重載道路鋼纖維混凝土路面結構及經濟分析

朱金鵬

（山西省交通建設工程質量檢測中心（有限公司），山西 太原 030006）

與普通混凝土相比，鋼纖維混凝土路面具有較高的抗拉抗彎強度，良好的抗裂性能和抗收縮性能，且在相同條件下，其板厚要比普通混凝土薄很多，可以應用于重載道路、立交或隧道等對標高要求苛刻的地方[1-2]。本文對鋼纖維混凝土路面結構方案進行了深入研究，通過對鋼纖維混凝土路面和普通混凝土路面的力學計算，提出了適用于重載道路的鋼纖維混凝土路面結構，并對其疲勞壽命和經濟效益進行了分析。

1 鋼纖維水泥混凝土路面結構方案的擬定

鋼纖維的加入可以很大程度地提高水泥混凝土路面的力學和路用性能，以此為基礎，在保持其他結構層材料和厚度一定的情況下，按鋼纖維混凝土板厚度為 20 cm、22 cm、24 cm、26 cm、28 cm 進行計算，最終確定合理的鋼纖維水泥混凝土板層的厚度。計算采用的路面結構如圖1。

圖1 鋼纖維水泥混凝土路面初擬結構圖

計算時，采用的設計基準期為30年，鋼纖維混凝土路面采用的標準軸載累計作用軸次為170億次。

2 鋼纖維水泥混凝土路面結構力學計算

2.1 計算說明

按照現行《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40—2018）對鋼纖維混凝土路面的混凝土板進行計算。設計荷載為100 MPa。半剛性基層與底基層視為復合式基層，與水泥混凝土面層組成為分離式雙層板進行計算。

2.2 計算參數選取

計算參數按表1選取。

表1 計算參數表

2.3 計算過程

以鋼纖維混凝土路面板厚20 cm為例，計算過程如下所示。

2.3.1 板底地基綜合當量回彈模量Et

板底地基綜合回彈模量Et取為180 MPa。

2.3.2 彎曲剛度及相對剛度半徑

混凝土面層板的彎曲剛度Dc、基層復合板的彎曲剛度Db，Db1、Db2分別為基層和底基層的彎曲剛度，厚度hb1和hb2以及彈性模量Eb1和Eb2，路面結構總相對剛度半徑rg：

2.3.3 荷載應力

標準軸載在臨界荷位處產生的荷載應力：

極限荷載在臨界荷位處產生的荷載應力：

面層荷載疲勞應力：

面層最大荷載應力：

疲勞應力系數：

2.3.4 溫度應力

以山西大同地區為例，最大溫度梯度取90℃/m，防水黏結層豎向接觸剛度kn=3 000 MPa/m，

按下式計算面層最大溫度應力：

溫度疲勞應力系數kt

溫度疲勞應力：

2.3.5 結構極限狀態校核

可靠度系數γr取1.26，如滿足以下兩不等式則初擬路面結構滿足設計要求。

2.4 鋼纖維混凝土路面厚度計算結果

分別取板厚為 20 cm、22 cm、24 cm、26 cm、28 cm，計算結果如表2所示。

表2 鋼纖維混凝土路面不同板厚情況下應力計算結果

經驗算，鋼纖維混凝土板取26 cm時結構滿足設計要求。與重載道路普通混凝土路面結構常用的板厚32 cm相比，板厚減少了18.8%，為原來厚度的81.3%左右。

由以上計算，可最終確定鋼纖維水泥混凝土路面和復合式路面結構方案如圖2。

圖2 鋼纖維水泥混凝土路面結構方案圖

3 鋼纖維混凝土疲勞壽命研究

耐疲勞性能是SFRC的優異特性，相對于普通混凝土，鋼纖維混凝土可以極大地提高混凝土的抗疲勞性能，即增加混凝土的疲勞壽命。

《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40—2018）中，荷載的疲勞影響以疲勞系數kf的形式表示在荷載疲勞應力計算公式中。

式中：δpr為設計軸載在面層板臨界荷位處產生的荷載疲勞應力，MPa；δps為設計軸載在四邊自由板臨界荷位處產生的荷載應力，MPa；kr為考慮接縫傳荷能力的應力折減系數；kf為考慮設計基準期內荷載應力累計疲勞作用的疲勞應力系數；kc為考慮計算理論與實際差異以及動載等因素影響的綜合系數。

其中設計基準期內的荷載疲勞應力系數按下式計算：

式中：Ne為設計基準期內設計軸載累計作用次數；λ為材料疲勞指數，普通混凝土、鋼筋混凝土、連續配筋混凝土，取0.057，鋼纖維混凝土取值按下式計算：

式中：ρf為鋼纖維的體積率，%；lf為鋼纖維的長度，mm；df為鋼纖維的直徑，mm.

若假定kr、kc和δps相同的情況下，考慮普通混凝土和鋼纖維混凝土疲勞壽命的關系。

由下式可推出設計基準期內設計軸載累計作用次數Ne為：

鋼纖維混凝土疲勞壽命與鋼纖維的體積率、長度和直徑有關，滿足圖3所表示的關系[4]。

從圖3中可以看出：在疲勞壽命Ne一定的條件下，隨著ρf的增高，應力比S逐漸增大。當Ne=l06時，ρflf/df由0.58增加到1.05，應力比S分別為0.597、0.615、0.633和0.655，遠高于普通混凝土的應力比0.473。由此可見，鋼纖維混凝土的疲勞強度較普通混凝土相比，得到了明顯的提高。同樣，在應力比S一定的條件下，鋼纖維混凝土的疲勞壽命Ne明顯增加。ρflf/df由0.58增加到1.05，疲勞壽命分別為 5.417×105、9.723×105、1.834×106和 4.405×106，遠高于普通混凝土的疲勞壽命1.380×104，疲勞壽命提高了幾十到幾百倍不等。由此可見鋼纖維混凝土有著極佳的抗疲勞性能。

圖3 ρflfdf與疲勞壽命Ne的關系

材料的計算參數按表3選取。

表3 材料計算參數表

由表3確定的計算參數，代入前述公式可計算得到：普通混凝土在設計基準期內荷載疲勞應力系數為2.198；鋼纖維混凝土在設計基準期內荷載疲勞應力系數為1.806。若要使普通混凝土和鋼纖維混凝土達到相同的荷載疲勞應力δpr，則鋼纖維混凝土所需的軸載累計作用次數為9.8×107，是普通混凝土的98倍，即在其他參數相同的情況下，鋼纖維混凝土的疲勞壽命比普通混凝土提高近百倍，具有優異的經濟效益。

4 鋼纖維混凝土經濟效益分析

鋼纖維的摻入，提高了混凝土的各方面性能，因而在相同的條件下，鋼纖維混凝土層的厚度肯定會小于普通混凝土層的厚度。下面就針對重交通方向具體情況對鋼纖維混凝土層的厚度減少量及其經濟效益進行計算研究。

分別考慮設計基準期30年內標準軸載累計作用軸次為170億次，即極重交通等級下，普通混凝土路面和鋼纖維混凝土路面的面板最小厚度。

按《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40—2018）的規定對素混凝土板和鋼纖維混凝土板厚進行計算。經計算，采用普通混凝土路面結構時，在累計軸載作用次數Ne=1.7×1010時，素混凝土面板厚度為32 cm，鋼纖維混凝土板厚計算結果為26 cm。

由計算結果可知，當其他條件一致時，采用鋼纖維混凝土材料可以明顯減薄路面板厚度，對于本項目，可減薄為原厚度的82%。因此，對設計標高控制嚴格的路段（如立交口、隧道口等），可考慮采用鋼纖維混凝土材料。

計算滑模施工1 km普通混凝土路面和鋼纖維混凝土路面所需的費用，考慮鋼纖維混凝土路面的經濟性。計算結果如表4所示。

表4 普通混凝土路面和鋼纖維混凝土路面經濟性分析表

由于計算時采用的單價為預算定額中給出的基價，故計算結果與實際結果有一定的出入，僅以此探討鋼纖維混凝土路面的經濟性問題。

由計算知，鋼纖維混凝土每公里造價比普通混凝土路面板多近60萬，造價增加約為53.2%。因此，采用鋼纖維混凝土材料的造價要遠高于普通混凝土材料。故鋼纖維混凝土不適宜全段推廣，但由于鋼纖維混凝土力學和路用性能的優異，且可很大程度減薄混凝土板的厚度，在對標高控制嚴格的路段（如立交和隧道處），可以考慮采用鋼纖維混凝土面板材料。

5 結語

通過力學計算確定鋼纖維混凝土板合理的厚度值，最終提出適用于重載道路的鋼纖維混凝土路面結構，并對其疲勞壽命和經濟效益進行了分析。

a）重載方向采用的鋼纖維混凝土路面結構時，鋼纖維混凝土板面層厚度與復合式路面結構中鋼纖維混凝土板的厚度均為26 cm。

b）在設計基準期內，其他參數相同的情況下，鋼纖維混凝土的疲勞壽命比普通混凝土提高近百倍，具有優異的疲勞性能。

c）鋼纖維混凝土造價比普通混凝土高很多，約增加原造價的50%左右，但可以很大程度上減薄板厚度，約為原來的82%，故在立交或隧道口等標高控制點可采用鋼纖維混凝土結構。