公路水泥混凝土路面设计规范新解
2011版公路水泥混凝土路面设计规范新解 作者：张红松
来源：《科技创新与应用第一文库网》2013年第25期
摘 要：2002版公路水泥混凝土路面设计规范主要基于上世纪的研究成果和使用经验，随着时代和技术的不断进步无法反映近年来取得的建设经验以及科技项目的最新成果。2011版公路水泥混凝土路面设计规范即应运而出，其在原计算理论、荷载分析等一些重要方面做出了修改完善。
关键词：公路；水泥；混凝土
前言
新规范以局部完善为主，未进行整体性修订，修改也更多的是来自于近年来的实际经验。针对新版规范对于水泥厂道路设计产生的影响，本文对其进行了新的解读与分析。 1 新版规范修改要点
主要涉及未能反映出公路车辆超载、超限的情况；力学模型和温度应力的计算方法；旧水泥砼路面评级标准和处治措施；路面材料的试验方法及设计参数。其具体表现在以下八个方面：（1）可靠度设计系数的调整；（2）设计标准的增加，以考虑基层和重载交通的影响；
（3）强化了极重交通等级及相关设计轴载的规定；（4）完善了路面结构层材料设计参数；
（5）强化结构组合和材料组成设计；（6）改进了力学模型和结构应力计算方法；（7）修改了旧混凝土路面损坏评定标准，增加了加铺方案的选用原则；（8）改进了连续配筋混凝土纵向配筋率的设计标准。
2 具体介绍修改要点及新规范要点在实际中的运用理解
2.1 可靠度设计标准
原规范《公路工程结构可靠度设计统标准》中规定的公路工程结构的设计安全等级共为三个等级，路面工程的安全等级仅考虑高速、一级和二级公路的路面，其相应的安全等级要求规定为一级、二级和三级。
修订后的新版规范不再改变《公路工程结构可靠度设计统一标准》的分级，而是将道路的安全等级适当提高。安全等级是为使结构具有合理的安全性根据工程结构破坏所产生后果的严重程度而划分的设计等级。提高了安全等级即提高了结构重要性系数。
本次修订还规定二级及二级以下公路（国道、省道等）可根据结构破坏可能产生的严重后果（如具有政治、经济、国防或抢险救灾等重要作用）提高一级设计安全等级，以提高其抗灾
能力，保障“生命线”功能的发挥；三级、四级公路交通量相对较小，根据实际调研，调整了
三、四级公路水泥混凝土路面的设计基准期。同时针对四级公路的目标可靠度指标也有所调整。详见下表
可靠度设计基准期的调整比较
2011版规范可靠度设计标准调整表
目标可靠度指标γr在道路计算中直接影响到最终计算结果，当荷载疲劳应力与温度疲劳应力之和与可靠度系数的乘积，小于且接近于混凝土弯拉强度标准值，同时，最大荷载应力与最大温度应力之和与可靠度系数的乘积，小于混凝土弯拉强度标准值，即同时满足式γr *（σpr+σtr）≤fr和式γr（σp.max+σt.max）≤fr时，所选水泥混凝土厚度可作为混凝土板的计算厚度。由上式可看出目标可靠度指标的取值对水泥混凝土厚度影响非常大。
2.2 增加设计标准
公路车辆超载、超限是导致混凝土路面过早损坏的主要原因之一。由于原规范没有反映这一状况，本次修订增加了超重载设计标准和交通等级，以适应结构分析中考虑超重载影响的需要，避免出现少数超重轴载对面层板产生断裂破坏。
设计标准的增加分为两方面，一方面增加极限断裂破坏验算，一方面增加刚性基层疲劳断裂设计标准。设计标准调整后新规范要求：
半刚性基层上的水泥路面需同时满足下列两式：
γr*（σpr+σtr）≤fr-行车荷载和温度梯度的综合疲劳作用，路面结构满足的前提条件
γr（σp.max+σt.max）≤fr-应根据交通调研情况，选定路面结构可能出现的特重轴载，按本式进行验算。
刚性基层上的水泥路面需同时满足下列三式：
γr*（σpr+σtr）≤fr
γr（σp.max+σt.max）≤fr
γr*σtpr≤fbr-贫混凝土及碾压混凝土基层的疲劳断裂设计标准，由于基层经受的温度梯度小，相应的温度翘曲应力可以忽略不计。
根据以上新规范内容对某工程中遇到的情况进行计算比较：以安徽盘景2X4500t/d水泥熟料生产线为例，在无超载的正常情况下，以设计轴载Ps=100KN计算出Ne=1.15*107，考虑偶尔出现个极端重荷载Pm=150kn，180kn，200kn
安徽盘景项目道路结构受力分析
由上表可看出，按原规范仅对γr*（σpr+σtr）≤fr进行验算，通过计算可得γr*（σpr+σtr）=4.98
2.3 极重交通等级及相关的设计轴载的规定
新规范内交通荷载等级按设计基准期内设计车道临界荷位处所承受的`设计轴载累计作用次数分为5级，增加了极重交通荷载以适应结构分析中考虑超重载影响的需要。
交通荷载分级
新规范中首次提出设计轴载可替代原有的标准轴载。由于水泥混凝土路面的疲劳损伤量对轴重很敏感（与轴重比成16次方的关系），对于特重轴载采用100kN设计轴载进行设计时，基准期内的设计轴载累计作用次数往往会达到天文数字，很容易超过1010次，也难以反映全国不同地区、不同交通状况下面板的实际受力响应。为了避免出现这种情况，对于极重交通负担的公路，新规范建议选取货车中占主导的特重车型的轴载（占主要份额）作为设计轴载，以计算其疲劳效应。路面结构设计时，疲劳性能的验算同样采用式Ns=？撞niNl*（■）16进行计算，但式中应力的计算应按设计荷载进行。
另外新规范对双联轴以及三联轴也进行了简化计算，双联轴按2 次单轴计，三联轴按3次单轴计，从而解决了多联轴轴重不均匀的问题，并可直接利用称重站的轴载数据。双联轴驶过混凝土面层板时，临界荷位处会出现二次应力峰值；三联轴驶过时，则会出现三次应力峰值。由于相邻轴产生负弯矩，应力峰值要比单轴作用时小（降低10%～14%）。同时，根据轴载调查发现，多联轴各根轴之间的轴重差异较大，双联轴的前轴重与平均轴重之比平均为1.03；三联轴的前轴重与平均轴重之比平均为1.05，综合这两方面因素，对多联轴的轴载换算作偏保守的处理，忽略邻轴的影响。
通过安徽盘景2X4500t/d水泥熟料生产线项目中的车辆参数进行计算对比。
轴载当量换算
由上表计算结果可得出，新规范在计算轴载当量次数时较原规范更加谨慎，计算结果偏大，尤其三联轴当量次数的计算结果是原规范的数倍。其计算出的荷载应力偏大，使水泥混凝土路面厚度偏厚且更加安全。通过表中后两列比较，当特重车型的轴载（占主要份额）作为设计轴载计算时，更能体现交通状况下面板的实际受力响应，计算也更加简单。最终计算的水泥混凝土路面受力情况基本相同。
2.4 完善路面结构层材料设计参数
新规范对材料设计参数进行了较大的修改，其主要是考虑材料的环境影响因素，考虑材料试验方法的发展趋势。如可靠度系数因为安全等级的调整，使得相应等级的公路可靠度系数都有所提高。有关路床的参数都有所改变，根据今年来运行经验，对材料参数的数值给出更加准确的范围，也提出相应的代表值给予设计人员参考。并且提出“路基因弹模量及湿度调整系数经验参考值”，而不是简单的给出中湿状态下的材料参数，对于参数取值更加准确，也更具代表性。
有关无机结合料类基层和底基层材料弹性模量经验参考值给出更详细的数值，分为四种情况下的取值：7d 浸水抗压强度、试件模量、收缩开裂后模量、疲劳破坏后模量。这对于实际中的道路设计更具指导意义。
水泥混凝土强度和弹性模量经验参考值也同样根据近年实际运行中的经验进行调整，得出更加准确数据。
2.5 强化结构组合和材料组成设计
依据公路等级、交通荷载、路基条件、当地温度和湿度状况以及使用性能要求，选择及组合与之相适应的水泥混凝土路面结构。
首先提到路基，路基应稳定、密实、均质，对路面结构提供均匀的支承，在新规范内对于路基的提出了更加明确的要求，对于季节性冰冻地区的中湿类、潮湿类和过湿类路基，当冰冻线深度达到路基的易冻胀土层时，在易冻胀土层上应设置防冻垫层或用不易冻胀土置换冰冻线深度范围内的易冻胀土；而在正常路床顶面的综合回弹模量值，轻交通荷载等级时不得低于40MPa，中等或重交通荷载等级时不得低于60MPa，特重或极重交通荷载等级时不得低于80MPa。
作为基层和底基层有相应的要求。基层和底基层应具有足够的抗冲刷能力和适当的刚度。基层和底基层的材料可依据交通荷载等级、结构层组合要求和材料供应条件。参照如下两表数据。
各交通荷载等级的基层材料类型
各交通荷载等级的底基层材料类型
水泥混凝土面层厚度根据今年经验提出新的要求，如下表所示。
水泥混凝土面层厚度的参考范围
2.6 改进了力学模型和结构应力计算方法
本次规范修改就是改进了力学模型，给出温度应力系数的数值解。
计算模型的改变主要基于两点考虑：（1）文克勒（Winkler）地基板模型所得荷载应力与实测结果符合很好，结构的本构关系明晰（基层顶面当量模量无需因数据的拟合而修正）；
（2）避免荷载作用位置不同而反算获得的地基模量相差很大的难题。设计轴载Ps在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力σps 的计算考虑计算模型，分单层板模型、双层板模型和复合板模型三种。
弹性地基单层板荷载应力：
弹性地基双层板荷载应力
面层复合板荷载应力
对于温度应力的计算，本次修订给出了温度应力系数的数值解，物理概念清楚，计算精确。
弹性地基单层板温度应力
弹性地基双层板温度应力
通过以上公式，实现了水泥混凝土道路结构计算的软件程序化，便于计算和修改，也方便多方案设计的修改。
2.7 修改了旧混凝土路面损坏评定标准，增加了加铺方案的选用原则
路面损坏状况调查评定仍然采用和两项指标评定。综合我国公路水泥混凝土路面接缝损坏情况，本次修订提高了混凝土板错台量评级标准：平均错台量对优良、中、次、差四个等级平均下调2～4mm。
路面损坏状况分级标准
接缝传荷能力的评定，接缝传荷能力是加铺方案选择的重要依据，本次修订为利于控制旧路加铺层设计后的性能，对接缝传荷能力分级标准中的中、次、差三个等级进行了调整，使评级标准稍有提高。
接缝传荷能力分级标准
2.8 改进了连续配筋混凝土纵向配筋率的设计标准
按照连续配筋混凝土面层的工作特性及国内外的使用经验和研究成果，并参照美国力学经验法路面设计指南，制定了连续配筋混凝土的3项要求和相应的技术指标
（1）纵向钢筋埋置深度处的裂缝缝隙平均宽度不大于0.5mm；（2）横向裂缝的平均间距不大于1.8m；（3）钢筋所承受的拉应力不超过其屈服强度。
3 结束语
由以上阐述新老规范的差别可看出，新规范以局部完善为主，未进行整体性修订；新规范的主要内容是成熟的、可靠的。新规范的修改也更多的是来自于近年来的实际经验，适应于社会的发展。
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