城市地下道路復合式路面結構設計方法研究

虞秋富 ，馬士賓 ，陳 晗 ，王海燕

（1.河北工業大學土木學院，天津 300400；2.天津市市政工程設計研究院，天津 300051）

0 引言

隨著我國經濟發展，城市的規模正在迅速變大，城市人口密度的增加給城市交通帶來了很大的壓力。與此同時，地下道路正以其可提高線路標準、縮短運營里程、保護環境、減少拆遷、噪音污染少等優點而越來越得到人們的青睞。城市地下道路內采用連續配筋混凝土基層和瀝青混凝土面層組合的復合式路面具有很多優點。CRC層由于縱向配置了足夠的鋼筋而具有非常強的結構承載能力，同時CRC取消了橫向接縫，可以減少路面水損害。而AC層則可以改善路面行駛性能。AC+CRC路面結構可以大大提高地下道路路面的使用性能、使用壽命和服務水平等。但是由于種種原因，作為地下道路重要組成部分的CRC+AC復合式路面結構設計卻未得到足夠的重視，即大部分地下道路內路面結構都是根據以往的經驗直接給出的，未經過專題的研究[1]。

AC+CRC作為一種新型的路面結構，設計時常規做法是套用公路瀝青路面設計方法。而城市道路與一般公路所承受的交通組成方面存在很大差異，直接套用現有規范勢必造成很多不合理的地方。因此，研究和推廣AC+CRC復合式路面結構，并提出相應的設計方法不僅具有重要的現實意義，而且具有很好的工程應用價值。

1 交通量調查及軸載換算研究

1.1 交通量調查

為掌握地下道路交通量情況，針對天津市海河東路地下道路交通組成情況進行了專項交通量調查。由于受調查條件及儀器的限制，該項調查選取工作日內的一天實測交通量換算全天交通量的方法。

由于海河東路地處市中心，且靠近天津東站，交通流量相對較大，以小汽車、公交車為主。一天內小汽車、中型客車、大客車交通輛依次為1 4395 veh、53 veh、944 veh，且早上 8:00-10:00，下午 17:00-18:30為高峰小時段。對車重最大的大客車載客量進行統計得到如下表1所列及圖1所示。

表1 大客車載客情況表

圖1 大客車載客人數分布圖

由表1及圖1可以看出，載客在20～30人的大客車數量明顯高于其他類型的車輛。經調查發現，大客車主要由公交車和旅游大巴兩種車構成。旅游大巴空車質量在13 t左右，滿載47人，人均體重按65 kg計，則滿載時旅游大巴軸重為78.75 kN。公交車空車質量在9.5 t左右，滿載時有70人，人均體重按65 kg計，此時軸載為70.25 kN。

1.2 軸載換算研究

在我國，規范中要求軸載換算時，路面設計時以單軸雙輪組軸載100 kN為標準軸載。而調查結果顯示：地下道路最大軸載也不過80 kN，再以100 kN作為標準軸載顯然不合理。

軸載換算應遵循的原則[2]：

（1）以達到相同的損壞狀態為標準，即同一路面結構，甲軸作用了N1次后，路面達到某種損壞狀態，乙軸作用了N2次后，路面也要達到同樣的損壞狀態，在此時甲軸和乙軸的作用視為等效。

（2）對于同樣一個交通組成，無論以其中哪一個軸載作為標準進行等效換算后所得到的路面厚度計算結果應該是相同的。

按照上述原則以60 kN作為標準軸載重，在應用ANSYS建模分析后，重新推導了城市地下道路軸載換算公式。

計算AC層底拉應力時軸載換算公式見公式（1）。

計算連續配筋混凝土板底彎拉應力時采用公式（2）。

2 地下道路復合式路面結構力學分析

應用ANSYS建立有限元模型采用的路面結構及其參數如表2所列，層間條件連續。

表2 路面結構參數一覽表

軸載選用修正的標準軸載60 kN，胎內壓力0.6 MPa。

2.1 設計參數對AC層底剪應力的影響

2.1.1 瀝青層厚度對剪應力的影響（見圖2）

圖2 AC層底最大剪應力隨AC層厚變化曲線圖

AC層厚度依次取2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm、12 cm、14 cm、16 cm、18 cm，CRC板厚度取 18 cm，其他參數不變，分析AC層厚度變化對層底剪應力的影響。

從圖2可以看出，當AC層厚度由2 cm增加到6 cm時，層底最大剪應力由0.215 MPa降至0.198 MPa，降低了8.59%；AC層厚度由14 cm增至18 cm時，層間剪應力僅降低了5.71%，且剪應力隨厚度增大而降低的趨勢變緩。總體而言,AC層厚度對剪應力影響不大。考慮施工工藝要求,AC層厚度宜取4 cm～8 cm之間。

2.1.2 CRC厚度對剪應力的影響

分別改變CRC層厚度，計算AC層底剪應力，結果如圖3所示。

圖3 AC層底最大剪應力隨CRC厚度變化曲線圖

由圖3可以看出，CRC層厚度對層間剪應力基本沒有影響，依靠增加連續配筋混凝土板的厚度來減少層間剪應力沒什么實際意義。

2.2 設計參數對AC層底拉應變的影響

通過改變AC、CRC層厚度得到AC層底拉應變，計算結果如圖4、圖5所示。

圖4 AC層底拉應變隨AC板厚變化曲線圖

圖5 AC層底拉應力隨CRC板厚變化曲線圖

比較圖5和圖6可見，當AC層厚度每增加2 cm，AC層底拉應變下降約2.4%～2.9%，下降較為明顯。當CRC板厚度從16 cm增加到22 cm時，AC層底拉應變下降總百分比為3.71%，可見CRC板厚對AC層底拉應變影響不大。即AC層厚度對AC層底拉應變影響遠比CRC層厚度影響大。

2.3 設計參數對CRC板底荷載應力

分別改變AC層厚度，CRC層厚度得到AC層底拉應變計算結果如圖6、圖7所示。

圖6 CRC板底橫向拉應力隨AC厚度變化曲線圖

圖7 CRC板底橫向拉應力隨CRC板厚變化曲線圖

由圖6、圖7隨著AC層厚度的增加，CRC板底荷載應力呈現減小的趨勢，這是由于AC層厚度的增加有利于將作用于路表的荷載應力分散、消減，使作用于CRC板的應力降低[4]。由圖6可以看出，AC層厚度由4 cm增加到12 cm時，CRC板底的荷載應力減小了21%，當AC層厚度從12cm增加到18 cm時CRC板底的荷載應力減小了11%，可見AC層厚度在4 cm～12 cm時，對CRC板底荷載應力的折減比較明顯，當AC層厚度進一步增大時，對CRC板底荷載應力降低并不明顯，況且，較厚的瀝青層也不經濟。所以從降低CRC板底荷載應力角度考慮，地下道路CRC+AC復合式路面結構設計時，AC層厚度以4～12 cm為宜。當CRC板厚度每增加2 cm，CRC板底荷載應力下降約10%～14%，并隨著CRC板厚度的增加，標準軸載在臨界荷位處產生的荷載應力逐漸減小；當CRC板厚度增加到25 cm以后這種減小的趨勢逐漸趨緩。

可見通過增加CRC板厚度可以減少板底荷載應力從而達到延長路面使用壽命的目的，但CRC板過厚會造成造價過高，不經濟。因此在地下道路CRC+AC復合式路面結構設計時，CRC板厚以不超過25 cm為宜。

3 地下道路復合式路面結構設計方法

3.1 設計指標的選取

根據力學分析結果，選定AC層層底的最大拉應變及CRC板底的最大拉應力為地下道路復合式路面結構設計指標。要求：

（1）AC層層底的最拉應變不大于該層材料的容許拉應變；

（2）CRC板底的疲勞應力不大于該層材料的容許拉應力。

3.2 計算過程

3.2.1 AC層底拉應變的計算

AC層底拉應力計算參考普通瀝青混凝土計算公式（3）：

AC層底拉應變計算公式（4）：

式中：EC為AC層材料抗彎拉模量。

3.2.2 連續配筋混凝土板底疲勞應力計算

由于連續配筋混凝土板中的鋼筋只起到控制板內橫向裂縫的作用，因此在計算板內荷載應力時不考慮鋼筋的存在。

根據《公路水泥混凝土路面設計規范》(JTG D40—2011)水泥混凝土板允許應力計算公式：

式中：P——標準軸載，kN；

h——CRC板厚度，m；

r——混凝土板的相對剛度半徑，m；

A，m，n——與軸型有關的回歸系數，見表3所列。

在設計使用期內引起的累計荷載疲勞應力：

式中：kr——應力傳荷系數；

表3 軸型有關的回歸系數表

kf——設計基準期內荷載應力累計作用次數的疲勞應力系數，可按下式計算：kf=Ne0.057，其中，Ne為設計基準期內荷載應力累計作用次數；

kc——考慮超載和動荷載等因素對路面疲勞損害綜合影響的系數。

3.3 設計流程

CRC+AC剛柔復合式路面設計步驟如下：

（1）交通參數調查，收集交通量和軸載組成數據，計算單車道內設計基準期內標準軸載的累計作用次數。

（2）初擬路面結構，根據交通量計算結果擬定AC層厚度、CRC板厚度等結構參數。

（3）根據路面結構參數計算AC層底拉應變，并與容許拉應變對比分析。

（4）計算CRC板底荷載疲勞應力，驗算CRC板參數是否滿足設計要求。

4 結論

本文結合地下道路交通量特點，對CRC+AC復合式路面結構設計過程中的關鍵問題進行了全面分析，主要結論有：

（1）地下道路CRC+AC復合式路面結構設計指標主要有：瀝青層底彎拉應變及連續配筋混凝土板荷載應力。

（2）通過建立有限元模型分析，AC層厚度在4 cm～12 cm時，對CRC板底荷載應力的折減比較明顯，當AC層厚度進一步增大時，對CRC板底荷載應力降低并不明顯，從降低板底荷載應力角度考慮，地下道路CRC+AC復合式路面結構設計時，AC層厚度以4～12 cm為宜；CRC板厚度每增加2 cm，CRC板底荷載應力下降約10%～14%，當CRC板厚度增加到25 cm以后CRC板應力折減不明顯，CRC板厚以不超過25 cm為宜。

（3）給出了城市地下道路復合式路面結構設計方法及設計過程。

[1]顧興宇,倪富健,董僑.AC+CRCP復合式路面溫度場有限元分析[J].東南大學學報,2006,36（5）:805-809.

[2]陽宏毅,劉朝暉.水泥混凝土與瀝青混凝土復合式路面層間剪應力分析[J].公路與汽運,2004,(6)：41-43.

[3]李盛.連續配筋混凝土復合式瀝青路面結構厚度研究[D].長沙:長沙理工大學,2010.

[4]倪富健,盧楊,顧興宇，等.瀝青混凝土與連續配筋混凝土復合式路面承載力分析[J].交通運輸工程學報,2007,7（1）：43-48.