查结果， 进行分析预测 ， 得到了以设计弯沉 l 2 6 铁道建筑 值 为指 标时 ， 沥 青路 面设 计 年 限 内一 个 车道 的 累计 当 量轴载作 用 次数 为 1 6 6 11 0 。 已知 的 交 通 量 统 计 分析预 测见表 1 。 表 1预 测 年 平 均 日交通 量 设 计 车道使 用 初期 标 准 轴载 日作 用 次数 和设 计基 准期 内标 准轴 载累计 作用次 数 之 间 的关 系 为 ： ( 1 ) g 式 中 ， t 为设计基 准期 ， 对 于 沥青 路 面 为 2 0年 ， 而 水 泥 路 面为 3 0年 ； g 为交通 量年 平均 增 长率 ( ) ， 可 根据 表 1中的数据 加权平 均求得 ， 为 5 3 1 ； 叼为 临界荷位 处 的车辆轮迹 横 向分布 系数 ， 按 文献 1 ， 定 为 0 2 2 。 以设计弯 沉值 为指 标 时 ， 沥青 路 面 的轴 载 换 算公 式 如式 ( 2 ) ， 凡轴载 2 5 k N的各 级轴 载 的作 用次 数 均 应换 算 为标 准轴 载的 当量作用 次数 为 = c C n 。 ( P e )Z ” ( 2 ) -a 式 中， 为标 准 轴 载 的 当量 轴 次 ( 次 d ) ； n 为 被 换 算 车型 的 各 级 轴 载 作 用 次 数 ( 次 d) ； P 为 标 准 轴 载 ( k N ) ； P 为被 换 算 车 型 的各 级 轴 载 ( k N) ； C 为 轴 数 系数 ， 小 客车为单 后轴 ， 取为 1 ； C 为 轮组 系数 ， 小 客车 为单轮组 ， 为 6 4 ； K为轴载级别 。 根据 公 路 水 泥 混 凝 土路 面 设 计 规 范( J T G D 4 0 -2 0 0 2 ) ， 凡是 单 轴 轴 载 4 0 k N的 各 级 荷 载 均 应 按 式 ( 3 ) 换 算为标 准轴载 的作用 次数 。 D 、 1 6 ( ) ( 3 ) 或 6 ： 2 2 2 1 0 p- 。 ( 4 ) 或 6 ，： 1 0 7 1 0 p,- ( 5 ) 或 6 ，=2 2 41 0 p- ( 6 ) 式中， 为 1 0 0 k N的单轴一双轮组标准轴载的作用 次数 ； 为 轴 型和 轴 载 级 位 数 ； 为轴 一轮 型 系 数 ， 单 轴一双轮组时 ， 6 =1 ； 单轴一单轮时， 按式 ( 4 ) 计算 ； 双 轴一双 轮组时 ， 按 式 ( 5 ) 计 算 ； 三 轴一 双 轮 组 时 ， 按 式 ( 6 ) 计算 ； N 为各类轴型 i 级轴载的作用次数 ； P 为单 轴一单轮、 单轴一双轮组 、 双轴一双轮组或三轴一双轮 组轴 型 i 级 轴载 的总重 ( k N) 。 根据式( 1 ) 和已知的沥青路面标准轴载累计作用 次数 1 6 6 l 1 0 次 ， 就可以计算出设计初期标准轴载 的 日作用次数为6 0 5 5次 d 。 再根据标准轴载1 0 0 k N、 初 始交 通量 1 1 9 2 1次 d和式 ( 2 ) 计 算 出相 应 的小 客 车的轴 载 为 5 5 8 5 k N。然 后 就 可 以根 据 式 ( 3 ) 和 式 ( 1 ) 计算 出水泥路 面设 计年 限 内的标 准轴 载 作用 次数 N = 2 41 0 。 次 。 3 2板厚 设计 按 照设计 规 范 中给 出 的普 通 水 泥混 凝 土 路 面 的设 计 方法对板 厚进 行 了计 算 ， 设 计流程 如 图 2所示 。 3 2 1 交通分 析 高速 公路 的安全 等级 为一级 。设计 年 限内的标准 轴 载作 用次数 N ， = 2 41 0 。 次 ， 属于重 交通 等级 。 3 2 2初 拟 路 面 结 构 由文献 1 表 3 0 1 ， 相应于安全等级一级的变异 水 平等 级为低 级 。根 据 高 速 公路 、 重 交 通 等级 和 低级 变异水 平等级 ， 查表 4 4 6 ， 初 拟 连续 配筋 混 凝 土面层 厚度 h= 0 2 7 m。路面基层结构为1 6 c m( h ， ) 水泥粉 煤灰稳 定碎砾 石 基层 和 1 5 e m( h ) 水泥 稳 定 砂砾 底 基 层 ， 连 续配筋 混凝 土板宽 为1 0 m。 3 2 3路 面材 料参数 确 定 按 文献 1 表 3 0 6 ， 取连续 配筋混 凝 土 面层 的弯 拉强度标准值为 = 5 0 MP a ， 由表 F 3相应弯拉弹性 模量标准值为 E =3 1 G P a 。根据设计单位提供的资 料 ， 中湿路 基路床 顶 面 回弹 模 量 为 E 。= 3 5 MP a ， 水 泥 稳定碎 石基 层 抗 压 回 弹模 量 为 E =1 4 0 0 M P a ， 取 水 泥稳定砂砾底基层抗 压回弹模量 E ：=1 3 0 0 M P a ， 基 层厚 度 h 。 = 0 1 6 m， 底基 层厚 度 h ： 0 1 5 1 13 。 按 文献 1 式 ( B 1 5 ) 计 算 基 层 与 底基 层 当量 回 弹模 量 E 为 E： 堡 ： l 3 5 3 M P 。 3 5 3 M 基层 与底基 层 当量 弯 曲刚度 D 为 。 ： + ( 矗 + 去 = 3 3 5 MN m 当量 厚度 h h = ( 1 2 D E ) “ =0 3 1 m 与 E E 。 有关的回归系数 a ， b按下式求得 。=6 2 2 11 5 1 ( E ) 。 。 =4 4 0 7 b=11 4 4( ET )。 。 =0 8 0 7 当量 回弹模 量 E = b E 0( E Eo ) “ =2 0 2 4 7 MP a 2 0 1 0年第 1 2期 连续配筋混凝土路 面板厚计算与方案 比选 l 2 7 交通分析 初拟路面结构 路面材料参 数 的确定 计 算荷 载 疲劳应 力 图 2板厚设计流程 则相 对刚度 半径为 r=0 5 3 7 h ( E E ) 。=0 7 7 6 m 3 2 4荷载 疲 劳应 力 在规 范中 ， 选取 混凝 土板 的纵 向边 缘 中部 作 为 产生最大荷载和温度梯度综合疲 劳破坏的临界荷位。 按文献 1 的式 ( B 1 31 ) ， 标准轴载在临界荷位处 产生 的荷载应力 为 。 =0 0 7 7r 。 6 o h： 0 9 0 7 MPa 由于 C R C P不 设接 缝 ， 只是 在端 部 根 据 需 要 设 置 胀缝， 接缝传荷能力的应力折减系数按照纵缝为拉杆 平缝的一般情况 ， 取为 k ， =0 8 7 ； 根据公路等级， 由文 献 1 的表 B 1 2 ， 考虑偏载和动载等因素对路面疲劳 损坏影响的综合系数 k =1 3 0 ； 考虑设计基准期 内荷 载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数 ， ：N ： =( 2 4 1 0 ) 0 0 5 7=2 3 0 9， 其 中， 是 与混 合料性 质有 关 的指 数 ， 对于连续配筋混凝土 取 0 0 5 7 。荷载疲劳应力 计算温度 疲劳应 力 应力验算 盯。 为 = k r 。 = 2 3 7 MPa 3 2 5 温度疲 劳应 力 对于板的翘曲应力的计算 ， 有些资料 上介绍分 为使用初期和使用后期两种情况来考虑 ， 因为使用初 期 裂缝数 量较少 ， 裂缝 间距 较大 ， 板 的长度 应 为裂缝 间 距 ， 取为1 5 m； 到 了使用后期 ， 由于裂缝数量增加， 裂 缝 间距 较 小 ， 板 的 长 度 应 为 路 面 板 的 宽 度 ， 为 1 0 m。 分别计算两种情况 ， 取较大值作为翘曲应力的计算结 果 。 由文献 1 的表 3 0 8 ， 区最大温度梯度取 ： 9 5 m。 1 ) 使用初期 ， 裂缝间距 L B( 板宽) ， 计算时， 板 长 取 L：1 5 m 设 B = ( r 8 )：1 5 ( 0 7 7 6 8 )=6 8 4 随 B 而变 的翘 曲应力 系数 C ， B l 2 8 铁道建筑 c ： 一 三 百 _ a n z + h 曰 )：0 9 9 7 0 B = 2 0 8C e 一 。 。 。 0 1 5 4 ( I C )=0 6 4 6 6 水 泥混凝 土线膨胀 系数 通常 取为 1 1 0 。 ， 最大 温度梯度 时 ， 混凝 土板 的温度 翘 曲应力 o r 为 = ( O t E h T g 2 ) B =2 4 9 MP a 2 ) 使用中后期 ， 裂缝间距 L B( 板宽 ) ， 计算时 ， 板长取 L=1 0 m。 设 B =B ( r 8 )=1 0 ( 0 7 7 6 8 )=4 5 5 8 2 e O S B， c h B c = 一 ； _ _l _r a n B r + h 曰 )= 0 2 4 B = 2 0 8C e 一 。 0 1 5 4 ( 1 C )：0 6 6 8 1 最大温 度梯度 时混凝 土板 的温度翘 曲应力 为 = ( E h T 2 ) B =2 5 7 MP a 温 度 翘 曲应 力 取 较 大值 o r =2 5 7 M P a ， 公 路 自 然 区划为 区 ， 查 文献 1 的表 B 2 3得 回归 系数 o： 0 8 5 5 ， b = 0 0 4 1 ， C =1 3 5 5 ， 查 表 3 0 6可 得混 凝 土弯 拉强度标准值 = 5 0 MP a ， 则温度疲劳应力系数 k 为 k = ( f or ) a ( o r f r ) 一b =0 5 6 5 8 计算温度疲劳应力 为 = = 1 46 MP a 3 2 6应 力验 算 查 文献 1 的表 3 0 1 ， 高速 公路 的安 全等 级 为一 级 ， 目标可靠 度 为 9 5 ， 相 应 于一 级 安 全 等 级 的 变 异 水平等级为低级。根据 9 5 的 目标可靠度和低级变 异水平 等级 ， 查表 3 0 3 ， 确定 可靠 度 系数 ， =1 2 0 1 3 3 。按式 ( 3 0 3 ) j ( + ， ) y ，= ( 1 4 6+2 3 7)1 3 0 = 4 9 7 9 MP af r=5 MP a 因而 ， 所选连续 配筋混 凝土 面层厚 度 ( 0 2 7 m) ， 可 以承受设计基准期 内的荷载应力和温度应力的综合作 用 。 3 3板厚讨 论与 比选 按 以上方法计 算 了 2 12 9 c m共 9种板 厚 的情 况 ( 表 2和 图 3 ) 。结果表 明 ， 随着 板厚 的增 加 ， 荷载疲 劳 应 力下 降很 快 ， 虽然温度 疲 劳应力会 略有增 大 ， 总的疲 劳应 力是 减小 的 ； 能 够满 足设 计 规 范 要 求 的最 小可 靠 度系数 1 2 0的最小 板 厚2 2 C ll l 的要 求 。选 取 C R C P 板 厚为2 7 a m时 ， 荷 载疲 劳应 力 为2 3 7 MP a ， 温 度疲 劳 应力为1 4 6 MP a ， 设计期 内可靠度系数为 1 3 0 ， 能够 满 足设计 规范 的要求 。 表 2不同板厚下的疲劳应力 C RCP 板 厚h c m 一荷载疲劳应力 一温度疲劳应力 o 一总疲劳应力 图 3 不同板厚的疲劳应 力 4 结 语 本 文详 细介 绍 了 C R C P试 验 路 段 的板 厚 计 算 流 程 ， 分 析 了不 同板厚情 况下 的荷载疲 劳应 力 、 温度 疲劳 应力 和总 的疲 劳应 力 变 化规 律 ， 对 C R C P板 厚 设 计 进 行 了比选 ， 提 出 了适 宜的板 厚方案 ， 为连续 配筋 混凝 土 路 面 的结 构设计 提供 了理论 和实 践基础 。 参 考 文 献 1 刘伯莹 ， 姚祖康 ， 王秉纲 J T G D 4 0 -2 0 0 2 公路 水泥混凝 土 路 面设计规范 S 北京 ： 人民交通 出版社 ， 2 0 0 2 2 唐益明 ， 黄 晓明， 邓学钧 连续配 筋水泥混凝 土路面荷载 应 力分析 J 岩土工程学报 ， 1 9 9 6 ， 1 8 ( 6 ) ： 8 4 9 1 3 东南大学土木学 院 应用力 学基础 M 南京 ： 东南大学 出 版社 ， 1 9 9 9 4 张石高速公路张家 1：3 管理 处 ， 河 北交通职业 技术学 院课 题 组 沥青 混 凝 土 与 连续 配 筋 混 凝 土 复 合式 路 面耐 久 性研 究 R 石家庄 ： 张石高速公路 张家 口管理处 ， 河北交通 职业技术 学院课题组 ， 2 0 0 8 ( 责任审编 白敏华)