中铁（石家庄）设计研究院有限公司
摘 要: 重载交通现象是世界范围内普遍存在的问题,已成为影响路面使用性能和缩短路面使用寿命的重要因素之一。在重载交通下路面如何实现长寿命是路面结构研究的一种发展方向。基于此，本文提出了一种适用于重载交通下混凝土道路结构，介绍重载路面结构的构造以及对其进行有限元分析，并通过实际应用表明，其效果良好。
关键词:重载路面；有限元；计算；设计
引言
随着社会经济的发展及汽车工业技术的提高，交通量快速增长，车辆轴载也在不断增加。超、重载交通对道路路面的正常使用具有很大影响，是道路路面使用初期产生严重破坏的主要原因，也影响着交通安全和道路使用者交通出行环境。因此，在重载交通下，一方面要持续加强交通管理、严控超载运输，同时有必要深入研究合适的路面结构设计，以适应重载交通运输要求。
1 重载路面结构的构造
本文提出的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。
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图1 道路立面及平面(单位:cm)
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)。.png)
图2 面层设计(单位:cm)
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:1500MPa≤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。.png)
图3 预应力钢筋张拉力施加输入界面
(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。
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图4 抛物线压缩模型曲线
(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。
图5 路面结构分析模型
2 .3 主要计算结果
2.3.1 应力分析
图6 面层应力结果(单位:MPa)
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=178.2kN·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89kN·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
某物流集散中心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
综上所述，车辆重载是一个普遍存在的问题，是造成道路路面早期破坏的重要原因。因此，在进行路面结构设计时必须满足重载交通行驶需求。本文提出了一种半刚性基层上配筋面层的道路结构，它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。通过实际应用，工程取得了良好的效果。
参考文献
[1] 赵队家,刘少文,申俊敏.重载交通水泥混凝土路面结构设计[J].人民交通出版社.2012
[2] 陆敬花.重载交通道路结构性设计理念[J].交通科技.2014
[3] 徐利海.重载交通下路面结构组合设计探讨[J].山西建筑.2016
论文作者:舒广志
论文发表刊物:《基层建设》2016年26期
论文发表时间:2017/8/9
标签：路面论文; 面层论文; 工况论文; 钢筋论文; 结构论文; 道路论文; 模型论文; 《基层建设》2016年26期论文;