【水泥混凝土路面结构可靠性设计与评估】水泥混凝土路面结构
牛宜昌1，胡彦海2
(1.河南交通科学技术研究院有限公司，郑州450006；2.河南省有色金属地质矿产局第六地质大队，郑州450016)
随着我国社会经济的不断发展，混凝土工程的规模也在逐步扩大。就水泥混凝土路面结构而言，还存在许多问题。例如，水泥混凝土路面结构使用寿命短，早期损坏严重，运行效率低，提高其可靠性势在必行。本文对水泥混凝土路面结构的可靠性进行设计和评价，希望能有借鉴意义。
水泥混凝土；路面结构；可靠性；设计评估
doi 10.13616/j . CNKI . gcjsysj . 2017 . 03 . 046
1简介
目前，我国公路里程不断增加，但公路建设仍存在使用寿命短、损坏严重等诸多问题。造成这个问题的主要原因是施工控制不严，长期超负荷使用，设计方法不完善。研究和控制这些原因，可以全面提高我国公路建设质量。目前，水泥混凝土公路路面设计中使用的设计参数是统一的、确定的设计方案。为了确保路面设计满足需求，需要考虑不同环境和道路材料荷载对设计因素的影响。但实际上，路面结构体系是不确定的，其可测参数(如路面设计、施工和养护)是可变的，很难选择其确定性设计。如果用平均值计算，可靠度只能是50%，不能满足实际需求[1]。有些设计师出于安全考虑，采用保守值，导致最终设计结果过于保守。如果随意选取设计参数值，不同的设计结果会有很大的变化。概率论可以有效处理不确定因素，将概率方法应用于路面结构设计可以有效解决上述问题。
2水泥混凝土路面结构的可靠性设计
2.1确定性设计方法
目前，我国公路混凝土路面设计规范中，以控制路面板的疲劳开裂和破坏作为设计水泥混凝土路面厚度的标准。混凝土板的温度疲劳应力和荷载疲劳应力之和不应大于混凝土路面的设计弯拉强度。本次的设计标准是温度应力和荷载应力引起的综合疲劳损伤，因此将综合疲劳损伤最大的路面板位置作为临界荷载位置。首先是载荷应力的计算。临界荷载位置标准荷载引起的荷载疲劳是以下四个值的乘积，即基于接缝传荷能力的应力折减系数、动荷载和超载因素对路面疲劳破坏的综合影响系数、设计使用年限内荷载应力累积疲劳的疲劳应力系数、不考虑接缝传荷能力的临界荷载位置标准荷载引起的荷载应力[2]。其次是温度应力计算，因为板边中点温度梯度形成的温度疲劳应力是混凝土板在最大温度梯度下的疲劳应力系数和温度应力的累积疲劳效应。
2.2概率基础
2.2.1可靠性的定义
结构可靠性是用结构可靠性的概率来衡量的。所谓可靠度的标准工程定义是结构在规定的时间和条件下完成预定功能的概率。根据路面结构的特点，可靠度的定义可以考虑为:在规定的设计使用时间内，在规定的环境交通条件下，路面性能满足预定水平要求的概率[3]。
概率方法
荷载、几何参数、材料性能、计算公式的准确性等因素都会对结构可靠性产生一定的影响。这些因素是随机的，可视为基本变量，其结构函数可用函数来表示，即Z=g(X1，X2，…，Xn)，其中x为基本变量，若Z大于零，则表明结构位置处于可靠状态；如果z等于零，则表示结构位置的极限状态；如果z小于零，则表明该结构位置处于失效状态。即极限状态方程表达式bit z = g (x1，x2，…，xn)= 0；结构可靠度、失效和极限状态的概率可以用P1、P2和P3来表示。因为Xn是连续变量，我们可以假设函数z=g(X1，X2，…，Xn)的分布函数是连续函数。在这种条件下，我们从概率论的知识可以知道，P3=0，P2+P3=1。
2.3可靠性设计方法
2.3.1设计参数及其变异系数
因为它受结构和材料成分的不均匀性、质量控制水平和施工工艺的影响。路面结构的设计参数会在一定范围内波动。根据变异系数的实际分布情况，将各设计参数的变异水平分为高、中、低三个等级，分别应用于不同的公路等级、质量控制等级和施工技术等级。由于路面结构本身的特点，所有与路面设计相关的参数都有一定程度的转化。在这些转换参数中，最显著或起决定作用的有:混凝土弯拉弹性模量、混凝土弯拉强度、板长、板厚、基层顶面等效弹性模量、底面和顶面最大温度梯度、使用初期设计的车道标准轴载次数(分别为Ec、ZIN、L、H、E1、J、N0)。在研究它们可变性的过程中，假设它们是相互独立的[4]。通过大规模调查，获得了不同水泥混凝土路面相关设计参数的信息。经过多次室内外试验，利用随机理论建立统计数据库，从而得出这些参数的变化水平。如表1所示。
表1设计参数的变异系数
设计参数低、中、高变异水平变异水平设计参数低、中、高σin 0.10 ~ 0.120.15 ~ 0.180.21 ~ 0.25 EC 0.10 ~ 0.65438。3 0 0 .3 5~0 .4 5 E10。1 0~0 .2 0 0 .2 5~0 .3 5 0 .4 5~0 .5 0 J 0。0 4~0 .0 8 0 .0 8~0 .1 2 0 .1 5~0 .2 0 h 0。0 1~0 .0 3 0 .0 5~0 .0 8 0 .1 0~0 .1 2 N00。5 0~0 .8 0 0 .8 0~1 .2 0 1 .5 0~2 .0010。0 1~0 .0 3 0 .0 5~0 .0 8 0 .1 0~0 .1 2
2.3.2路面结构的理论可靠度及其系数
所谓路面结构理论可靠度，是基于规范中给出的图表和计算公式，只考虑了路面结构受设计参数变异性影响的可靠度。结构理论的可靠度可以用约化积分法和干涉理论来计算。就分布规律而言，所有设计参数的可变性对理论可靠性有统一的影响。当任一参数的变异系数增大时，理论可靠度会降低，可以引入理论可靠度系数来考虑这种影响。
2.3.3实际可靠性及其系数
根据调查统计可以看出，路面实际可靠度与理论存在偏差，理论可靠度大于实际可靠度，需要对理论可靠度进行修正。引入了信度系数的概念，用信度系数偏差表示两者之间的信度偏差，进而考虑不一致偏差的修正。按照这个思路，可以得到理论和实际可靠系数F1和F2之间的良性线性关系。即F2=0.506+0.494F1。然后建立可靠性设计方法。因此，可靠性理论可以用来表达水泥混凝土路面的结构设计方法。关系为:实际可靠系数F2=混凝土板温度疲劳应力+荷载疲劳应力，不大于混凝土路面板的设计弯拉强度。
3水泥混凝土路面结构的可靠性评价
与路面结构的可靠性设计相比，其可靠性评价主要有以下特点:不同的规定条件和时间、不同的预定功能、车辆荷载和路面承载能力的变化[5]。水泥混凝土路面结构的可靠性评估包括新建工程和既有工程两个方面。就新建而言，在正常使用和养护条件下，主要考虑环境因素的影响，在预定的设计基准期内满足预定性能要求的能力，就是新建路面结构的可靠性。公式为:P(TS)=P{Z(t)≥0，t∈[0，TX]}，其中TX为设计基准期。根据现有公路，其可靠度表达式为PS (t1，ts ") = p (z (t1，t1) ≥ 0，t ∈ [t1，t1+ts"])。其中，t1和TS”分别代表路面结构已经使用的年份和希望继续使用的年份，即服务运营基准期。其可靠性与抗力的广义随机过程和使用时路面结构性能的技术状况影响的随机过程有关。其性能评价需要考虑路面损坏、施工和养护时间、路面结构的承载能力、抗滑能力、交通状况、路面路基的平整度和排水性。
4结论
公路交通的质量关系到国计民生。衡量一个国家的现代化水平，公路交通是一个重要的内容。以往公路水泥混凝土路面的结构设计往往采用经验方法和力学经验方法进行分析和评价，难以达到实际效果。通过应用可靠性理论方法，可以有效地促进我国路面结构设计的改进，提高我国公路的质量。
参考
江涛朱飞1子建民。水泥混凝土路面结构的可靠性设计方法[J].公路运输文摘，2002(12):12-14。
2谭志明、姚祖康、刘伯英。水泥混凝土路面结构的可靠性设计方法[J].公路，2002(8):7-10。
3张晋宁。水泥混凝土加铺层旧沥青路面结构可靠性分析[J].河北工业大学学报，2010(4):105-108。
4，刘凯，王选苍，等.旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构可靠性分析[J].公路交通科学与技术，2015(3):1-6+19。
5冯。新型水泥混凝土路面结构设计的可靠性分析[J].上海公路，2013(4):7-10+19+101。
水泥混凝土路面结构可靠性设计和评估
牛一-昌1，胡燕-海2
(1 .交通河南省科学技术研究院有限公司，中国郑州450006；2.河南省地质矿产局有色金属地质大队六队，中国郑州450016)
随着我国社会经济的不断发展，混凝土工程的规模逐渐扩大。强制混凝土路面结构，但仍然存在许多问题。例如，早期损坏和低运行效率的短服务寿命，提高水泥混凝土路面结构的可靠性势在必行。本文对水泥混凝土路面结构的可靠性进行了设计和评价，指出了参考文献的重要性。
关键词水泥混凝土；路面结构；可靠性；设计评估
中国图书馆分类号u 416.02；U416.216
文件识别码b
文章编号为1007-9467(2017)03-0143-03。
收到日期:2016-11-21
作者简介牛益昌(1984 ~)，男，河南林州人，工程师，从事路基路面及岩土工程设计与研究。