中美規范港區水泥混凝土面板接縫設計對比

張 斌

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

跟著“一帶一路”倡議的步伐，越來越多國內設計單位走出海外，參與境外項目的設計。目前，海外項目普遍采用的規范多為美、歐等規范，由于對規范的不熟悉，給國內設計人員造成了許多困難。本文通過對比中、美規范對港區混凝土面板分縫設計的異同，并綜合考慮溫度、地基剛度和荷載的影響，提出混凝土面板分縫設計的方法，為國內外港區混凝土面板的分縫設計提供參考。

1 規范對比

1.1 國內規范

國內港區混凝土面板設計主要依據《港口道路與堆場設計規范》[1]，接縫設計要求為：1)混凝土面板可采用矩形分塊。素混凝土面板長、寬均不宜大于5 m，長寬比不宜大于1.35，面積不宜大于25 m2。2)道路與流動機械通道橫向施工縫應采用設傳力桿的平縫形式。橫向縮縫可采用假縫形式，當鋪面等級為一級、荷載等級為P3及以上、鄰近脹縫或自由端部有3條橫向縮縫時，應采用設傳力桿假縫形式；其他情況可不設傳力桿假縫。3)鋪面等級為一級且荷載等級為P3及以上的堆場接縫應采用設傳力桿的假縫形式。4)道路與流動機械通道縱向接縫應采用設拉桿的平縫(施工縫)或縮縫。5)緊鄰碼頭結構或其他固定構筑物處，與其他道路或通道相交處，應設置1～2條橫向脹縫，脹縫寬20～25 mm，縫內設置填縫板和可滑動的傳力桿。

關于脹縫的設置，《港口道路、堆場鋪面設計與施工規范》[2]規定：1)脹縫宜盡量少設或不設。但在鄰近其他建筑物、與瀝青鋪面相接處、板厚改變的斷面處、小半徑曲線和縱坡變換處，均應設置脹縫。2)以上位置以外的脹縫可根據板厚、施工溫度、混凝土集料的膨脹性并結合當地經驗設置。夏季施工，板厚大于或等于20 cm時可不設；其他季節施工或采用膨脹性的集料時，宜設置脹縫，其間距宜為100～200 m。3)脹縫宜采用滑動傳力桿。與建筑物銜接處或與其他公路交叉的脹縫無法設傳力桿時，可采用邊緣鋼筋型或厚邊型。

1.2 美國規范

1.2.1AASHTO規范

在美國國家公路與運輸協會AASHTO規范[3]中規定:通常縮縫間距受當地材料和環境條件影響，縮縫間距隨導熱系數、溫差和地基摩擦系數增大而減小，隨混凝土抗拉強度增大而增大，同時還與混凝土面板厚度和填縫料性能有關；初步估計，素混凝土面板的縮縫間距不應大于24倍的面板厚度，且面板的長寬比不應大于1.25；考慮工程費用、結構復雜程度和使用性能問題，工程中通常少設脹縫，一般只用于面板形式變化處或與構筑物的交接處。

1.2.2ACI規范

在美國混凝土協會ACI 360R-10[4]中規定：縮縫的間距需要考慮面板設計方法、板厚、材料、基底摩擦、約束條件、構筑物平面布置和溫度、風速、濕度等環境因素；縮縫應連續貫通，不應交錯布置，面板盡量呈正方形布置，長寬比不大于1.5；考慮傳遞荷載時，縮縫和施工縫應設置傳力桿，條件允許時可以利用斷面的集料咬合作用或增設0.1%的鋼筋網并每38 m設一道帶傳力桿的接縫。素混凝土面板縮縫間距的建議值如圖1所示。

注：1 in=2.54 cm;1 ft=30.48 cm。圖1 ACI 360R-10關于素混凝土面板縮縫間距建議值

在ACI 224.3R-95[5]中規定：通過對已有素混凝土面板的使用情況進行觀測，結果表明素混凝土面板的縮縫間距不應大于24倍的面板厚度(尤其對穩定類基層不應大于21倍，對非穩定類基層不應大于24倍)，且不能大于6 m；面板盡量呈正方形布置，長寬比不大于1.5；除了與橋梁、固定構筑物交接處或不規則交叉口處需要設置脹縫，其他情況不需要設置脹縫；通常接縫設計中都需要設置傳力桿，尤其對于重載或交通量大的區域。

1.3 對比分析

1)美國規范根據面板厚度按公式估算接縫間距，并針對不同收縮性混凝土可查表確定，相比中國規范體現了不同板厚下的差異性。2)中、美規范均規定少設或不設脹縫，一般在與固定結構銜接處、結構斷面變化處或通道交叉口處設置，其他情況依據材料性質、環境條件和當地經驗等確定。3)美國規范接縫設計通常設置傳力桿，以減少面板缺陷；中國規范根據道路和堆場的鋪面等級與荷載等級進行分類，等級低的區域，可以不設傳力桿，采用集料咬合接縫。

2 影響因素

目前中、美規范對于接縫的設置主要是依據工程經驗或根據面板厚度簡單估算，沒有說明溫度、地基和荷載等因素的影響。為了確定更加合理的接縫設計方法，以下分別從這些方面進行分析。

2.1 溫度

溫度因素主要影響脹縫的設置，早在20世紀50～60年代國內外就已經開始了關于取消脹縫的試驗研究。1983年，美國陸軍工程兵團規范規定：對于厚度大于25 cm的路面，如混凝土是在溫暖氣候時鋪設的，脹縫可以全部取消；如果路面厚度小于25 cm且在寒冷氣候鋪設的，可能需要脹縫。ACI 223-98[6]通過試驗說明了普通波特蘭水泥混凝土試樣的長度變化特征，總體上混凝土呈收縮趨勢，如圖2所示。

國內李麟[7]通過調查在20世紀50～60年代北京市施工的水泥混凝土路的使用情況，發現大部分道路的脹縫發生破壞，縮縫變寬，見表1。齊誠等[8]經過對道面長達6年的觀察和2年的測試，建立了板溫與應變的橢圓模型，并提出最高氣溫不超過42 ℃、道面厚度在20 cm以上、施工溫度的晝夜平均值在5 ℃以上時，就可以在水泥混凝土路面上取消脹縫。黃保和[9]考慮混凝土面板的臨界熱脹屈曲穩定性，運用鐵摩辛柯彈性穩定理論，求出常用路面的臨界鋪設溫度，通過嚴格控制混凝土鋪設溫度，可以不設脹縫。蔣國俊等[10]采用有限元法分析了水泥混凝土路面脹縫在不同溫度和車輛荷載下的應力變化，其結果表明，溫度對脹縫破壞影響較小，而車輛超載會造成脹縫兩側混凝土出現過大的應力集中而發生脆性破壞。

圖2 ACI 223關于水泥混凝土長度變化特征

表1 水泥混凝土路面調查結果

由于混凝土自身的收縮屬性以及在使用過程中由外部引起的振動，使混凝土面板出現移動，接縫間距會逐漸擴大，適應混凝土高溫季節的膨脹需求，并合理地控制施工溫度，則不需要單獨設置脹縫。

2.2 地基剛度

混凝土面板尺寸確定時，地基剛度越大，板內應力越小。美國預拌混凝土協會(National Ready Mixed Concrete Association，NRMCA)的Brian[11]研究表明，當混凝土板長與相對剛度半徑之比大于4.44，橫向裂縫就會增多，即接縫間距隨板厚增大而增大，隨地基剛度增大而減小，公式為：

Lr≤4.44

(1)

(2)

式中：L為混凝土面板長度(mm)；r為相對剛度半徑(mm)；E為混凝土彈性模量(MPa)；h為面板厚度(mm)；μ為混凝土泊松比，取0.15；k為地基反力系數(MPam)。

墨西哥韋拉克魯斯某集裝箱堆場工程，地基剛度為55 MPam,堆場混凝土面板厚度為40 cm，按NRMCA方法，理論縮縫間距不大于5.8 m。現場實際縮縫間距為6 m，堆場使用情況良好，面板未出現不規則裂縫，說明按此標準控制的接縫間距符合使用要求。

2.3 荷載

荷載大小、形式和作用位置均影響受力面板的應力分布，以集中荷載為例，分析荷載與混凝土面板縮縫間距的關系。采用ROBOT有限元計算軟件，分別考慮荷載位于板中、板角和板邊的工況。

混凝土面板的長寬比取1.0，集中荷載取5層重箱的箱角荷載，箱角接地尺寸為178 mm×162 mm(長邊×短邊)，接地應力為7.93 MPa。計算模型中混凝土板厚43 cm，下設厚30 cm的級配碎石墊層，綜合地基剛度為80 MPam，荷載位于板邊的計算模型如圖3所示。

圖3 集中荷載位于板邊模型

分別選取不同的板長，在集中荷載作用下，板內最大拉應力如圖4所示。可以看出：1)荷載作用于板邊時應力最大，屬最不利工況；2)荷載位于板邊，板內最大應力先隨板長增加而增大，當板長增大到某一值后，板內最大應力基本不變；3)荷載作用于板角和板中時，板內最大拉應力基本與板長無關。

當混凝土面板厚度確定后，在劃分板塊尺寸時，需要考慮荷載的作用位置，避免荷載集中作用在板邊。本次計算按5層重箱箱角荷載考慮，結果顯示當板長為5 m時，板內最大應力達到極值，因此建議板長不大于5 m，這與中國規范要求相符。

圖4 不同工況下面板最大應力與板長的關系

3 結語

1)中國規范規定混凝土面板長度不宜大于5 m，雖然缺少精確的計算公式，但大量實踐證明符合港區的使用要求；而美國規范估算的接縫間距偏大，引起板內最大應力增加，在港區鋪面設計時需要結合應力分析。

2)脹縫兩側容易出現應力集中而發生脆性破壞，工程中應盡量少設或不設脹縫；當縮縫采用非彈性填料、混凝土采用膨脹性集料或施工溫度過低時設置。

3)混凝土面板厚度確定后，設計分縫間距時應考慮先采用NRMCA方法復核，再分析最不利工況下的應力分布，確保板塊滿足抗彎和地基承載力要求。

4)在堆箱、堆貨和集卡通道等重載區域，推薦所有接縫設置傳力桿，且適當選用大直徑的傳力桿，以便更好地傳遞荷載，減少面板缺陷。