水泥混凝土路面结构设计理论与方法

赵治国

(大庆市华大道桥有限公司)

水泥混凝土路面从工程结构分类来看，应属于岩土工程的地基结构物，因此混凝土路面结构设计理论与方法是随着结构工程设计理论与岩土结构设计理论的发展而不断发展并完善。在荷载图式方面，最早采用静力作用点荷载，后来提出了静力作用均布面荷载(如圆形、椭圆形、圆头矩形荷载等)。美国波特兰水泥协会(PCA)最早提出了混凝土疲劳断裂的概念，设计方法改用多次重复作用静荷载，混凝土的极限控制指标用疲劳极限应力表示。20世纪60年代后提出了荷载动力影响问题，考虑荷载的振动与移动效应，在设计方法中掺入了动力响应系数。

在地基模型方面，一般均采用温克勒地基模型和弹性半空间均质地基模型，至今仍然是世界各国设计方法的基础。在研究探索中也有提出采用黏弹性地基，双参数地基、多层地基、非线性弹性地基等模型，但是由于数学概念的复杂性和参数测定的困难，至今在设计方法中均未采纳。

在路面板的形态方面，威斯特卡德最早提出了温克勒地基上矩形板弯特定加载位置下，荷载应力的求解方法。后来提出了半空间弹性地基上无限大圆板的求解方法。20世纪70年代随着计算机应用和有限元分析法的推广，提出了有限尺寸板在各种模型地基支承下，任意荷载位置的荷载应力求解方法，以及各种不同边界传力条件下的解算方法。

20世纪80年代工程结构设计提出以概率法替代定值法，引入可靠度概念，对于混凝土路面设计，引入可靠度后的设计方法仍然以路面板的极限疲劳弯拉应力作为极限状态指标。结构分析的理论基础与分析方法仍然没有本质的变化。

从20世纪50年代至今，我国水泥混凝土路面设计理论导方法不断改进，曾经于1958年、1966年、1984年、1994年、2003年颁布过5个版本的设计规范。2002年由中华人民共和国交通部颁布的中华人民共和国行业标准《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2002)是现行的我国最新的混凝土路面设计规范。新规范列出的设计方法以弹性半空间地基有限大矩形板模型为基础，以100 kN单轴双轮标准轴载作用于矩形板纵向边缘中部产生的最大荷载应力控制设计。设计方法采用了可靠度设计方法，以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为设计的极限状态。该方法综合了多年来我国道路界在科学研究和工程实践中积累的成果和经验，可用于指导我国当前混凝土路面工程设计。

1 混凝土路面设计基准期

路面设计基准期是计算路面结构可靠度时，考虑各项基本度量与时间关系所取用的基准时间。也可理解为保证路面结构达到规定可靠度指标的有效期间。

混凝土路面设计基准期与公路等级有关，可根据公路在路网中的功能定位，当地国民经济发展的需求以及投资条件等因素，经综合论证后确定。通常可参照表1选定。

表1 公路混凝土路面设计基准期参考值

2 标准轴载及轴载当量换算

水泥混凝土路面结构设计以100 kN单轴一双轮组荷载为标准轴载。不同轴一轮型和轴载的作用次数，应按式(1)换算为标准轴载的作用次数。

式中:Ns为100 kN的单轴一双轮组标准轴载的通行次数;Pi为各类轴一轮型i级轴载的总重，kN;N为轴型和轴载级位数;Ni为各类轴一轮型i级轴载的通行次数;Δi为轴一轮型系数。

3 混凝土路面交通等级划分

水泥混凝土路面所承受的轴载作用，按照设计基准期内设计车道临界荷位承受的标准轴载当量累计作用次数分为4级，分级范围见表3。

表3 公路混凝土路面交通分级