連續配筋混凝土路面結構設計實例研究

康棟東

（申都設計集團有限公司，上海市 200433）

0 引言

連續配筋混凝土路面是在縱向連續配置足夠數量的鋼筋，連續澆筑不設接縫的一種高性能混凝土路面結構，具有承載能力突出、平整性連續、行車較舒適、使用壽命久、養護少、維修方便等特點，非常適合重載交通的特殊路段設計采用。

本文結合上海市工程實例“市重大工程渣土應急消納交通保障配套項目”進行論述，該項目包括兩個工程，其一為浦東機場3＃圍區南側運輸通道應急加固工程；其二為南匯東灘N1庫區外圍運輸通道應急加固工程。浦東機場3＃圍區與南匯東灘N1庫區自2016年9月以來開始承擔本市軌道交通、市政路橋等重大工程渣土消納工作，預計今后消納總量將達4 000萬m3。與之配套需要開辟土方車進入3#圍區與N1庫區的運輸通道，通過S32-兩港大道-拱極東路-穿越滄海桑田進入3#圍區與N1庫區。

3＃圍區與N1庫區運輸通道涉及拱極東路、滄海桑田園區道路、園區通大堤道路等三個路段，交通主要以工程土方車為主，土方車滿載重量一般為60 t/輛，超載重量為80 t/輛，超載情況較多也應在設計中考慮，交通量按照1 000輛/d計，屬于特重交通，原路面結構已經不能滿足這種重載交通需求，需進行加固設計，擬采用加鋪連續配筋混凝土路面結構設計方案，項目地理位置見圖1。

圖1 地理位置圖

拱極東路是浦東新區內一條東西向規劃二級公路，目前兩港公路以東段只建南側半幅，道路寬度8.5 m（車行道寬度7.5 m，兩側土路肩寬度各0.5 m），改造長度約3 km，采用單向直線型路拱，車行道橫坡為2.0%，原設計為瀝青混凝土路面，車輛雙向通行。拱極東路兩側多為企業、園區和農田。

滄海桑田園區道路為園區內部非等級道路，道路寬度9 m，改造長度約5 km，采用雙向直線型路拱，車行道橫坡為2.0%，現狀為瀝青混凝土路面，車輛雙向通行。園區道路兩側多為農田、水塘。

滄海桑田園區通大堤道路為園區內部非等級道路，高填土鋪筑，同時起到防浪堤作用，現狀道路寬度5~7 m（南側砌石擋墻寬0.5 m，北側土路肩寬度0.5 m），采用單向直線型路拱，車行道橫坡為2%，瀝青混凝土路面，車輛雙向通行。改造長度約1.1 km，擬拓寬至9 m。園區通大堤道路兩側多為農田、水塘。

1 路面結構設計

1.1 設計原則

本工程三個路段平縱橫均按照三級公路標準設計，設計速度為30 km/h，設計標準軸載采用BZZ-100，路面設計使用年限為15 a。設計原則：拱極東路、園區道路平面、橫斷面設計維持原狀，對園區通大堤道路拓寬；道路縱斷面線形達到相應等級要求；加鋪連續配筋混凝土路面，路面結構按照二級公路標準設計，提高承載能力，以適應重載交通需求；對路緣石、防撞護欄等附屬設施同步整治。

連續配筋混凝土路面具有以下主要設計特點：

（1）路面連續配筋，設縱向以及橫向鋼筋結成雙層鋼筋網片，以控制裂縫寬度，按不大于0.5 mm裂縫寬度標準進行配筋設計。

（2）路面縱向連續，可每100~200 m設一道橫向脹縫，使路面具有較高的平整性，車輛行駛時更加舒適。

（3）在橋臺、坡腳、交叉口等部位進行脹縫布置或錨固段設計，以控制連續配筋混凝土路面因溫度變化等原因收縮或膨脹對這些部位的影響。

（4）以抗彎拉強度不低于5 MPa作為水泥混凝土主要控制指標。

（5）原路面結構作為基層結構，應進行鉆芯取樣和彎沉檢驗，并制定合理的處治方案，一般采用基層補強或增加結構層方案，以達到設計要求。

1.2 原路面結構及處治

原路面主要包括五種狀況：

（1）拱極東路部分路段原路面結構

40 cm粉煤灰三渣或水穩基層

15 cm級配碎石

（2）拱極東路其余路段原路面結構

8 cm AC-25C粗粒式瀝青混合料

0.6 cm稀漿封層

40 cm粉煤灰三渣或水穩基層

15 cm級配碎石

（3）滄海桑田園區道路原路面結構

4 cm AC-13C細粒式瀝青混合料

8 cm AC-25C粗粒式瀝青混合料

20 cm C30混凝土

10~20 cm碎石墊層

對于以上三種情況，如果已經鋪設的結構層狀況較好，則保留利用。如果局部結構層損壞，則進行基礎補強，翻挖原有路面20 cm結構后，采用20 cmC30混凝土補強。處治后加鋪連續配筋混凝土路面。

（4）滄海桑田園區通大堤原道路路面結構（5~7 m寬）

4 cm AC-13C細粒式瀝青混合料

8 cm AC-25C粗粒式瀝青混合料

45 cm渣石

對該路段整體作為基層利用。

（5）滄海桑田園區通大堤道路9m路幅除去5~7 m瀝青路面外，其余寬度為土路肩和林木種植地。

對該路段拓寬路基至9 m寬。為了減少沉降，拓寬道路路基采用100 cm現澆增強型泡沫輕質土，抗壓強度不小于1 MPa，每50 cm一層錯臺澆筑，下挖基底如出現淤泥，做40 cm級配碎石+拋石處理，為保證現澆泡沫輕質土的整體性，在距輕質土路床頂面20 cm范圍內設置一道鍍鋅鐵絲網，在泡沫輕質土頂部設置一道鋼塑土工格柵，泡沫輕質土采用防滲土工膜整體包裹，填筑到設計標高。

考慮到滄海桑田園區通大堤道路是軟土地基與高填土鋪筑的情況，為保證基層強度，對9 m路寬整體增加一層基層結構層，采用20 cm C30混凝土（縱向切縫間距10 m），然后加鋪連續配筋混凝土路面。

1.3 加鋪連續配筋混凝土路面結構設計方案

本工程加固路面設計采用26 cm連續配筋混凝土路面，混凝土抗彎拉強度不小于5MPa，采用HRB400級鋼筋，設雙層鋼筋網片，縱向Φ16間距200 mm，橫向Φ12間距300 mm，見圖2（配筋率0.75%，裂縫控制寬度不大于0.5 mm）。

圖2 鋼筋網橫向剖面圖（單位：mm）

連續配筋混凝土路面取消了橫向接縫，在橋臺、縱坡坡腳、交叉口等部位會因混凝土熱脹冷縮形成縱向位移及水平推力傳導，影響到這些部位的穩定，必須設置合適的脹縫或地梁錨固段，以消解或控制水平推力傳導，實際應用中一般路段可每100~200 m設一道橫向脹縫，在縱坡坡腳、交叉口等部位增設1-2道脹縫，在橋臺等部位設3~4道地梁。

2 運輸通道水泥混凝土路面結構設計計算書

根據《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40-2011）附錄B、附錄D進行計算，計算書所引表格、公式、條例等與規范對應。

2.1 交通分析

按疲勞斷裂設計標準進行結構分析時，以100 kN單輪-雙輪組荷載作為設計軸載（P s=100 kN），對特重交通荷載等級的水泥混凝土路面，選用重車中占主要份額特重車型的軸載作為設計軸載，運輸通道通行的土方車交通量1 000輛/d，經計算，設計車道2017年使用初期標準軸載日作用次數為5 500。

運輸通道道路等級：三級公路標準；設計速度：30 km/h，水泥混凝土路面設計年限為15 a。

考慮到運輸通道交通繁重、超載車輛較多的特殊情況，在混凝土路面結構計算時宜選用二級公路對應的較高指標。

公路自然區劃IV區，二級公路，路基為粘質土，采用普通混凝土路面，路面寬7.5 m或9 m。

由表3.0.1，二級公路的安全等級為二級。由表A.2.4，臨界荷位處的車輛輪跡橫向分布系數取0.39（行車道寬大于7 m取值）。取交通量年平均增長率為2%。按式（A.2.4）計算得到設計基準期內設計車道標準荷載累計作用次數為：

有一天，老公下班回家看到我正和鄰居大媽說這些，把這情景偷偷攝了下來。晚上，他拿出視頻給我看。看著視頻里的自己，我覺得好陌生。他說：“我一直覺得你知書達理，現在怎么會變成這樣？”我自己也呆住了。

標準軸載累計作用次數

15 a累計標準軸作用次數Ne=1 354×104次，應按照特重交通計算水泥混凝土面層厚度。查表3.0.8水泥混凝土彎拉強度標準值不小于5.0 MPa（極重、特重交通都取此值）。

2.2 初擬路面結構

首先選擇40 cm三渣或水穩基層結構進行計算。由3.0.2，相應于安全等級二級的變異水平等級為中級。根據二級公路、特重交通等級和中級變異水平等級，查表4.3，初擬普通混凝土面層厚度hc=0.26 m，三渣或水穩基層厚hd=0.4 m，級配碎石墊層厚h=0.15 m。普通混凝土板的平面尺寸為寬3.75 m或4.5 m，長5.0 m。縱縫為設拉桿平縫，橫縫為設傳力桿的假縫。

2.3 路面材料參數確定

按表3.0.8和附錄E.0.3，取普通混凝土面層的拉彎強度標準值為fr=5.0 MPa，相應彎拉彈性模量與泊松比為Ec=31 GPa、Vc=0.15。礫石粗集料混凝土的線膨脹系數αc=11×10-6/℃。取距地下水位1.0 m時的濕度調整系數為0.80。由此，路床頂綜合回彈模量取為E0=100×0.80=80 MPa。三渣或水泥穩定粒料基層的彈性模量取Eb=1 300 MPa，泊松比vb=0.20，級配碎石底基層回彈模量取220 MPa，泊松比取0.35。

板地基綜合回彈模量計算如下：

板底地基綜合回彈模量Et取115 Pa。

混凝土面層板的彎曲剛度

路面結構總相對剛度半徑

2.4 荷載疲勞應力計算

按照最重軸載Pm=180 kN計算，標準軸載和極限荷載在臨界位處產生的荷載應力為：

按式（B.2.1）計算面層荷載疲勞應力

按式（B.2.6）計算面層最大荷載應力

其中，接縫傳荷能力的應力折減系數kr=0.87（B.2.1條）。

累積疲勞作用的疲勞應力系數

綜合系數kc=1.05。

2.5 溫度疲勞應力計算

由表3.0.10，Ⅱ區最大溫度梯度取88（℃／m）。

按B.3.3和B.5.2計算綜合溫度翹曲應力和內應力的溫度系數BL。

按式（B.3.2）計算面層最大溫度應力：

按式（B.3.4）計算溫度疲勞應力系數kt

式中：at，bt，ct是公路自然區劃的回歸系數，按所在地區自然區劃查表B.3.4確定。

按式（B.3.1）計算溫度疲勞應力：

2.6 結構極限狀態校核

查表3.1一級安全等級，低變異水平條件下，可靠度系數γr=1.13。按式（3.0.4-1）和式（3.0.4-2）校核路面結構極限狀態是否滿足要求：

擬定的由計算厚度0.26 m的鋼筋混凝土面層和厚度0.40 m的三渣或水泥穩定粒料基層組成的路面結構滿足要求，可以承受設計基準期內荷載應力和穩定應力的綜合疲勞作用，以及最重軸載在最大溫度梯度時的一次作用。

2.7 連續配筋混凝土面層縱向配筋計算

連續配筋混凝土路面厚度設計方法和流程與普通混凝土路面相同，其面層縱向鋼筋率確定方法以橫向裂縫平均間距、橫向裂縫縫隙平均寬度以及鋼筋屈服強度作為控制標準。

運輸通道道路采用連續配筋混凝土路面，面層厚度hc=0.26 m。

（1）計算參數

混凝土彎拉強度為5.0 MPa，查表E.0.3-1，混凝土抗壓強度fc=42 MPa，混凝土抗拉強度ft=3.22 MPa，混凝土彈性模量 Ec=31 000 MPa，混凝土泊松比vc=0.15，混凝土重度γc=24 kN/m3，混凝土線膨脹系數αc=1.1×10-5/℃。查表E.0.3-3，混凝土面層與基層間摩阻系數μ=8.9。

由表3.0.10，取公路自然區劃IV區，最大正溫度梯度為92℃/m，最大負溫度梯度按1/3正溫度梯度取值，Tg=92/3=30.7℃/m。公路自然區劃IV區，k1=0.4，相對濕度φa=60%，鋼筋埋置處混凝土溫度與硬化時溫度的最大溫差ΔTζ=35℃。

混凝土水灰比W/C=0.4，混凝土用水量w0=1 400 N/m3。采用蓋麻布養生，a1=1.0。

縱向鋼筋選用HRB400螺紋鋼筋，設配筋率ρ=0.75%，鋼筋的埋置深度ζ=0.09m，直徑ds=16mm，鋼筋的線膨脹系數αs=9×10-6/℃。按查附錄E.0．4，取鋼筋的彈性模量 Es=200 000 Ma，屈服強度fsy=400 MPa。

（2）計算橫向裂縫間距

混凝土板相對剛度半徑r=0.939 m，參見本章節3.5計算得到翹曲系數C=0.782。

設平均裂縫間距初始值為0.5 m，經迭代計算得到 c1=1.054，計算得到 Ld=0.582 m≈0.58 m（小于裂縫平均間距1.80 m的要求）。

（3）計算橫向裂縫平均縫隙寬度

（4）計算裂縫處縱向鋼筋應力

=290.766 MPa（小于鋼筋屈服強度400 MPa）

計算結果滿足裂縫寬度、裂縫間距和裂縫處鋼筋的應力三方面的要求，因此初擬的縱向鋼筋配筋率是合適的。

（5）鋼筋間距或根數計算

或每延米縱向鋼筋根數為：1/0.103=9.7≈10根。按照雙層鋼筋網片間距@200 mm布置上下各5根。

對于基層結構為0.2 m C30混凝土或瀝青路面等其它情況，較之40 cm三渣或水穩基層結構更為有利，同理經計算滿足要求。

4 結語

運輸通道應急加固工程于2017年5月建成，投入使用以來效果良好，承載能力突出、穩定性好、行車較舒適、養護少，很好地滿足了重載及超載車輛的交通需求，在此總結其設計方案及經驗，希望能為類似工程提供一定的借鑒。