货场道路重载交通路面结构的设计及应用

刘立馨，王广辉

（辽宁省沈阳市法库县公路管理处沈阳市 110168）

货场道路重载交通路面结构的设计及应用

刘立馨，王广辉

（辽宁省沈阳市法库县公路管理处沈阳市 110168）

提出了一种适用于货场重载交通的混凝土道路结构。通过采用高模量基层，能有效减小面层在重载下的弯沉值变形，可极大提高面层的混凝土面板耐久性；通过标识标线将集装箱车辆引导至行驶区域行驶，并针对性地在行驶区域的面层中配置抗弯钢筋和抗压钢筋，提高了行驶区域的抗弯、抗裂承载能力。实际工程应用效果良好。

重载交通；混凝土；路面结构

汽车的总重及轴载是路面结构设计的重要指标。目前，我国公路上行驶的货车的后轴轴载，一般控制在60～130kN范围内，我国现行《公路与城市道路路面设计规范》以100kN为设计标准轴重［1］。

随着现代物流业的发展，越来越多货场成为大件商品物流转换基地，成为货运物装卸的集散地，大量集装箱（集装箱车辆总重大都在40t以上）和重型货车不停地往来。为满足货场重载交通行驶需求，提出一种道路结构并进行分析和初步应用。

1　重载路面结构的构造

本文提出的货场道路重载交通路面结构，主要构造为：自上而下包括面层（30cm）、基层（45cm）、垫层（25cm）和路床。

（1）面层。由多块混凝土现浇的行车道板组成，每块行车道板在道路纵向上的长度为4～6m，在道路横向的上宽度为4～5m。分别在道路纵向、横向上的行车道板间设纵缝、横缝。

行车道板划分为行驶区域（承受行驶车辆车轮压力的区域）和禁行区域（不允许行驶车辆车轮驶入的区域）。

在行驶区域下方增设抗弯钢筋和架立钢筋及箍筋；禁行区域按照常规进行配筋（见图2之N16、N17钢筋布置示意）。

行驶区域主要的配筋方案为：

①抗弯钢筋（N10）。抗弯钢筋布置于行驶区域轮载作用下的受拉区。其横向间距12.5cm，钢筋直径根据受力计算选取，一般取值范围为16～25mm。

②架立钢筋（N11）。架立钢筋起架立作用，同时辅助抗压。一般钢筋取值范围为8～12mm。

③箍筋（N13）。设置箍筋可有效增强行驶区域的整体性，同时增强其抗剪能力。箍筋在道路方向上间距取20cm。

（2）基层由5%水泥稳定级配碎石构成，基层的顶面抗压综合回弹模量值Eoj为：1500 MPa≤Eoj≤1550MPa。路床的顶面抗压综合回弹模量值Eoc为：80MPa≤Eoc≤120MPa。

2　重载路面结构的有限元分析

2.1路面结构分析模程序介绍

MidasFEA（英文全称Nonlinear&Detail Finite Element Analysis System for Civil Structures）是韩国Midas公司旗下的一款通用有限元软件，越来越多地成为土木工程师选择的分析工具，主要是因为：

（1）程序的易操作、上手快。学习资料丰富，一般工程技术人员在短时间内能快速上手；程序的可视化程度好，人机交换方便。

（2）友好的前后处理，利于前期模型的快速建立和后期结果的处理。

（3）强大的非线性处理功能。程序提供了多种非线性模型和多重求解处理方法，都为非线性计算收敛提供有力工具。

（4）贴合土木行业需求。土木行业有别于通用有限元软件在于需要许多专业性的功能，如：多阶段施工；混凝土材料的收缩、徐变特性；预应力的快速输入、预应力损失的实现；汽车荷载移动；混凝土材料、钢材的非线性等，一般通用有限元软件无法实现或只能部分实现，或部分实现但代价巨大。而MidasFEA均可很好处理这些专业性很强的问题。

（5）强大的网格处理能力和丰富的单元库为模型建立提供有力的基础。

2.2路面结构分析模型的建立

利用MidasFEA建立路面结构的三维有限元模型。

（1）单元的选取：采用映射划分网格，选取8节点的实体单元进行分析。钢筋采用程序自带钢筋单元。钢筋单元与实体单元可实现自动耦合，共同受力。

（2）边界条件：采用仅受压弹簧进行竖向支承。

（3）混凝土采用总应变裂缝模型进行分析。总应变裂缝可提供多重非线性分析模型。本次分析采用受压模型为抛物线性，受拉模型为脆性模型。

抛物线模型是由Feenstra［3］基于断裂能理论推导出的模型，由三个特性值决定：抗压强度、抗压断裂能及特征单元长度。

（4）分析工况。共有四个工况：

工况一：55t汽车后轮作用于板中；

工况二：82.5t汽车后轮作用于板中，超载1.5倍；

工况三：55t汽车后轮作用于板中，部分基层脱空；

工况四：82.5t汽车后轮作用于板中，超载1.5倍、部分基层脱空。

图5（a）为路面结构三维模型离散图，图5（b）为路面结构钢筋单元。模型共139855个单元，106385个节点。

2.3主要计算结果

2.3.1应力分析

工况一至工况四，在面层底部最大应力分别为：0.17MPa、0.46MPa、0.67MPa、1.09MPa。

说明在前三种工况下，面层混凝土能保持良好的工作状态，处于弹性工作状态。因而对一般混凝土路面而言，稳定基层对面层的承载力有着决定性作用。

但在82.5t汽车后轮作用于板中且基层部分脱空的情况下（即工况四），面层的混凝土板将开裂。如工况四发生的情况，一般设计的道路面层将开裂，进而出现断裂破坏。而本设计因面层下缘配置有受弯钢筋，进而提高了面层的承载力。

2.3.2工况四结构承载力及裂缝分析

工况四的承载力和裂缝宽度验算如下：

（1）计算弯矩。由计算可知，工况四汽车作用下，面层下缘应力为0.99MPa，自重下缘应力为0.10MPa，通过应力与弯矩的相互关系，换算得单位长度作用于面层的弯矩：汽车作用Mq=178.2 kN·m；自重作用Mh=18kN·m。

（2）裂缝计算。由已计算的汽车和恒载作用，可计算得短期组合为143kN·m，长期组合为89 kN·m，根据《公路桥规2004》计算裂缝宽度，得底部受拉钢筋应力为155MPa，其对应的裂缝宽度为0.134mm。

（3）抗弯极限承载力计算。由已计算的汽车和恒载作用，可计算得基本组合为271kN·m。单位长度面层的极限抗弯承载力Mu=286kN·m，满足。

2.4新型路面的设计及应用

沈阳市法库县某陶瓷物流集散中心，其进出的两条主要通道，原按常规道路结构形式进行设计，运营中路面出现了大面积块裂、下沉等病害。2013年，按照本文提出的新型路面结构形式进行了2.2km的改造升级。道路的总宽度为8.5m。

新道路结构技术应用后，经过近两年时间的运营，取得了良好的效果，路面结构保持完整，达到了预期的目的。除结构现场施工简便，后期维护方便外，其有益效果主要为：弯沉值变形小、混凝土面层的接缝传荷能力显著提高、集装箱车辆有序行驶。

3　结论

本文提出的半刚性基层上配筋面层的道路结构，能极大减小面层在重载下的弯沉值变形，提高了面层的混凝土面板耐久性；通过标识标线将集装箱车辆引导至规定的行驶区域行驶，并针对性地在行驶区域的面层中配置抗弯钢筋和抗压钢筋，提高了行驶区域的抗弯、抗裂承载能力。通过实际工程的应用，效果良好。

［1］ 李镇.重载交通水泥混凝土路面结构设计与施工关键技术研究［D］.西安：长安大学，2012.

［2］ 贾玉钧，胡长顺，王秉纲.复合式路面荷载应力的统一分析方法［J］.西安公路交通大学学报，1995（4）.

［3］ FEENSTRA，P.H.，“Computational Aspects of BiaxialStress in Plain andReinforcedConcrete”［D］，DelftUniversityof Technology，1993.

［4］ 李镇，张红梅，李欣，冯晓新.重载交通对公路路面使用寿命的影响［J］.交通标准化，2011（12）.

［5］ 刘静.设置隔离层的水泥混凝土路面技术研究［J］.交通科技，2008（3）.

［6］ 罗立峰，左智飞.特重交通下高速公路水泥混凝土路面基层设计探讨［J］.广东公路交通，2005（4）.

Design and Appication on Heavy-Duty Traffic Pavement Structure of Goods Yard

LIU Li-xin，WANG Guang-hui
（Shenyang Faku County Highway Management Bureau，Shenyang 110168，China）

A kind of concrete road structure that is suitable for heavy-duty traffic of goods yard is put forward.Through adopting high modulus base course，the deformation of deflection value of surface course under heavy duty can be reduced effectively，which can greatly improve the durability of concrete panel of surface course. Through guiding container vehicles to the driving area according to identification marking and configuring antibending reinforcing steel bar and compression reinforcement in the surface course of driving area purposefully，the anti-bending and anti-crack bearing capacity of driving area are improved.The practical engineering application effect is good.

Heavy-duty traffic；Concrete；Pavement structure

U416.01

B

1673-6052（2016）03-0099-03

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.03.029