重载交通水泥混凝土路面结构设计

重载交通水泥混凝土路面结构设计
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。

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)。

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。

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。

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。