公路水泥混凝土路面可靠度设计方法探究

王啸萍

（湖南省公路设计有限公司广州分公司， 广东 广州 510000）

1 概述

公路水泥混凝土路面的使用性能可以通过某一时刻路面结构性指标、功能性指标表征出来，并对使用期末的要求水平做出规定。对于公路水泥混凝土的路面结构的可靠性则可以通过不同的标准与设训给出不同的定义。若是以控制荷载应力作用下疲劳断裂作为设计标准公路面可靠性度的定义为荷载应力小于混凝土疲劳度强度的概率；以控制服务能力下降作为标准可靠度的定义则为路面服务能力指数的下降程度小于预定最低限的概率度；以控制荷载应力与温度应力双重作用下的疲劳断裂作为设计标准可靠度的定义为路面温度应力与荷载应力小于混凝土疲劳强度的概率。

2 水泥混凝土路面可靠度设计方法的意义和特点

2.1 水泥混凝土路面可靠度设计方法的意义

水泥混凝土路面结构的可靠性主要是通过规定条件下与时间内路面的质量是否可以到达相应的标准要求来判断，进而就可以测试出路面的使用性能是不是能够满足运输的需求。随着我国经济的快速发展，我国对基础建设的需求量不断增加，大量的新公路不断被开发。公路水泥混凝土路面的设计规范对路面结构的设计方向的选择不仅需要与路面整体结构相结合，同时也需要结合当地的行车荷载以及温度。对于公路水泥混凝土路面结构保障性的判断可以通过实验数据进行判断，即在规定条件与时间内对行车荷载疲劳应力、温度坡度应力以及混凝土弯拉强度进行测量，当温度坡度应力与行车荷载疲劳应力之和小于混凝土弯拉强度时公路水泥混凝土结构具有保障，反之公路水泥混凝土结构不具有保障。众所周知，公路水泥混凝土路面的质量与路面结构有非常大的关系。当公路水凝混凝土路面中某一部位出现损害，就很有可能引发路面结构其他部分也出现损害，进而对公路路面的整体性能造成影响。为了保障公路水泥混凝土路面的质量在设计路面的时必须遵循科学性与合理性，只有这样才能有效保障水凝混凝土路面结构的刚度与强度，进而保障公路水凝混凝土路面的使用性能。

2.2 水泥混凝土路面结构可靠度设计方法的特点

结构可靠度理论是以概率为基础，该理论最大的特点就是将结构属性中的不确定性揭示出来，并承认这些不确定性因素。在结构可靠度理论中将对结构可靠度产生影响的因素作为随机变量，恢复了其自然特性，通过实验数据总结出客观变异性。可靠度计算的方法需要以实际测量与统计作为基础，运用可靠度数学理论将结构可靠的指标β或者失效概率Pt计算出来，根据计算的结果对结构安全水平做出判断，该理论已经被广泛应用在工程领域中。现行路面设计规范中已经引入可靠度理论，并用可靠系数代替了就规范中的安全系数。另外，旧规范中的定值设计法也被概率极限状态设计法取代。换言之，公路路面结构可靠度的量度方法由原先的经验方法换成了数学统计方法，这样可以使公立路面结构更加科学合理，符合交通运输的实际需求。

路面结构可靠度设计方法将施工与设计有效结合，不仅考虑到了公路的的重要性与等级，同时也结合了施工单位的施工水平，综合两者做出了不同的设计方案与要求，对施工单位提出了明确的要求。此外，还可以通过控制施工中某些参数实现路面结构的预定功能。

水泥混凝土路面设计时运用结构可靠度设计方法，不仅要考虑影响路面结构可靠度的各种因素，也要结合路面实际损伤情况，对路面的极限状态做出评估，通过检验数据对偏差做出调整与修正，保证设计出的水凝混凝土路面结构的使用性能与可靠度满足实际需求。

3 水泥混凝土路面结构可靠度设计

3.1 水泥混凝土路面结构不确定性的构成

水泥混凝土路面结构的不确定性主要表现在时间与空间两个方面：路面结构时间不确定性主要体现在随机性与渐变性。通常情况下，随着时间的增长混凝土的强度以及路面使用性能呈现出衰退渐变，而随着时间的增长水泥混凝土路面所处的环境与荷载则具有随机性。路面结构空间的不确定主要体现在承载荷载、结构层厚度以及材料性能等方面。

水泥混凝土路面结构不确定性的来源可以划分为三类：第一类是设计参数发生变异，如结构的几何尺寸发生变化、材料性能发生变化、公路所承受的负载发生变化等；第二类为预估的交通荷载与实际交通荷载存在偏差，如轴载的年平均增长率预估存在偏差、交通量预估存在偏差；第三类是设计方法不符合实际情况，这种情况的出现主要是由设计方法中的假定与近似处理导致。因不同的不确定性对路面结构靠性造成的影响也有所不同，因此处理不确定性的方法也会不同。

3.2 水泥混凝土路面结构疲劳方程

通常情况下，水泥混凝土路面的疲劳寿命比较长，所以对路面疲劳寿命做现场试验研究不仅难，而且用时也比较长。目前，就路面疲劳寿命现场试验研究成果比较少，只有美国AASHTO试验路有少量的研究成果。当前，水泥混凝土疲劳试验都是在室内完成，在混凝土小梁试件上施加固定幅度变化的循环荷载，混凝土小梁试件出现断裂时反复荷载作用的次数被视为混凝土疲劳寿命。通常情况下，混凝土小梁试件在一次荷载作用下的极限强度与循环荷载最大值的比值被称为应力水平。循环应力、材料性能以及环境等因素都会对水泥混凝土疲劳特性造成影响。虽然应力水平的应用可以规避这些因素的影响，但是混凝土自身的特性以及实验环境也会对混凝土疲劳寿命的计算造成影响。

3.3 水泥混凝土路面结构可靠度设计步骤

第一，对水凝混凝土路面使用期限内的标准轴载累计作用次数进行计算。首先，根据现行的规范明确设计公路的等级、基准期、交通量年增长率以及临界荷位处轮迹横向分布系数；其次，假设交通量平均年增长量的预估设计参数服从对数正太分布，计算出设计基准期车道标准轴载累计作用次数的平均值，进而得出变异系数以及标准差；最后，通过最终的计算得出概率分布密度函数。

第二，拟定路面结构层与类型组合的方案。通过分析公路的等级与可能出现的变异，明确设计路面的材料与尺寸。

第三；对公路结构的疲劳寿命进行计算。首先，确定已选定混凝土路面结构的面板厚度，普通混凝土面层的拉弯弹性与强度的模型。按照现行的规范计算出已选定混凝土路面层结构的材料的基层顶面当量回弹模量。其次，假设水凝混凝土路面的疲劳寿命符合威布尔分布，并且运用随机有限元模拟分析其特征，获取相应的参数。

第四，综合上述计算得出水泥混凝土路面结构的可靠度，确定设计公路的最终方案。

4 结语

水凝混凝土路面结构可靠度不仅要考虑交通量参数、结构参数以及材料的变异性，同时也要考虑到设计变量中的不确定性，只有这样才能将设计方案与施工技术、管理水平结合在一起，从而保证路面结构的可靠性、安全性。另外，水泥混凝土路面的可靠度设计时还有融入近年来积累的各种设计经验与研究成果，不仅可以提高设计公路的适用性，同时还可以促进我国设计规范的完善与发展。