重載臨時道路裝配式混凝土面板設計及經濟分析

【摘 " "要】：針對建筑施工場地臨時道路低中等交通頻次和大載重的設計特點，結合天津靜海區某工程項目臨時道路工程地質條件，根據JTGD 40—2011《公路水泥混凝土路面設計規范》進行道路面板設計，計算表明：20 cm厚度預制混凝土面板厚度可以滿足車輪荷載和溫度梯度變化疲勞極限強度，采用規范要求的構造配筋率即可滿足混凝土面板收縮受阻產生的拉應力驗算和起吊工況產生的底板拉應力驗算。利用天津市道路工程定額計價系統，對比分析了相同厚度預制混凝土面板和現澆混凝土面板的施工綜合單價，重復利用2次預制混凝土面板綜合單價和現澆混凝土路面板持平；增加周轉使用次數才能更好體現裝配式混凝土道路面板成本節約、經濟效益好的優點。

【關鍵詞】：裝配式；臨時道路；重載交通；混凝土面板

【中圖分類號】：U416.2 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2024）05-18-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.05.006

Design and Economic Analysis of Concrete Prefabricated Panels for

Heavy-Duty Temporary Roads

ZHAO Zijiang， LIN Ru， DAI Xiaomeng， GE Xuyang，

（China Railway Bridge Engineering Bureau Group Co.， Ltd.， Tianjin 300300，China）

【Abstract】： In view of "the design characteristics of these temporary roads "on construction sitesare low to medium traffic frequency and high load capacity. Based on the geological conditions of a temporary road project in Jinghai District， Tianjin， and in accordance with Specifications for Design of Highway Cement Concrete Pavements （JTG D40—2011）， the road panel design was carried out. The calculation shows that the thickness of 20 cm prefabricated concrete panel can meet the fatigue limit strength of wheel load and temperature gradient changes. The structural reinforcement ratio required by the specifications can meet the tensile stress calculation caused by the shrinkage resistance of the concrete panel and the tensile stress calculation caused by the lifting condition of the bottom plate. Using the Tianjin road engineering quota pricing system， a comparative analysis was conducted on the comprehensive construction unit prices of concrete prefabricated panels with the same thickness and concrete cast-in-place panels. The comprehensive unit prices of reused concrete prefabricated panels were the same as those of concrete cast-in-place panels cast-in-place road panels， increasing the number of turnover usages can better reflect the advantages of cost savings and good economic benefits of prefabricated road panels.

【Key words】： prefabricated； temporary roads; heavy traffic；concrete prefabricated panels

橋梁工程建設需要遵循“架設主橋，棧橋先行”原則，土建工程也需按照“主體開挖，便道先行”的步驟施工，臨時道路的建造質量和進度是后續主體工程順利實施的保障。在交通繁忙的城市區間開展市政工程建設，需要根據工程進度多次變更施工便道[1]。建筑工程場地臨時道路需要通行多軸重型貨車，運輸建筑材料如鋼筋、水泥、碎石、各類混凝土預制構件、重型機械設備等，車輛通行頻次低、行駛速度慢、載重量大，一般采用承載力高、耐磨穩定的混凝土面層[2]。與現澆混凝土路面相比，裝配式混凝土面板具有施工快速、可重復拆卸組裝使用、面板良品率高、多次循環使用可以獲得良好的經濟效益[3]，符合國家積極引導發展節能環保的裝配式綠色建筑政策。

現澆混凝土道路施工是非常成熟的技術，有明確的設計和施工標準[4～5]，但目前預制板混凝土路面設計和施工的標準較少。劉明保等[6]優化設計了預制板的尺寸和配筋設計，開展了現場試驗施工，結果表明預制板不開不裂，基層沉降控制在合理的范圍內。董城等[7]認為路基回彈模量對路面板的拉應力有顯著影響，在滿足道路設計荷載的前提下，通過地基處理加強路基模量，可適當減小混凝土面板設計厚度，取得良好的經濟效益。預制面板厚度是臨時道路設計關鍵，厚度太小不能滿足行車荷載和溫度梯度綜合作用產生的面層板底疲勞斷裂驗算標準[8]；厚度太大，會導致預制板制作、拆裝、運輸等成本大幅度增加，不利于預制道路板規模化推廣使用。

本文以天津靜海區某工程臨時道路裝配式路面結構設計為例，介紹了預制裝配式路面設計流程和方法，并且按照天津市道路工程定額計價對相同厚度預制道路面板和現澆道路面板的經濟效益進行了比較分析，旨在為裝配式臨時道路面板進一步推廣提供一定的參考價值。

1 裝配式道路面板設計

1.1 裝配式預制板路面結構

路面設計為裝配式混凝土預制面板，道路設計橫坡坡度1.5%單向坡。見圖1。

1.2 低交通頻率重載路面厚度計算

預制混凝土路面板塊厚度取值應結合實際交通量，按照JTGD 40—2011《公路水泥混凝土路面設計規范》進行設計。混凝土路面結構設計應以面層板在設計基準期內，在行車荷載和溫度梯度綜合作用下，不產生疲勞斷裂作為設計標準；以最重軸載和最大溫度梯度綜合作用下，不產生極限斷裂作為驗算標準。

其極限狀態設計

[γr（σpr+σtr）≤frγr（σp，max+σt，max）≤fr] （1）

式中：[γr]為可靠度系數，依據所選目標可靠度、變異水平等級及變異系數能過計算確定；σpr為面層板在臨界荷位處產生的行車荷載疲勞應力，MPa；σtr為面層板在臨界荷位處產生的溫度梯度疲勞應力，MPa；σp，max為最重軸載在臨界荷位處產生的最大荷載應力，MPa；σt，max為所在地區最大溫度梯度在臨界荷位處產生的最大溫度翹曲應力，MPa；[fr]為泥凝土彎拉強度標準值，MPa。

根據JTGD 40—2011條文說明表3-1，臨時混凝土面板道路選擇公路等級為四級，安全等級為四級，設計基準周期10 a，目標可靠度為70%，變異水平等級為中級，可靠度系數γr取1.05。建筑場地臨時道路設計通行的車輛為混凝土罐車和運輸鋼筋的重載貨車，交通頻率較低、軸重荷載大是這類便道的車輛荷載特點。參照文獻[9]，臨時道路設計期年限內車道承受設計軸載（100 kN）累計作用次數Ne=179 000次，處于3×104～100×104之間，按JTGD 40—2011表3.0.8，場地道路交通荷載達到中等交通荷載等級，此條件下C40混凝土面層彎拉強度標準值fr=4.5 MPa。

1.2.1 計算車輛荷載產生的疲勞應力

按照彈性地基雙層板模型，無機結合料類（水泥穩定碎石）基層上鋪設混凝土面層，面層和基層作為雙層板，基層底面以下部分按彈性地基處理。

[σpr=krkfkcσprσp，max=krkcσpm] （2）

[σps=1.45×10-31+DbDcr0.65gh-2cP0.94sσpm=1.45×10-31+DbDcr0.65gh-2cP0.94m] （3）

[rg=1.21Db+DcEt13] （4）

[Db=Ebh3b121-υ2bDc=Ech3c121-υ2c] （5）

[Et=E0?（ExE0）αα=0.86+0.26?ln（hx）] （6）

式中：σps為標準設計軸載（Pm=100 kN）在四邊自由板臨界荷位處產生的荷載應力；σpm為最重軸載Pm在四邊自由板臨界荷載位處產生的最大荷載應力。

根據CJJ 11—2011《城市橋梁設計規范》，單軸最大軸重為200 kN，考慮本設計施工便道通行車輛為低速混凝土罐車和運輸鋼筋的重載貨車，建議選取貨車中占主要份額的軸載作為最大軸載[8]，所以最大軸力選擇第四軸Pm=200 kN。

1.2.2 計算溫度變化產生的疲勞應力

查JTG D40—2011附錄E，最大溫度梯度Tg=85 ℃/m，混凝土線膨脹系數αc=11×10-6 ℃-1；由附錄B計算綜合溫度翹曲應力和內應力溫度應力系數BL=0.503，溫度應力累計疲勞作用的溫度疲勞應力系數kr=0.44。

[σtr=ktσt，maxσt，max=0.5αcEchcTgBL] （7）

1.2.3 面板厚度計算

采用試算法確定混凝土面板厚度，先假定一個hc值，代入式（2）～（7）計算σpr、σp，max、σtr、σt，max，再代入式（1）驗算水泥土路面板是否滿足標準行車荷載和溫度荷載的疲勞極限、最重軸載和最大溫度梯度作用下極限狀態。如果不滿足驗算，需要增大混凝土面板厚度，以同樣的步驟進行試算，直到滿足式（1）要求為止。

暫定混凝土面板層厚度hc=0.2 m，混凝土面板彎拉彈性模量Ec=31 GPa，泊松比υc=0.15，由式（5）計算混凝土面板截面彎曲剛度Dc=32.15 MN·m。下層板（水泥穩定層）厚度hb=0.18 m，彎拉彈性模量Eb=1 750 MPa，泊松比υb=0.15，由式（5）計算得到下層板的截面彎曲剛度Db=0.89 MN·m。底基層（粒料層）級配碎石厚度hx=0.18 m，粒料層的當量回彈模量Ex=210 MPa，粒料層下方路床頂綜合回彈模量E0=60 MPa，由式（6）可計算得到板底地基當量回彈模量Et=100 MPa。將Db、Dc、Et代入式（4）可得路面結構總相對剛度半徑rg=0.836 m。按式（3）計算標準設計軸載和最重荷載在臨界荷位產生荷載應力[σps=1.77 MPa]，[σpm=2.75 MPa]。

設計基準期內設計軸載累計作用次數Ne=179 000次，接縫傳荷能力應力折減系數kr=1.0，綜合系數kc=1.0，疲勞應力系數[kf=Nλe=179 0000.057=1.99]。

按式（2）計算計算標準軸載疲勞應力和最大軸載疲勞應力[σpr=3.52 MPa]、[σp，max=2.75 MPa]。

由式（7）計算混凝土板最大溫度應力、溫度疲勞應力[σt，max=1.45 MPa]、[σtr=0.638 MPa]。

1.2.4 結構極限狀態校核

按式（1）校核路面結構極限狀態是否滿足要求。經計算，所選的普通混凝土面層厚度0.2 m可以滿足結構極限狀態要求。

[γr（σpr+σtr）=4.336≤fr=4.5 MPa]

[γr（σp，max+σt，max）=4.41≤fr=4.5 MPa]

1.3 裝配式路面板配筋計算

雙向臨時道路的最小寬度為2×3.75 m，考慮預制板運輸時車輛不能超寬及方便板塊吊裝拼接，將預制板的平面尺寸定為3 m×2 m。在直線路段通過長邊對齊或者短邊對齊，可適應不同寬度的路面鋪裝。在轉彎處或者T形路口處，可用3個短邊對齊2個長邊，實現特殊路段鋪裝。

為了平衡混凝土面板收縮受阻產生的拉力，其配筋方法同現澆鋼筋水泥混凝土路面，可按JTGD 40—2011第6章要求配筋。每延米板鋼筋用量

[As=16Lshμfsy] （8）

式中：As為每延米板所需的鋼筋面積，mm2；Ls計算縱向鋼筋時為板長[Ls=2 m]，計算橫向鋼筋時為板寬[Ls=3 m]；h為混凝土板厚度，h=200 mm；μ為面層與水泥穩定基層之間的摩阻系數，μ=8.9；fsy為鋼筋屈服強度，[fsy=335 MPa]。

采用HRB335的?12 mm螺紋鋼筋進行配筋，單根鋼筋的橫截面積[As1=122π4=113 mm2]，縱向鋼筋配筋量[Asl=16×2×200×8.9335=170 "mm2=1.5As1]， 2根?12 mm螺紋鋼筋滿足要求；橫向鋼筋配筋量[Ash=（16×3×200×8.9）335=255 mm2=2.25As1]，即3根?12 mm螺紋鋼筋滿足要求。

根據JTGD 40—2011第6.2.3條，?12 mm螺紋鋼筋縱向間距≮350 mm，因此可按構造配筋，采用雙層鋼筋布置于板頂40 mm和板底40 mm處，縱向和橫向鋼筋間距均取300 mm，鋼筋保護層厚度≮50 mm。

裝配式混凝土預制板道路屬于新建混凝土路面，需要按JTGD 40—2011第5節設計縱縫、橫縫傳力桿。為實現裝配式臨時道路拆卸、二次使用的功能，需要通過預埋連接構件固定相鄰預制板。可實現3種拼接方式，分別是長邊對齊、短邊對齊、兩個長邊（2×3 m）對齊三個短邊（3×2 m）。采用簡單可靠的預制件，便于加工組裝。見圖2。

1.4 起吊工況面板配筋驗算

通過有限元軟件模擬素混凝土板吊裝工況時板應力分布。4個吊點最大拉應力發生在長邊中部的短邊截面，板底最大拉應力值為0.118 MPa。見圖3。

短邊截面抵抗矩[W=bh26=0.013 "m2]，起吊工況引起的最大拉應力[σ=0.118 "MPa]，由[σ=MW]可計算得到起吊工況產生最大彎矩[M=σ?W=1.534 kN?m]。

板底設8根?12 mmHRB335鋼筋，配筋可以提供的彎矩[M1=F?h1=σsnAsh1=18.17 kN?m]，配筋提供的抵抗彎矩M1大于起吊工況引起的彎矩M，構造配筋符合起吊驗收要求，預制板在起吊過程中不會開裂。

2 道路板拼裝施工流程

預制構件加工完畢運輸至施工現場后，按照劃分的施工區段、順序進行組裝。見圖4。

為精確施工、避免返工，采用BIM模型輔助測量機器人Topcon LN-100進行測量放線。該過程主要包括3方面工作：

1）BIM數據到測量機器人現場放樣的數據處理；

2）通過測量機器人進行現場施工放線工作；

3）放樣點位復核，輔助驗收。

3 經濟效益分析

預制板道路與現澆混凝土道路所采用的基層、底基層、路基施工方式一致，所以僅對預制面板和現澆面板的施工成本、材料費用計價分析。

采用廣聯達造價計算軟件，選擇現行天津市道路工程定額計價標準，施工制作20 cm厚度面積為（2 m×3 m=6 m2），即對應一塊預制板面積現澆路面，施工材料綜合費用為665.62元。一塊尺寸2 m×3 m×0.2 m=1.2 m3的預制板，材料、模板措施、運輸安裝費用總價為1 403.3元。見表1和表2。

按定額計算的現場澆筑混凝硬化路面施工材料綜合單價為665.62/6=110.9元/m2。采用可重復使用臨時道路板，按定額計算預制板路面的制作費（419.3+588+139.2）/6=191元/m2，預制板運輸安裝費256.8/6=42.8元/m2，重復使用2次，制作成本攤銷按1/2折算，運輸安裝費需每次計費，則使用一次預制板施工材料綜合單價為（191+42.8×2）/2=138.3元/m2。若重復使用3次，則使用一次預制板的施工材料綜合單價為（191+42.8×3）/3=106.5元/m2。可見，使用2次以上預制混凝土路面板更具經濟性。

4 結論

1）裝配式預制混凝土面板道路本質上屬于水泥混凝土道路，按照JTGD 40—2011，行車荷載和溫度梯度綜合作用下疲勞斷裂極限狀態公式、最大軸重和最大溫度梯度綜合作用下極限狀態計算公式，確定混凝土板厚度為20 cm，以此厚度和既定面板長度和寬度進行面板配筋設計，滿足面板抗裂和起吊工況底板拉應力驗算。

2）根據預制道路項目施工管理特點，利用現有資源，將BIM軟件與智能全站儀、移動互聯網進行集成應用，簡化現場測量放樣工作、保障了施工精度、提高施工作業效率。

3）裝配式路面不僅能實現快速施工，同時具有良好的經濟效益。按照定額計價對預制板道路和水泥硬化道路進行了對比分析，結果表明預制路面板重復使用2次以上，綜合單價與相同厚度的現澆混凝土道路持平，增加周轉使用次數經濟性體現更明顯。

參考文獻：

[1]于萬友.裝配式混凝土道路在城市地鐵施工中的應用[J].鐵道建筑技術，2020，（2）：111-114.

[2]戴學臻，蔣應軍.水泥混凝土路面重載與重載交通的界定方法[J].公路，2009，（2）：56-60.

[3]王 " 恒，劉莉莎，劉 "剛，等.綠色可循環裝配式面板在臨時重載道路中的應用研究[J].施工技術（中英文），2023，52（10）：36-40.

[4]許蕓熙，陳亮亮，周長俊，等.中、美水泥混凝土路面設計方法對比分析[J].中外公路，2017，37（1）：37-41.

[5]劉建偉，申俊敏，虞文景.水泥混凝土路面技術特點分析與發展建議[J].公路工程，2016，41（2）：47-52.

[6]劉明保，占 " 輝，曾 " 攀，等.裝配式預應力混凝土路面的設計優化及試驗研究[J].建筑科學，2020，36（S1）：245-252.

[7]董 城，鄭祖恩，李志勇，等.基于路基路面協調變形的水泥混凝土路面設計研究[J].公路工程，2012，37（5）：130-134.

[8]王選倉，于 偉，馮治安，等.重載水泥混凝土路面極限軸載計算方法[J].中國公路學報，2013，26（5）：21-27.

[9]鄧淞尹. 頁巖氣鉆前工程混凝土預制路面板力學性能與施工技術研究[D].綿陽：西南科技大學，2021.