广东某高速公路连续配筋混凝土路面配筋设计

　　摘要：连续配筋混凝土路面（CRCP）具有良好的承载能力，适用于重载交通路面。结合广东某高速公路路面改造设计工程CRCP配筋设计，分析了板厚和配筋率对路面结构的影响。结果表明：薄板高配筋率比厚板低配筋率具有更好的路面结构性能，可为同类工程参考借鉴。
　　
　　关键词：连续配筋混凝土路面；重载交通；裂缝；配筋率
　　
　　连续配筋混凝土路面(ContinuouslyReinforcedConcretePavement，简称CRCP)是在路面纵方向连续配置足够数量的钢筋，不设胀、缩缝的一种路面结构型式[1]。CRCP在国外发展较早，1921年美国联邦公路局在华盛顿区附近修了长600m的试验路，到1980年为止，美国已经铺筑了22600km以上相当于双车道的CRCP。比利时于1960年修筑了CRCP试验路，为原有路面罩面，证明其有良好的使用性能。并于1970年开始将CRCP广泛应用于汽车专用公路和其它重交通道路上。由于其优良的性能，从20世纪70年代以后，许多国家开始将它应用于汽车专用道路和城市道路，特别是高速公路。到1980年已建成CRCP,折合成双车道，日本为10697km，比利时为500km，西班牙80多km。此外，澳大利亚、瑞典、荷兰、英国、德国等也进行了CRCP的研究和修建。CRCP在我国的应用较少，1989年江苏盐城修筑了试验路，1996年长安大学与有关公路部门在陕西铜川境内的210国道上修筑了CRCP试验路，1997年在河南许昌境内107国道上修筑了10km(单幅)CRCP实体工程[2]。2001年全长135.4km的耒宜高速公路建成通车，全线设计采用38.4kmCRCP，实际完成40.1km，占全长的29.6%[3]。2005年粤赣高速通车，在K7+700～K8+524右幅、K117+500～K117+900左幅铺筑了双、单层连续配筋混凝土路面试验段[4]。由于CRCP一次性投入大，因而在我国没有得到广泛的应用。不过由于CRCP良好的承载能力，在长寿性路面、重载交通旧路改造当中，CRCP又得到了充分的重视，2001年成功利用CRCP完成南京市绕城公路马群～东杨坊段路面改造[5]，2004年沪宁高速公路(江苏段)扩建工程先导试验段采用CRCP板[6]。广东某高速公路的路面改建设计中，也采用了CRCP路面结构。
　　
　　1工程概况
　　广东某高速公路第一期工程建成于2002年，全长48km，设计采用封闭四车道，行车速度120km/h。区域地貌主要为冲积平原及平原微丘，沿线不连续分布有大量软土，软土路段约22km，约占全线的46%。全线软基处理方式设计主要采用排水固结法，以袋装砂井或少量塑料排水板作为竖向排水体、砂垫层为横向排水体，利用“薄层轮加法”进行路堤填筑，部分路段辅以土工织物或反压护道等加固措施，全部软基路段均进行超载预压，预压时间不少于6个月，结构物两端超载1.5m其他路段超载0.8m。全线软基处理施工于1999年9月份完成。由于软基处理难度大，并且该高速公路起点靠近西江金马码头，重载交通多，因此一期铺筑的为过渡性路面，路面结构组合方案为：4cm中粒式沥青混凝土+6cm粗粒式沥青混凝土+40cm水泥稳定碎石+20cm级配碎石。由于面层强度不足，经过8年的通车运行，路面已出现不同程度的破坏，特别是主车道路面损坏较为严重。从2009年6月开始，经过一年的沉降观测，得出的结论是：该高速公路的软基沉降已经趋于稳定，具备了铺筑永久性路面的条件。因此，路面的处治势在必行而且已经条件成熟。鉴于该高速公路重载交通多，永久性路面初拟采用CRCP设计。
　　2CRCP设计
　　2.1路面结构组合方案及计算参数
　　该高速公路路基宽度为26m，设计路面类型为CRCP路面，路拱横坡2%，标准轴载100KN，设计基准期为30年。路面结构为：20cm级配碎石垫层，20cm4%水泥稳定碎石底基层，20cm5%水泥稳定碎石基层，CRCP板有如下三种设计方案：横向配筋率为纵向配筋率1/6，板厚26cm、配筋率0.8%；板厚28cm、配筋率0.7%；板厚30cm、配筋率0.6%。混凝土标号为C40，钢筋选用HRB335螺纹钢筋，钢筋直径ds=20mm。结合规范和筑路材料试验，设计计算参数如下：
　　混凝土弯拉强度标准值fr=5.0MPa，相应弯拉弹性模量标准值EC=31GPa，抗拉强度标准值ft=3.5MPa，粘结强度系数Ks=34MPa/mm，连续配筋混凝土干缩应变εsh=0.0002，混凝土温度线膨胀系数αc=1×10-5/℃，该地区最高日平均气温与最低日平均气温之差为ΔT=30℃，钢筋弹性模量ES=200GPa，屈服强度fsy=335MPa钢筋温度线膨胀系数αs=9×10-6/℃。
　　2.2配筋设计
　　CRCP板的纵向配筋率按允许的裂缝间距（1.0-2.5m）、裂缝宽度（<1mm）、钢筋屈服强度三个指标控制设计。
　　2.2.1裂缝间距计算
　　根据《公路水泥混凝土路面设计规范》[7]，CRCP横向裂缝平均间距按下式确定：
　　Ld=（1）
　　式中φ为钢筋贡献率，b为随钢筋贡献率系数φ和混凝土温缩应力系数λc而变的系数，如图1[8]所示。
　　
　　图1不同φ值时系数b与系数λc的关系曲线
　　板厚26cm、配筋率ρ=0.8%时，混凝土温缩应力系数为：
　　λc===0.226
　　钢筋贡献率为：
　　φ===0.0516
　　由λc=0.226和φ=0.0516，查图1，得b=5.5，代入式（1）中，得：
　　Ld==1840mm=1.840m
　　同理计算得，板厚28cm、配筋率0.7%时Ld=2.181m；板厚30cm、配筋率0.6%时，Ld=2.524m。
　　2.2.2裂缝宽度计算
　　CRCP裂缝间隙计算宽度按下式确定：
　　bj=(αcΔT+εsh)λbLd（2）
　　式中λb为裂缝宽度系数，可由钢筋贡献率φ值和b值查图2得到。
　　
　　图2不同φ值时系数b与裂缝宽度系数λb的关系曲线
　　查得λb=0.81，板厚26cm、配筋率ρ=0.8%时，
　　bj=(1×10-5×30+0.0002)×0.81×1840=0.75mm。
　　同理计算得，板厚28cm、配筋率0.7%时，bj=0.87mm；板厚30cm、配筋率0.6%时，bj=1.02mm。
　　2.2.3钢筋应力计算
　　CRCP产生裂缝后，钢筋承受的应力由式（3）确定：
　　σs=Es(αcΔTλst+αsΔT)（3）[!--empirenews.page--]
　　式中λst为钢筋温度应力系数，可由钢筋贡献率φ值和b值查图3得到。
　　
　　图3不同φ值时系数b与钢筋温度应力系数λst的关系曲线
　　查得λst=3.5，板厚26cm、配筋率ρ=0.8%时，
　　σs=200×103(1×10-5×30×3.5+9×10-6×30)=264MPa。
　　同理计算得，板厚28cm、配筋率0.7%时，σs=306MPa；板厚30cm、配筋率0.6%时，σs=360MPa。
　　2.3设计验算
　　当配筋率不同时，裂缝间距、裂缝宽度和钢筋应力计算结果如表1所示。
　　表1不同配筋率时控制指标计算值
　　控制指标 配筋率（%） 规范允许值
　　 0.8 0.7 0.6 
　　裂缝间距Ld（m） 1.840 2.181 2.524 1.0~2.5
　　裂缝宽度bj（mm） 0.75 0.87 1.02 <1.0
　　钢筋应力σs（MPa） 264 306 360 335
　　
　　规范规定CRCP纵向配筋率一般取为0.6%～0.8%，横向配筋率取为纵向配筋率的1/5～1/7，虽然初拟的三种配筋率都满足规范要求，不过由表1可知，配筋率过低时，即使面板厚度30cm，裂缝间距、裂缝宽度和钢筋应力均无法满足规范要求，而高配筋率时，虽然面板较薄，仍然具备较大的安全储备。可见配筋率高低对CRCP路面强度起了很大作用。因此最终设计方案确定为薄板高配筋率。路面结构设计图见图4。
　　
　　图4路面结构示意图
　　3结论
　　CRCP是一种高性能的混凝土路面结构，通过配筋设计计算表明：无论从横向裂缝间距、最大裂缝宽度、钢筋强度储备的角度考虑，薄板高配筋率的CRCP比厚板低配筋率的CRCP显示出更多的优越性。虽然CRCP的初期建设费用很高，但其承载力大、行车舒适、使用耐久、养护维修很少，总体上经济性好，无论是使用性能还是结构承载能力，都优于普通混凝土路面。随着我国公路货运事业的迅猛发展，重载交通必将越来越多，CRCP由于在重交通高等级道路的显著优势，必将得到更多的运用。
　　
　　参考文献：
　　[1] 田寅春，胡长顺，王秉纲.连续配筋混凝土路面荷载应力分析[J].西安公路交通大学学报，2000，20（3）：6-10.
　　[2] 曹东伟，王秉纲，刘伟，仰建岗.连续配筋混凝土路面的配筋设计方法[J].公路，2001，（12）：11-14.
　　[3] 查旭东，张起森，李宇峙，苏清贵，黄庆.高速公路连续配筋混凝土路面施工技术研究[J].中外公路，2003，23（1）：1-4.
　　[4] 鲁昌河，邱志雄，蔡业青，舒翔.双层与单层连续配筋混凝土路面设计与施工探讨[J].中外公路，2006，26（3）：83-86.
　　[5] 方中明.连续配筋混凝土路面前景展望及施工探讨[J].公路，2004，（3）：39-41.
　　[6] 陈锋锋，黄晓明，张军辉.连续配筋混凝土路面设计和施工方法的研究[J].华中科技大学学报（城市科学版），2005，22（1）：49-53.
　　[7] JTGD40-2002，公路水泥混凝土路面设计规范[S].
　　[8] 邓学钧.路基路面工程[M].北京：人民交通出版社，2005.

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