貨場道路重載交通路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計及應(yīng)用

劉立馨，王廣輝

（遼寧省沈陽市法庫縣公路管理處沈陽市 110168）

貨場道路重載交通路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計及應(yīng)用

劉立馨，王廣輝

（遼寧省沈陽市法庫縣公路管理處沈陽市 110168）

提出了一種適用于貨場重載交通的混凝土道路結(jié)構(gòu)。通過采用高模量基層，能有效減小面層在重載下的彎沉值變形，可極大提高面層的混凝土面板耐久性；通過標(biāo)識標(biāo)線將集裝箱車輛引導(dǎo)至行駛區(qū)域行駛，并針對性地在行駛區(qū)域的面層中配置抗彎鋼筋和抗壓鋼筋，提高了行駛區(qū)域的抗彎、抗裂承載能力。實際工程應(yīng)用效果良好。

重載交通；混凝土；路面結(jié)構(gòu)

汽車的總重及軸載是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要指標(biāo)。目前，我國公路上行駛的貨車的后軸軸載，一般控制在60～130kN范圍內(nèi)，我國現(xiàn)行《公路與城市道路路面設(shè)計規(guī)范》以100kN為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)軸重［1］。

隨著現(xiàn)代物流業(yè)的發(fā)展，越來越多貨場成為大件商品物流轉(zhuǎn)換基地，成為貨運物裝卸的集散地，大量集裝箱（集裝箱車輛總重大都在40t以上）和重型貨車不停地往來。為滿足貨場重載交通行駛需求，提出一種道路結(jié)構(gòu)并進行分析和初步應(yīng)用。

1　重載路面結(jié)構(gòu)的構(gòu)造

本文提出的貨場道路重載交通路面結(jié)構(gòu)，主要構(gòu)造為：自上而下包括面層（30cm）、基層（45cm）、墊層（25cm）和路床。

（1）面層。由多塊混凝土現(xiàn)澆的行車道板組成，每塊行車道板在道路縱向上的長度為4～6m，在道路橫向的上寬度為4～5m。分別在道路縱向、橫向上的行車道板間設(shè)縱縫、橫縫。

行車道板劃分為行駛區(qū)域（承受行駛車輛車輪壓力的區(qū)域）和禁行區(qū)域（不允許行駛車輛車輪駛?cè)氲膮^(qū)域）。

在行駛區(qū)域下方增設(shè)抗彎鋼筋和架立鋼筋及箍筋；禁行區(qū)域按照常規(guī)進行配筋（見圖2之N16、N17鋼筋布置示意）。

行駛區(qū)域主要的配筋方案為：

①抗彎鋼筋（N10）。抗彎鋼筋布置于行駛區(qū)域輪載作用下的受拉區(qū)。其橫向間距12.5cm，鋼筋直徑根據(jù)受力計算選取，一般取值范圍為16～25mm。

②架立鋼筋（N11）。架立鋼筋起架立作用，同時輔助抗壓。一般鋼筋取值范圍為8～12mm。

③箍筋（N13）。設(shè)置箍筋可有效增強行駛區(qū)域的整體性，同時增強其抗剪能力。箍筋在道路方向上間距取20cm。

（2）基層由5%水泥穩(wěn)定級配碎石構(gòu)成，基層的頂面抗壓綜合回彈模量值Eoj為：1500 MPa≤Eoj≤1550MPa。路床的頂面抗壓綜合回彈模量值Eoc為：80MPa≤Eoc≤120MPa。

2　重載路面結(jié)構(gòu)的有限元分析

2.1路面結(jié)構(gòu)分析模程序介紹

MidasFEA（英文全稱Nonlinear&Detail Finite Element Analysis System for Civil Structures）是韓國Midas公司旗下的一款通用有限元軟件，越來越多地成為土木工程師選擇的分析工具，主要是因為：

（1）程序的易操作、上手快。學(xué)習(xí)資料豐富，一般工程技術(shù)人員在短時間內(nèi)能快速上手；程序的可視化程度好，人機交換方便。

（2）友好的前后處理，利于前期模型的快速建立和后期結(jié)果的處理。

（3）強大的非線性處理功能。程序提供了多種非線性模型和多重求解處理方法，都為非線性計算收斂提供有力工具。

（4）貼合土木行業(yè)需求。土木行業(yè)有別于通用有限元軟件在于需要許多專業(yè)性的功能，如：多階段施工；混凝土材料的收縮、徐變特性；預(yù)應(yīng)力的快速輸入、預(yù)應(yīng)力損失的實現(xiàn)；汽車荷載移動；混凝土材料、鋼材的非線性等，一般通用有限元軟件無法實現(xiàn)或只能部分實現(xiàn)，或部分實現(xiàn)但代價巨大。而MidasFEA均可很好處理這些專業(yè)性很強的問題。

（5）強大的網(wǎng)格處理能力和豐富的單元庫為模型建立提供有力的基礎(chǔ)。

2.2路面結(jié)構(gòu)分析模型的建立

利用MidasFEA建立路面結(jié)構(gòu)的三維有限元模型。

（1）單元的選取：采用映射劃分網(wǎng)格，選取8節(jié)點的實體單元進行分析。鋼筋采用程序自帶鋼筋單元。鋼筋單元與實體單元可實現(xiàn)自動耦合，共同受力。

（2）邊界條件：采用僅受壓彈簧進行豎向支承。

（3）混凝土采用總應(yīng)變裂縫模型進行分析。總應(yīng)變裂縫可提供多重非線性分析模型。本次分析采用受壓模型為拋物線性，受拉模型為脆性模型。

拋物線模型是由Feenstra［3］基于斷裂能理論推導(dǎo)出的模型，由三個特性值決定：抗壓強度、抗壓斷裂能及特征單元長度。

（4）分析工況。共有四個工況：

工況一：55t汽車后輪作用于板中；

工況二：82.5t汽車后輪作用于板中，超載1.5倍；

工況三：55t汽車后輪作用于板中，部分基層脫空；

工況四：82.5t汽車后輪作用于板中，超載1.5倍、部分基層脫空。

圖5（a）為路面結(jié)構(gòu)三維模型離散圖，圖5（b）為路面結(jié)構(gòu)鋼筋單元。模型共139855個單元，106385個節(jié)點。

2.3主要計算結(jié)果

2.3.1應(yīng)力分析

工況一至工況四，在面層底部最大應(yīng)力分別為：0.17MPa、0.46MPa、0.67MPa、1.09MPa。

說明在前三種工況下，面層混凝土能保持良好的工作狀態(tài)，處于彈性工作狀態(tài)。因而對一般混凝土路面而言，穩(wěn)定基層對面層的承載力有著決定性作用。

但在82.5t汽車后輪作用于板中且基層部分脫空的情況下（即工況四），面層的混凝土板將開裂。如工況四發(fā)生的情況，一般設(shè)計的道路面層將開裂，進而出現(xiàn)斷裂破壞。而本設(shè)計因面層下緣配置有受彎鋼筋，進而提高了面層的承載力。

2.3.2工況四結(jié)構(gòu)承載力及裂縫分析

工況四的承載力和裂縫寬度驗算如下：

（1）計算彎矩。由計算可知，工況四汽車作用下，面層下緣應(yīng)力為0.99MPa，自重下緣應(yīng)力為0.10MPa，通過應(yīng)力與彎矩的相互關(guān)系，換算得單位長度作用于面層的彎矩：汽車作用Mq=178.2 kN·m；自重作用Mh=18kN·m。

（2）裂縫計算。由已計算的汽車和恒載作用，可計算得短期組合為143kN·m，長期組合為89 kN·m，根據(jù)《公路橋規(guī)2004》計算裂縫寬度，得底部受拉鋼筋應(yīng)力為155MPa，其對應(yīng)的裂縫寬度為0.134mm。

（3）抗彎極限承載力計算。由已計算的汽車和恒載作用，可計算得基本組合為271kN·m。單位長度面層的極限抗彎承載力Mu=286kN·m，滿足。

2.4新型路面的設(shè)計及應(yīng)用

沈陽市法庫縣某陶瓷物流集散中心，其進出的兩條主要通道，原按常規(guī)道路結(jié)構(gòu)形式進行設(shè)計，運營中路面出現(xiàn)了大面積塊裂、下沉等病害。2013年，按照本文提出的新型路面結(jié)構(gòu)形式進行了2.2km的改造升級。道路的總寬度為8.5m。

新道路結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用后，經(jīng)過近兩年時間的運營，取得了良好的效果，路面結(jié)構(gòu)保持完整，達到了預(yù)期的目的。除結(jié)構(gòu)現(xiàn)場施工簡便，后期維護方便外，其有益效果主要為：彎沉值變形小、混凝土面層的接縫傳荷能力顯著提高、集裝箱車輛有序行駛。

3　結(jié)論

本文提出的半剛性基層上配筋面層的道路結(jié)構(gòu)，能極大減小面層在重載下的彎沉值變形，提高了面層的混凝土面板耐久性；通過標(biāo)識標(biāo)線將集裝箱車輛引導(dǎo)至規(guī)定的行駛區(qū)域行駛，并針對性地在行駛區(qū)域的面層中配置抗彎鋼筋和抗壓鋼筋，提高了行駛區(qū)域的抗彎、抗裂承載能力。通過實際工程的應(yīng)用，效果良好。

［1］ 李鎮(zhèn).重載交通水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.西安：長安大學(xué)，2012.

［2］ 賈玉鈞，胡長順，王秉綱.復(fù)合式路面荷載應(yīng)力的統(tǒng)一分析方法［J］.西安公路交通大學(xué)學(xué)報，1995（4）.

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

［4］ 李鎮(zhèn)，張紅梅，李欣，馮曉新.重載交通對公路路面使用壽命的影響［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化，2011（12）.

［5］ 劉靜.設(shè)置隔離層的水泥混凝土路面技術(shù)研究［J］.交通科技，2008（3）.

［6］ 羅立峰，左智飛.特重交通下高速公路水泥混凝土路面基層設(shè)計探討［J］.廣東公路交通，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