考虑重车荷载时堤顶道路砼路面的结构设计

考虑重车荷载时堤顶道路砼路面的结构设计

摘要：本文根据《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2002，以下简称规范），通过一个实例，介绍了堤顶道路砼路面结构设计和强度复核时荷载疲劳应力和温度疲劳应力的计算过程，提出了堤顶道路砼路面结构设计需注意的一些问题，为水利工程堤顶砼路面设计提供参考。

关键词：堤顶道路；重车荷载；砼路面，结构设计。

Abstract: In this paper, according to the highway cement concrete pavement design rules \\”(JTG D40-2002, hereinafter referred to as the rules), through an example, the paper introduces the concrete pavement structure design constructed roads and strength check load fatigue stress and temperature fatigue stress calculation process, put forward the concrete pavement structure design constructed roads should pay attention some questions, for water conservancy project constructed provides reference for the design of concrete road.

Keywords: constructed roads; Heavy vehicle load; Concrete road surface, the structure design.

1.前言

一般情况下，堤围的堤顶道路均铺设砼路面（强度等级一般为C25～C30），作为防汛抢险的通道，其道路车辆频次很少，设计时一般不考虑重车荷载。但是在珠三角地区，有许多堤围周边企业运送物料的重型车辆经常需要借道堤顶道路行驶，这时，堤顶道路砼路

面的的设计就要以弯拉强度为控制指标，即要求堤顶砼路面在车辆荷载和温度变化共同作用下的综合疲劳应力应不大于砼路面的弯拉强度，若不满足此条件，因温度设计条件一般无法人为控制，则只能对重型车辆进行通行或对砼路面进行加固后给予通行。

2.工程概况

佛山市顺德区龙江镇万安电排站工程堤顶道路路面结构分3层，自上而下依次为C25砼厚h=0.3m，掺6%水泥石粉基层厚h1=0.15m，混石垫层（最大粒径90mm）厚h2=0.25m，混石垫层以下路基为堤身回填压实的粘土。现因附近有一水泥厂运输物料的货车要借道堤顶道路行驶，故需对现有砼路面的强度进行复核。

3.砼路面结构设计

3.1基本设计参数

设计参数根据《规范》相关条文规定取用，查公路自然区划图，得知本工程位于Ⅴ区（东南湿热区），公路设计等级为三、四级，查《规范》表3.0.1得安全等级为四级，设计基准期t=20年，目标可靠度80%，目标可靠度指标0.84，变异水平等级为中~高级；查《规范》表3.0.3得可靠度系数γr=1.04，查《规范》表3.0.8得最大温度梯度Tg=83℃，查《规范》表A.2.2得临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数η=0.6。

3.2交通分析

交通分析主要是根据使用初期标准轴载日作用次数Ns，考虑一定的交通流量年增长率（gr），计算出基准期内标准荷载累积作用次数Ne，进而确定交通等级。砼路面结构设计

以100KN的单轴－双轮组荷载作为标准轴载，不同轴－轮型的轴载的作用次数按下式换算为标准轴载的作用次数：Ns=Σδi•Ni•(Pi/100)16,

Ns——100KN的单轴－双轮组标准轴载的作用次数；

Pi——各种轴－轮型i级轴载的总重（KN）；

Ni——各种轴－轮型i级轴载的作用次数；

δi——轴－轮型系数，单轴－双轮组时，δi=1.0；单轴－单轮组时，δi=2.22×103×Pi-0.43；双轴-双轮时，δi=1.07×10-5×Pi-0.22；三轴-双轮时，δi=2.24×10-8×Pi-0.22；

假设550KN重车每日通行20辆次， N1=N2=N3，则有

Ns=514×20×（30/100）16+3.2043×10-6×20×（240/100）16+3.0975×10-6×20×（240/100）16=962次，即550KN重型货车的轴载作用20次，相当于100KN的单轴－双轮标准轴载作用了962次。

Ne=Ns×((1+gr)t－1) ×365×η/gr=962×((1+0.01)20－1)

×365×0.6/0.01=463×104次，查《规范》表3.0.5得知，交通分级属重型交通等级。

3.3路面材料参数

砼路面的弯拉强度标准值fr、砼路面弯拉弹性模量标准值Ec、路基路床回弹模量E0、垫层基层回弹模量E1、垫层回弹模量E2等数值可查《规范》相关条文取用本例中，经查

算，C25砼路面fr=2.7MPa，Ec=21800MPa，路基E0=45MPa，基层E1=1700MPa，垫层E2=220MPa。

根据上述参数，计算基层和垫层的当量回弹模量Ex、基层和垫层当量弯曲刚度Dx、基层和垫层当量厚度、回归系数a和b、基层顶面当量回弹模量Et、砼面层的相对刚度半径r，计算过程如下：

Ex=(h12×E1+h22×E2)/(h12+h22)=

(0.152×1700+0.252×220)/(0.152+0.252)=611.8MPa；

Dx=(h13×E1)/12+(h23×E2)/12+((h1+h2)2)/4×(1/(E1×h1)+1/(E1×h1))-1

=(0.153×1700)/12+(0.253×220)/12+((0.15+0.25)2)/4×(1/(1700×0.15)+1/(220×0.25))-1

=2.574MN-m

hx=(12×Dx/Ex)1/3=(12×2.574/611.8)1/3=0.37m

a=6.22×(1－1.51×(Ex/E0)-0.45)= 6.22×(1－1.51×(611.8/45)-0.45)=3.318

b=1－1.44×(Ex/E0)-0.55=1－1.44×(611.8/45)-0.55=0.657

Et=a×h×b×E0×(Ex/E0)1/3= 3.318×0.370.657×45×(611.8/45)1/3=185.2MPa

r=0.537×h×(Ec/Et)1/3=0.537×0.3×(21800/185.2)1/3=0.7m

3.4荷载疲劳应力计算

砼路面在车辆荷载作用下的荷载疲劳应力按下式计算：σpr=kr×kf×kc×σps，式中，

Kr——接缝传荷能力的应力折减系数，按《规范》附录B中B.1.2条取用，本例中，取Kr=0.9；

Kf——设计基准期内的荷载疲劳应力系数，Kf=Neν, =（463.8×104）0.057=2.399（KN）；

ν——与混合料性质有关的指数，按《规范》附录B中B.1.4条取用，本例中，ν=0.057；

Kc——考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数，按《规范》附录B中B.1.2条取用，本例中，Kc =1.10；

σps——标准轴载在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力（MPa），

σps=0.077×r0.6×h-2=0.077×0.70.6×0.3-2=0.742Mpa；

σpr=kr×kf×kc×σps= 0.9×2.399×1.1×0.742=1.763MPa。

3.5温度疲劳应力计算

砼路面在温度变化作用下的温度疲劳应力按下式计算：σtr= kt×σtm，式中，

σtm——最大温度梯度时砼板的温度翘曲应力，

σtm=αc×Ec×h×Tg×Bx/2=αc×Ec×h×Tg×Bx/2；

αc——砼的线膨胀系数(1/℃)，通常取αc=1×10-5/℃；

Tg——最大温度梯度，按《规范》表3.0.8取用，本例中，Tg=83℃；

Bx——综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数，可按L/r和h值查《规范》图B.2.2取用，本例中，L=5.0m（行车方向板长），L/r=6.333,h0.3m，查图得Bx=0.520；

σtm=αc×Ec×h×Tg×Bx/2=1×10-5×21800×0.3×83×0.52/2=1.411MPa；

Kt——温度疲劳应力系数，kt=(fr/σtm) ×(a×(σtm/fr)c－b)

a、b、c——回归系数，按《规范》附录B表B.2.3取用，本例中a=0.871，b=0.071，c=1.287；

kt=(fr/σtm) ×(a×(σtm/fr)c－b)= (2.7/1.411) ×(0.871×(1.411/2.7)1.287－0.071)=0.587

σtr= kt×σtm= 0.587×1.411=0.829MPa;

3.6综合疲劳应力计算

砼路面综合疲劳应力按下式计算：σpt=γr•（σpr+σtr），式中，

γr——可靠度系数，根据水平变异等级和目标可靠度，查规范表3.0.3取用，γr=1.04，

σpt=1.04×（1.763+0.829）=2.695≤fr=2.7MPa，满足要求。

3.7计算结果分析

计算结果表明，C25砼路面厚0.3m，在设计基准期20年内，每日通行的550KN重车轴载不应大于20次，否则，该路面综合疲劳应力将不满足规范要求，路面将提前损坏。而实际的情况是，堤围外的水泥厂每日要求通行550KN重车远不止20次，故堤围管理部门要求该水泥厂出资对堤顶砼路面进行加固后方能通行。

4.砼路面加固设计

4.1路面加固方案

加固方案经研究确定为在原砼路面上加铺一层沥青砼路面，后0.1m，分2层，上层细粒式沥青砼厚0.04m，下层粗粒式沥青砼后0.06m。

4.2有沥青砼面层时砼底板的荷载疲劳应力计算

有沥青砼面层时，砼底板荷载应力计算公式为σpr=kr×kf×kc×σpsa，其中kr、kc的取值与无沥青砼面层时的计算值相同，kf则假设重车每日通行次数为2000辆次后计算得kf=3.119；

σpsa为标准轴载在有沥青砼面层的砼底板临界荷位处产生的荷载应力，其计算公式为:

σpsa=（1－ζ×ha）×σps：

ha——沥青砼面层的厚度，本例中ha=0.1m；

ζ——系数，可根据Ec×/Et、ha的值查规范附录D图D.1.2取用，本例中，ζ=1.2；

σps——标准轴载在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力（MPa），与无沥青砼面层时的计算值相同，本例中σps=0.742MPa；

σpsa=（1－ζ×ha）×σps=（1－1.52×0.1）×0.742=0.630MPa。

σpr=0.9×3.119×1.1×0.63=1.945MPa。

4.3有沥青砼面层时砼底板的温度疲劳应力计算

有沥青砼面层时，按规范规定，最大温度梯度标准值Tg取值降为Tg=35℃；此时，温度疲劳应力计算公式为σtra=（1+ζ’×ha）×σtr，式中：

ha——沥青砼面层的厚度，本例中ha=0.1m；

ζ’——系数，可根据Ec、ha的值查规范附录D图D.2.1取用，本例中，ζ’=0.65；

σtr——标准轴载在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力（MPa），与无沥青砼面层时的计算式相同，最大温度梯度标准值Tg=35℃时，σtr=0.144MPa；

σtra=（1+ζ’×ha）×σtr，=（1+0.65×0.1）×0.144=0.1MPa。

4.4有沥青砼面层时砼底板的综合应力计算

油沥青砼面层时，砼底板综合疲劳应力按下式计算：σpt=γr•（σpr+σtra），式中，

γr——可靠度系数，与无沥青砼面层时的取值相同，γr=1.04，

σpt=1.04×（1.945+0.1）=2.181≤fr=2.7MPa，满足要求。

由计算结果可知，在砼路面加铺沥青砼面层后，550KN重车的每日通行次数可以达到2000辆次以上，此时砼路面的综合疲劳应力人满足规范要求。

5.结论及建议

（1）在砼路面加铺沥青砼面层后，由于最大温度梯度的取值大为降低，因此，砼路面的温度疲劳应力相应的大幅度降低，从而可以大幅的提高重型车辆的每日允许通行辆次。

（2）堤顶砼路面设计时，应以砼的弯拉强度要求的控制指标，而不是简单以砼的强度等级作为控制指标。

（3）堤顶道路设计时，建议铺设沥青砼面层，同时砼路面的厚度可以适当减小，一般有0.1m厚的沥青砼面层时，底层砼路面厚度为0.2～0.22m已足够。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。