謝卓昊

(華設設計集團股份有限公司常州分公司，江蘇 常州 213000)

1 工程概況

341省道溧陽段改擴建工程起點位于方里村以西，與341省道別橋段線位相接，起點樁號為K18+850.000，路線終點位于青墩立交橋西橋頭，終點樁號為K32+823.041。全段均采用雙向四車道路基標準斷面，按一級公路標準進行設計，設計速度為100 km/h。路段路基全寬26.0 m，中間帶3.5 m(含左側路緣帶2×0.75 m)，行車道2 m×2 m×3.75 m，硬路肩2 m×3.0 m，土路肩2 m×0.75 m。路基設計標高為左側路緣帶與中央分隔帶相接處的路面標高。路線基本呈東西走向，主要經過別橋鎮(zhèn)、竹簀鎮(zhèn)等城鎮(zhèn)。工程所在地年平均氣溫15.4 ℃，極端最高氣溫41.5 ℃，極端最低氣溫-15.5 ℃，年平均降水量為1 071.4 mm。為消除普通混凝土路面橫向接縫，提升路面平整度和行車舒適性，延長路面使用壽命，該道路改擴建段決定采用連續(xù)配筋混凝土路面結構。

2 設計思路

現(xiàn)行《公路水泥混凝土路面設計規(guī)范》(JTG D40-2011)與原版本相比，在連續(xù)配筋混凝土路面縱向配筋設計方面進行了較大修訂，新規(guī)范中只有CRCP路面配筋設計方法，而對CRCP路面加鋪瀝青混凝土面層時配筋設計的相關規(guī)定仍不具體和明確?，F(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，CRCP路面縱向鋼筋必須使用直徑12～20 mm的螺紋鋼，且鋼筋和面層頂面的距離應至少為90 mm；鋼筋設置間距應按照集料最大粒徑2.5倍確定，且不超出250 mm，邊緣鋼筋與縱縫及自由邊的距離控制在100～150 mm；橫向裂縫間距應控制在1.8 m左右，鋼筋埋設處縫隙寬度應不超出0.5 mm；縱向配筋率必須結合交通運行實際在0.6%～1.0%之間選取。

CRCP路面及瀝青混凝土加鋪層設置縱向配筋主要目的在于控制橫向裂縫寬度、間距、裂縫對荷載的傳遞能力、鋼筋承受的拉應力以及縱向裂縫對混凝土板邊的沖斷?，F(xiàn)行規(guī)范中的有關CRCP路面縱向配筋設計要求其實參照的是美國AASHTO極限準則，控制裂縫寬度的目的在于防止剝落和滲水，控制裂縫間距的目的在于降低剝落和沖斷發(fā)生的可能，限制鋼筋應力的作用在于避免鋼筋發(fā)生拉斷破壞[1]。

依據現(xiàn)行規(guī)范及該城鎮(zhèn)道路工程實際的基礎上，CRCP路面結構分連續(xù)配筋混凝土層(CRC層)和加鋪層(AC層)兩個層次設計，CRCP路面計算模型，其中AC層彈性模量EAC=1 200 MPa，泊松比μAC=0.3；CRC層彈性模量EC=31 000 MPa，泊松比μC=0.15；水穩(wěn)碎石層彈性模量ED=1 000 MPa，泊松比μD=0.25；土基層彈性模量E=40 MPa，泊松比μ=0.35。在CRCP路面結構中，加鋪層(AC層)主要起到分離上下混凝土板的作用，采用分離式加鋪結構；而連續(xù)配筋混凝土層(CRC層)則主要對舊水泥混凝土路面結構起到補強作用，改善路面排水性能，提升路面平整度。

3 連續(xù)配筋混凝土路面設計方案

3.1 連續(xù)配筋混凝土加鋪層設計

通過設置混凝土加鋪層以起到調平、補強的作用，增強CRCP路面抗滑、平整、抗變形、密水等表面功能。CRCP路面是在路面設置足夠數(shù)量的縱向鋼筋，防止路面板因縱向收縮等原因而發(fā)生斷裂，為此，該路面形式除應在施工縫和構造內設置脹縫外，其余部位無需設置脹縫和縮縫，所形成的混凝土路面結構完整且平坦，能夠有效防止混凝土路面所普遍存在的接縫破壞，同時還能提升路面板結構的整體剛度、承載力和抗水損性能。然而，CRCP路面并非完全沒有裂縫，混凝土收縮變形應力等主要受到鋼筋約束，所以裂縫一般分散在較多部位，寬度也極其微小，大多裂縫肉眼觀察不到[2]。這種微小的裂縫不會影響路面結構的連續(xù)性和行車穩(wěn)定，不影響路面使用效果。但是CRCP路面鋼筋用量較多，對施工工序要求也較為嚴格。

(1)混凝土加鋪層的溫度效應

瀝青混凝土熱傳導性能、吸收太陽輻射的能力均與水泥混凝土材料不同，當瀝青混凝土層厚較小的情況下，層間溫度可能會比無瀝青混凝土面層的溫度高，瀝青混凝土層的隔熱作用完全得不到發(fā)揮。這就表明CRCP路面存在一個臨界的瀝青混凝土面層厚度。應用傳熱學原理及ABAQUS有限元軟件進行了高溫效應下連續(xù)配筋混凝土加鋪層臨界厚度值的分析計算，結果匯總見圖1。由圖1可知，連續(xù)配筋混凝土加鋪層厚度只有達到4 cm及以上才能有效發(fā)揮隔熱效果，綜合考慮隔熱效果及施工成本，最終將該城鎮(zhèn)道路連續(xù)配筋混凝土加鋪層厚度確定為4 cm[3]。

圖1 混凝土層厚與層間溫度的關系曲線

瀝青混凝土面層厚度還與CRCP路面頂面溫度有一定關系，通過試驗得知，在不設置瀝青混凝土加鋪層時CRCP路面頂面溫度最高可達51.1 ℃，而當設置厚度在4～14 cm的加鋪層后，CRCP路面頂面最高溫度的變動趨勢與混凝土面層厚度有關，具體見圖2。根據圖2結果，瀝青混凝土面層厚度對CRCP路面頂面最高溫度影響較大。當混凝土面層厚度從4 cm增加至10 cm，則CRCP路面頂面最高溫度從49.8 ℃降低至42.9 ℃，降幅明顯。所以，瀝青混凝土層具有較好的隔熱效果，能使CRCP路面鋼筋拉應力、溫度翹曲應力等均降低。

圖2 CRCP路面頂面最高溫度與混凝土面層厚度的關系曲線

取該城鎮(zhèn)道路工程所在地區(qū)低溫季節(jié)24 h的實測氣溫為代表值，進行溫度持續(xù)變化情況下瀝青混凝土加鋪層厚度對CRCP路面頂面溫度影響的試驗和分析。根據試驗結果，在不設置瀝青混凝土加鋪層時，CRCP路面頂面最高溫度為-2.7 ℃，而加鋪厚度4～14 cm的瀝青混凝土面層后CRCP路面頂面最高溫度將會表現(xiàn)出一定程度的波動，具體見圖3。由圖3可知，瀝青混凝土加鋪層厚度對CRCP路面頂面最低溫度的影響較小，當加鋪層厚度從4 cm增加至10 cm，頂面最低溫度從-2.7 ℃提升至-2.5 ℃，這表明瀝青混凝土加鋪層保溫效果一般。

圖3 CRCP路面頂面最低溫度與混凝土面層厚度的關系曲線

(2)路面結構優(yōu)化

結合初始設計思路及對混凝土加鋪層的溫度效應的分析，采用有限元分析方法進行該城鎮(zhèn)道路CRCP路面荷載應力、溫度應力等受力狀況的進一步分析，綜合考慮重載超載作用的基礎上確定配筋量。以控制裂縫間距和寬度及鋼筋應力為設計指標，進行了該城鎮(zhèn)道路路面結構優(yōu)化，即主線路面結構為4 cm厚瀝青混凝土加鋪層+22 cm厚連續(xù)配筋混凝土+2 cm厚AC-10瀝青混合料隔離層粘層+換板壓漿處治后的原水泥混凝土板設計；硬路肩路面結構為26 cm厚水泥混凝土板+換板壓漿處治后的原水泥混凝土板設計。通過現(xiàn)場檢測及室內試驗進行了方案合理性及適用性驗證，驗證結果顯示，該城鎮(zhèn)道路試驗路段采用24 cm厚的連續(xù)配筋混凝土加鋪層在結構上完全可行；縱向鋼筋采用直徑18 mm的二級鋼筋并按16 cm間距設置；裂縫間距為1.625 m，裂縫寬度平均為0.91 mm；鋼筋應力168 MPa，比鋼筋屈服強度340 MPa小；橫向鋼筋采用直徑14 mm的二級鋼筋并按70 cm間距設置。橫縱向鋼筋配筋率分別為0.092%和0.663%，滿足規(guī)范要求。

3.2 配筋設計

連續(xù)配筋混凝土路面設計的關鍵在于配筋設計，包括橫縱筋配筋率的確定和鋼筋規(guī)格、配筋位置確定兩個方面的工作任務。

(1)橫縱筋配筋率的確定

CRCP路面設計中橫向鋼筋用量較少，其配筋率應當按照縱向鋼筋配筋率的1/8～1/5確定，作用在于確?？v向鋼筋間距及穩(wěn)固鋼筋網。結合相關規(guī)范及工程經驗，橫向鋼筋應選用直徑12 mm的筋材，間距應按照0.8 m的要求確定。

縱向鋼筋配筋率應當結合裂縫寬度、裂縫間距、鋼筋間距及鋼筋應力等參數(shù)綜合確定，一般控制在0.6%～0.8%，在具體設計過程中，應初擬0.7%的配筋率，再計算并校核裂縫寬度、裂縫間距、鋼筋間距和鋼筋應力，不斷修正，直至滿足設計要求。

(2)配筋方案

根據規(guī)范及經驗公式進行驗算，確保裂縫寬度<1 mm，裂縫間距在1.0～2.5 m之間，鋼筋間距在100～250 mm，鋼筋應力不超出極限拉伸強度。根據驗算結果，最終采用直徑16 mm的鋼筋為縱向筋，配筋率0.72%，鋼筋設置間距103 mm，搭接長度40 cm，單面焊接；橫向筋采用直徑12 mm的鋼筋，并按照60 cm間距設置；焊接段連線和縱向鋼筋夾角控制在45°。

3.3 端部處理

CRCP路面因取消了橫向接縫，很容易因混凝土材料熱脹冷縮而在路面和其他構造物、瀝青路面及混凝土路面連接部位產生縱向位移，進而產生較大的水平推力，破壞路面結構并影響構造物穩(wěn)定性。為防止端部發(fā)生嚴重位移損壞路面，必須在CRCP路面和構造物、瀝青路面、橋梁等銜接處采取合適的端部處理措施，以控制或消除可能出現(xiàn)的縱向位移，確保路面結構穩(wěn)定運行。常見的端部處理技術包括混凝土灌注樁錨固、地錨梁錨固、設置脹縫、寬翼緣工字梁等?？紤]到脹縫施工處理要求較高，如果處理不當，會造成接縫損壞，而混凝土灌注樁造價高，施工過程復雜。綜合考慮以上措施的優(yōu)劣勢，按照《公路水泥混凝土路面設計規(guī)范》(JTG D40-2011)的規(guī)定，該道路工程CRCP路面端部主要采用地錨梁錨固及寬翼緣工字梁兩種處理措施。

地錨梁錨固方案設計時，應先確定出溫度應變最大值，計算地錨梁極限抗剪力及約束力、錨固梁數(shù)量，并確定錨固梁和路面板內附加內力，最后根據以上所確定出的參數(shù)進行地錨梁和路面板配筋的布置與驗算。該城鎮(zhèn)道路路基表面摩擦系數(shù)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。工字梁設計時應先確定出溫度應變最大值和端部位移最大值，根據約束位移計算約束力，最后通過有限元法進行錨固系統(tǒng)受力分析。當前國內并無合適且型號規(guī)格符合要求的工字鋼材料，必須特殊加工。該城鎮(zhèn)道路地錨梁外側應連續(xù)設置三道脹縫，工字梁必須和普通混凝土面板連接，混凝土面板再和橋臺連接，并增設一道脹縫。

4 結 論

綜上所述，路面層結構設計和配筋設計是連續(xù)配筋混凝土路面(CRCP路面)設計的主要內容，推薦的設計方法對于現(xiàn)行規(guī)范中縫隙寬度、橫向裂縫間距等方面的規(guī)定具有補充說明的積極作用，在CRCP路面縱向配筋設計方面也充分考慮了溫度效應的影響，使設計結果更加契合工程實際。在原設計基礎上所進行的原水泥混凝土路面加鋪連續(xù)配筋混凝土路面的方案可作為類似工程實踐的借鑒參考。