城镇道路连续配筋混凝土路面设计_谢卓昊.pdf

2023 年第 1 期(总第 347 期)黑龙江交通科技HEILONGJIANG JIAOTONG KEJINo1，2023(Sum No347)城镇道路连续配筋混凝土路面设计谢卓昊(华设设计集团股份有限公司常州分公司，江苏 常州213000)摘要:以 341 省道溧阳段改扩建工程为例，结合现行 公路水泥混凝土路面设计规范 的具体规定，构建起该道路连续配筋混凝土路面(CCP 路面)结构模型，CCP 路面结构由连续配筋混凝土层(CC 层)和加铺层(AC 层)构成。在进一步分析连续配筋混凝土加铺层温度效应的基础上对连续配筋混凝土路面结构进行优化，并对纵向配筋设计、端部处理等进行探讨。结果表明，CCP 路面是在路面纵向连续设置足够数量的钢筋，施工过程中不再设置接缝，能消除普通沥青混凝土路面横向接缝，并提升路面平整度和承载力，减少养护维修。关键词:城镇道路;连续配筋混凝土路面;设计;纵向配筋中图分类号:U412文献标识码:A文章编号:1008 3383(2023)01 0030 03收稿日期:2022 01 10作者简介:谢卓昊(1989)，男，江苏常州人，本科，工程师，主要从事道路设计1工程概况341 省道溧阳段改扩建工程起点位于方里村以西，与341 省道别桥段线位相接，起点桩号为 K18+850 000，路线终点位于青墩立交桥西桥头，终点桩号为 K32+823 041。全段均采用双向四车道路基标准断面，按一级公路标准进行设计，设计速度为100 km/h。路段路基全宽 26 0 m，中间带 3 5 m(含左侧路缘带 2 0 75 m)，行车道 2 m 2 m 3 75 m，硬路肩 2 m 3 0 m，土路肩 2 m 0 75 m。路基设计标高为左侧路缘带与中央分隔带相接处的路面标高。路线基本呈东西走向，主要经过别桥镇、竹 箦 镇 等 城 镇。工 程 所 在 地 年 平 均 气 温15 4，极端最高气温 41 5，极端最低气温15 5，年平均降水量为 1 071 4 mm。为消除普通混凝土路面横向接缝，提升路面平整度和行车舒适性，延长路面使用寿命，该道路改扩建段决定采用连续配筋混凝土路面结构。2设计思路现行 公路水泥混凝土路面设计规范(JTGD40 2011)与原版本相比，在连续配筋混凝土路面纵向配筋设计方面进行了较大修订，新规范中只有CCP 路面配筋设计方法，而对 CCP 路面加铺沥青混凝土面层时配筋设计的相关规定仍不具体和明确。现行规范规定，CCP 路面纵向钢筋必须使用直径 12 20 mm 的螺纹钢，且钢筋和面层顶面的距离应至少为 90 mm;钢筋设置间距应按照集料最大粒径 2 5 倍确定，且不超出 250 mm，边缘钢筋与纵缝及自由边的距离控制在 100 150 mm;横向裂缝间距应控制在 1 8 m 左右，钢筋埋设处缝隙宽度应不超出 0 5 mm;纵向配筋率必须结合交通运行实际在 0 6%1 0%之间选取。CCP 路面及沥青混凝土加铺层设置纵向配筋主要目的在于控制横向裂缝宽度、间距、裂缝对荷载的传递能力、钢筋承受的拉应力以及纵向裂缝对混凝土板边的冲断。现行规范中的有关 CCP 路面纵向配筋设计要求其实参照的是美国AASHTO极限准则，控制裂缝宽度的目的在于防止剥落和渗水，控制裂缝间距的目的在于降低剥落和冲断发生的可能，限制钢筋应力的作用在于避免钢筋发生拉断破坏1。依据现行规范及该城镇道路工程实际的基础上，CCP 路面结构分连续配筋混凝土层(CC 层)和加铺层(AC 层)两个层次设计，CCP 路面计算模型，其中 AC 层弹性模量 EAC=1 200 MPa，泊松比AC=0 3;CC 层弹性模量 EC=31 000 MPa，泊松比 C=0 15;水 稳 碎 石 层 弹 性 模 量 ED=1 000 MPa，泊松比 D=0 25;土基层弹性模量 E=40 MPa，泊松比 =0 35。在 CCP 路面结构中，加铺层(AC 层)主要起到分离上下混凝土板的作用，采用分离式加铺结构;而连续配筋混凝土层(CC层)则主要对旧水泥混凝土路面结构起到补强作用，改善路面排水性能，提升路面平整度。3连续配筋混凝土路面设计方案3 1连续配筋混凝土加铺层设计通过设置混凝土加铺层以起到调平、补强的作03DOI:10.16402/ki.issn1008-3383.2023.01.001第 1 期谢卓昊:城镇道路连续配筋混凝土路面设计总第 347 期用，增强 CCP 路面抗滑、平整、抗变形、密水等表面功能。CCP 路面是在路面设置足够数量的纵向钢筋，防止路面板因纵向收缩等原因而发生断裂，为此，该路面形式除应在施工缝和构造内设置胀缝外，其余部位无需设置胀缝和缩缝，所形成的混凝土路面结构完整且平坦，能够有效防止混凝土路面所普遍存在的接缝破坏，同时还能提升路面板结构的整体刚度、承载力和抗水损性能。然而，CCP 路面并非完全没有裂缝，混凝土收缩变形应力等主要受到钢筋约束，所以裂缝一般分散在较多部位，宽度也极其微小，大多裂缝肉眼观察不到2。这种微小的裂缝不会影响路面结构的连续性和行车稳定，不影响路面使用效果。但是 CCP 路面钢筋用量较多，对施工工序要求也较为严格。(1)混凝土加铺层的温度效应沥青混凝土热传导性能、吸收太阳辐射的能力均与水泥混凝土材料不同，当沥青混凝土层厚较小的情况下，层间温度可能会比无沥青混凝土面层的温度高，沥青混凝土层的隔热作用完全得不到发挥。这就表明 CCP 路面存在一个临界的沥青混凝土面层厚度。应用传热学原理及 ABAQUS 有限元软件进行了高温效应下连续配筋混凝土加铺层临界厚度值的分析计算，结果汇总见图 1。由图 1可知，连续配筋混凝土加铺层厚度只有达到 4 cm及以上才能有效发挥隔热效果，综合考虑隔热效果及施工成本，最终将该城镇道路连续配筋混凝土加铺层厚度确定为 4 cm3。图 1混凝土层厚与层间温度的关系曲线沥青混凝土面层厚度还与 CCP 路面顶面温度有一定关系，通过试验得知，在不设置沥青混凝土加铺层时 CCP 路面顶面温度最高可达51 1，而当设置厚度在 4 14 cm 的加铺层后，CCP 路面顶面最高温度的变动趋势与混凝土面层厚度有关，具体见图 2。根据图 2 结果，沥青混凝土面层厚度对 CCP 路面顶面最高温度影响较大。当混凝土面层厚度从 4 cm 增加至 10 cm，则 CCP 路面顶面最高温度从 49 8 降低至 42 9，降幅明显。所以，沥青混凝土层具有较好的隔热效果，能使 CCP路面钢筋拉应力、温度翘曲应力等均降低。图 2CCP 路面顶面最高温度与混凝土面层厚度的关系曲线取该城镇道路工程所在地区低温季节 24 h 的实测气温为代表值，进行温度持续变化情况下沥青混凝土加铺层厚度对 CCP 路面顶面温度影响的试验和分析。根据试验结果，在不设置沥青混凝土加铺层时，CCP 路面顶面最高温度为 2 7，而加铺厚度 4 14 cm 的沥青混凝土面层后 CCP 路面顶面最高温度将会表现出一定程度的波动，具体见图 3。由图 3 可知，沥青混凝土加铺层厚度对CCP 路面顶面最低温度的影响较小，当加铺层厚度从4 cm增加至 10 cm，顶面最低温度从 2 7 提升至 2 5，这表明沥青混凝土加铺层保温效果一般。图 3CCP 路面顶面最低温度与混凝土面层厚度的关系曲线(2)路面结构优化结合初始设计思路及对混凝土加铺层的温度效应的分析，采用有限元分析方法进行该城镇道路CCP 路面荷载应力、温度应力等受力状况的进一步分析，综合考虑重载超载作用的基础上确定配筋13总第 347 期黑龙江交通科技第 1 期量。以控制裂缝间距和宽度及钢筋应力为设计指标，进行了该城镇道路路面结构优化，即主线路面结构为 4 cm 厚沥青混凝土加铺层+22 cm 厚连续配筋混凝土+2 cm 厚 AC 10 沥青混合料隔离层粘层+换板压浆处治后的原水泥混凝土板设计;硬路肩路面结构为 26 cm 厚水泥混凝土板+换板压浆处治后的原水泥混凝土板设计。通过现场检测及室内试验进行了方案合理性及适用性验证，验证结果显示，该城镇道路试验路段采用 24 cm 厚的连续配筋混凝土加铺层在结构上完全可行;纵向钢筋采用直径 18 mm 的二级钢筋并按 16 cm 间距设置;裂缝间距为 1 625 m，裂缝宽度平均为 0 91 mm;钢筋应力 168 MPa，比钢筋屈服强度 340 MPa 小;横向钢筋采用直径 14 mm 的二级钢筋并按 70 cm 间距设置。横 纵 向 钢 筋 配 筋 率 分 别 为 0 092%和0 663%，满足规范要求。3 2配筋设计连续配筋混凝土路面设计的关键在于配筋设计，包括横纵筋配筋率的确定和钢筋规格、配筋位置确定两个方面的工作任务。(1)横纵筋配筋率的确定CCP 路面设计中横向钢筋用量较少，其配筋率应当按照纵向钢筋配筋率的 1/8 1/5 确定，作用在于确保纵向钢筋间距及稳固钢筋网。结合相关规范及工程经验，横向钢筋应选用直径 12 mm 的筋材，间距应按照 0 8 m 的要求确定。纵向钢筋配筋率应当结合裂缝宽度、裂缝间距、钢筋间距及钢筋应力等参数综合确定，一般控制在 0 6%0 8%，在具体设计过程中，应初拟0 7%的配筋率，再计算并校核裂缝宽度、裂缝间距、钢筋间距和钢筋应力，不断修正，直至满足设计要求。(2)配筋方案根据规范及经验公式进行验算，确保裂缝宽度1 mm，裂缝间距在 1 0 2 5 m 之间，钢筋间距在100 250 mm，钢筋应力不超出极限拉伸强度。根据验算结果，最终采用直径 16 mm 的钢筋为纵向筋，配筋率 0 72%，钢筋设置间距 103 mm，搭接长度 40 cm，单面焊接;横向筋采用直径 12 mm 的钢筋，并按照 60 cm 间距设置;焊接段连线和纵向钢筋夹角控制在 45。3 3端部处理CCP 路面因取消了横向接缝，很容易因混凝土材料热胀冷缩而在路面和其他构造物、沥青路面及混凝土路面连接部位产生纵向位移，进而产生较大的水平推力，破坏路面结构并影响构造物稳定性。为防止端部发生严重位移损坏路面，必须在CCP 路面和构造物、沥青路面、桥梁等衔接处采取合适的端部处理措施，以控制或消除可能出现的纵向位移，确保路面结构稳定运行。常见的端部处理技术包括混凝土灌注桩锚固、地锚梁锚固、设置胀缝、宽翼缘工字梁等。考虑到胀缝施工处理要求较高，如果处理不当，会造成接缝损坏，而混凝土灌注桩造价高，施工过程复杂。综合考虑以上措施的优劣势，按照公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D40 2011)的规定，该道路工程 CCP 路面端部主要采用地锚梁锚固及宽翼缘工字梁两种处理措施。地锚梁锚固方案设计时，应先确定出温度应变最大值，计算地锚梁极限抗剪力及约束力、锚固梁数量，并确定锚固梁和路面板内附加内力，最后根据以上所确定出的参数进行地锚梁和路面板配筋的布置与验算。该城镇道路路基表面摩擦系数取1 5，路基土容重 192 000 N/m3，粘聚力 0 06 MPa，混凝土材料容重 24 500 N/m3。工字梁设计时应先确定出温度应变最大值和端部位移最大值，根据约束位移计算约束力，最后通过有限元法进行锚固系统受力分析。当前国内并无合适且型号规格符合要求的工字钢材料，必须特殊加工。该城镇道路地锚梁外侧应连续设置三道胀缝，工字梁必须和普通混凝土面板连接，混凝土面板再和桥台连接，并增设一道胀缝。4结论综上所述，路面层结构设计和配筋设计是连续配筋混凝土路面(CCP 路面)设计的主要内容，推荐的设计方法对于现行规范中缝隙宽度、横向裂缝间距等方面的规定具有补充说明的积极作用，在CCP 路面纵向配筋设计方面也充分考虑了温度效应的影响，使设计结果更加契合工程实际。在原设计基础上所进行的原水泥混凝土路面加铺连续配筋混凝土路面的方案可作为类似工程实践的借鉴参考。参考文献:1 朱文龙，刘杨青 连续配筋混凝土路面结构设计要点 J 交通世界，2018(32):50 51 2 康栋东 连续配筋混凝土路面结构设计实例研究 J 城市道桥与防洪，2018(7):67 71+9 3 张丽娟，徐忠正，钟清