收稿日期:2007203212
基金项目：国家西部交通建设科技项目(200531881213)
作者简介：侯荣国(19772)，男，河北衡水人，博士研究生,E 2mail :
第28卷 第2期2008年3月
长安大学学报(自然科学版)
Journal of Chang πan University (Natural Science Edition )
Vol.28 No.2
Mar.2008
文章编号:167128879(2008)022*******
长寿命路面结构设计与寿命预估
侯荣国1，赵晓晴2，王选仓1，曾 蔚1,3
(1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西西安710064;2.淮海工学院
土木工程系，江苏连云港222005;3.西安铁路工程职工大学道路与桥梁工程系，陕西西安710065)杞人忧天的寓言故事
摘 要：为解决现有路面设计寿命不足、实际使用寿命短等问题，从长寿命路面设计思想出发，对
PCC +AC 复合式路面(下面层为普通水泥混凝土，上面层为沥青混凝土)的荷载应力与温度应力进行分析，应用ANS YS 分析软件，采用三维等参元法和弹性层状体系理论，分析确定PCC +AC 复合式路面的力学模型，同时结合依托工程的PCC +AC 长寿命路面结构进行试验验证。结果表明：影响PCC 板底荷载应力和温度应力的主要因素为水泥混凝土板厚度、水泥混凝土弹性模量及AC 层厚度，而AC 层弹性模量对PCC 板底温度应力影响较小；设计的复合路面使用寿命达到40a 以上。关键词：道路工程;PCC +AC 复合式路面；应力分析；寿命中图分类号:U416.2 文献标志码:A
Structure design and life predicting of long 2life pavement
HOU Rong 2guo 1,ZHAO Xiao 2qing 2,WAN G Xuan 2cang 1,ZEN G Wei 1,3
(1.Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education ,Chang ’an University ,Xi ’an 710064,Shaanxi ,China ;2.Department of Civil Engineering ,Huaihai Institute of Technology ,
Lianyungang 222005,Jiangsu ,China ;3.Department of Road and Bridge Engineering ,
Xi ’an Railway Engineering University ,Xi ’an 710065,Shaanxi ,China )
Abstract :Aiming at the shortage of design life and actual life of pavement ,considering the design of long 2life pavement ,this paper analyzed the structure stress and temperature stress of PCC +AC composite pavement bad on three 2dimensional isoparametric element and elastic layer system theory through ANSYS ,and expounded the mechanics pattern of PCC +AC composite pavement ,an actual highway with PCC +AC long 2life pavement was constructed to test the life of the composite pavement.The result shows that :the main factors affecting load stress and temperature stress of PCC board are the thickness of cement concrete board and the concrete modulus and thickness of asphalt concrete ,but the modulus of asphalt concrete affects temperature stress of PCC board hardly ;the life of the composite pavement is over 40a.5tabs ,4figs ,7refs.
K ey w ords :road engineering ;PCC +AC compo site pavement ;stress analysis ;life
0 引 言
目前，中国道路普遍存在早期破坏现象，沥青混
凝土路面出现车辙、网裂和松散等；水泥混凝土路面出现断板、断角和错台等[1]。这些早期破坏严重影
响了路面的使用性能，降低了路面结构承载能力，使
道路使用寿命迅速衰减。本文针对目前道路使用寿命严重不足的现象，从长寿命路面设计思想出发，把水泥混凝土路面(PCC )+沥青混凝土路面(AC )的路面结构作为实现长寿命路面设计的一种路面类型，分析了该路面的主要影响因素，并通过几种PCC +AC 复合式路面的结构组合,
对路面使用寿
命进行了预估，发现其寿命远远大于现有路面设计寿命，符合长寿命路面的设计思想。
1 力学模型的建立
在PCC +AC 复合式路面结构中，下层的水泥混凝土板为主要的承重层，而上层沥青混凝土面层主要作为表面功能层。对这种路面结构进行荷载应
力分析时，重点分析承重层(PCC 板)的应力状况，从而确保承重层的结构承载力。1.1 计算模型
采用8节点三维等参元法以及弹性层状体系理论，对PCC +AC 复合式路面进行荷载应力分析。路面结构模式如图1所示
。
图1 PCC +AC 路面结构模式
1.2 边界条件
(1)AC 层、PCC 板为有限尺寸；地基为弹性半
空间地基(E 地基)，根据计算精度要求，取尺寸为8m ×10m ×7m 。
(2)AC 层与PCC 板之间完全连续接触;PCC
板与地基之间用
“正交各向异性接触模型”描述[2]。
(3)AC 层、PCC 板及地基的四周面均为自由悬空面；地基的底面为固定面。1.3 参数取值
在普通混凝土路面荷载应力计算中,PCC 板与地基之间的接触采用层间滑动的假定，认为PCC 板与地基之间光滑接触，地基对PCC 板的水平方向摩阻力可忽略，用“正交各向异性接触模型”描述，见表1。表中:E 11、E 22、E 33分别为x 、y 、z 方向上的弹性
模量;μ12、μ23、μ31分别为x y 、
y z 、z x 面内的泊松比;G 12、G 23、G 31分别为x y 、y z 、z x 面内的剪切模量。
表1 PCC 板与地基间正交各向异性单元的参数
参数弹性模量/MPa
泊松比剪切模量/MPa
E 11
E 22
E 33
μ12
μ23
μ31
G 12
G 23
G 31
取值
113000000.00010.00010.00010.00010.00010.0001
其他计算参数在后述计算中给出。
2 计算结果分析
本文结构计算参数采用实际长寿命路面依托工程的实际道路结构参数，如表2所示。
表2 结构参数
AC 层弹性模量/MPa 1300PCC 板弹性模量/MPa
31000水泥稳定碎石弹性模量/MPa
1500石灰土垫层弹性模量/MPa 150土基弹性模量/MPa
40
注：石灰土垫层厚度h 1=20cm ；水泥稳定碎石厚度h 2=18cm 。
2.1 荷载应力分析
2.1.1 未加AC 层的PCC 板底最大弯拉应力
由图2可以看出，随着PCC 板厚度h c 的增加,
标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力σps 逐渐减小；且随着PCC 板厚度的增加，这种减小的趋势逐渐趋缓。
图2 未加AC 层时荷载应力随PCC 板厚度变化的曲线
2.1.2 有AC 层的PCC 板底最大弯拉应力
由图3可以看到，有AC 层后,PCC 板底的最大
弯拉应力σpsa 还是有所减小的。
在PCC 板厚度固定时,PCC 板底最大弯拉应力随着AC 层厚度h a 的增加而减小。AC 层厚度增加幅度相等时,PCC 板底的应力折减程度基本一致。
图3 有AC 层时应力随PCC 板厚度和AC 层厚度变化的曲线
2.1.3 其他因素分析
PCC 板底应力随E c /E s 的增大而增大，特别是
在h c 较小时，这一规律比较明显；另外,PCC 板底应
力随E c /E a 的增大而略有增大。因此，在常用E c /E a (24～26)、h a (2～10cm )范围内,E c /E a 变化对板底应力的影响可忽略不计[3](其中:E a 为AC 层弹
3
2第2期 侯荣国，等：长寿命路面结构设计与寿命预估
性模量;E c 为水泥混凝土弹性模量;E s 为PCC 板底
综合弹性模量)。2.2 温度翘曲应力分析
混凝土板内温度应力主要为胀缩应力与翘曲应力，由于胀缩应力数值微小，故本文主要分析混凝土
板的温度翘曲应力。产生温度翘曲应力的主要因素是存在温度梯度。一昼夜内混凝土板最大温度梯度出现时刻随着沥青层厚度的增加而逐渐滞后。通常，普通水泥混凝土路面的最大温度梯度出现在13:00～14:00，而对于PCC +AC 路面，最大温度梯
度出现时刻约滞后1～2h 。2.2.1 最大温度梯度
文献[4]给出了有沥青上面层的PCC 板最大温度梯度的推荐值，见表3。
表3 有沥青上面层的混凝土板的最大温度梯度值T g
AC 层厚度/
cm 各自然区划下的T g /(m ・℃-1)
Ⅱ、Ⅴ区
Ⅲ区
Ⅳ、Ⅵ区
Ⅶ区
083～8890～9586～9293～98458～6262～6760～6566～70840～4346～4843～4947～5012
28～30
30～32
29～31
31～33
2.2.2 温度翘曲应力计算
计算采用PCC 板的平面尺寸为3.75m ×4m 。由图4可知,PCC 板温度翘曲应力随着PCC 板厚度的增大而减小，且减小幅度逐渐趋缓；固定PCC 板厚度时,PCC 板的温度翘曲应力随着AC 层
牵羊之礼厚度的增大而减小，且减小幅度逐渐趋缓。
图4 温度翘曲应力随PCC 板厚度和AC 层厚度变化的曲线
此外，计算中还发现，温度翘曲应力随PCC 板长的增加而减小，因此，适当的增大PCC 板长，能够有效地降低PCC 板底应力。2.2.3 其他因素分析
PCC 板底温度翘曲应力随E c 的增大而增大;
当h c 、E c 不变时,PCC 板底温度翘曲应力随AC 层厚度h a 的增大而增大，但增大幅度随h a 的增大而减小；同样,PCC 板底温度翘曲应力随E a 的增大而增大，但影响十分微小[526]。
3 寿命预估
3.1 结构承载极限
根据表2的参数，通过变化沥青层厚度与水泥混凝土板厚度，计算各种路面结构组合下所能承受的最大累计当量轴次，见表4。
表4 结构承载能力
结构组合/cm
姜维h a 5.5 5.5 6.0 6.0h c
28
30
28
30
累计当量轴次/次 1.65×1087.56×108 1.90×1088.82×108
3.2 寿命预估
通过依托工程验算。初始日标准轴载为20000次，交通量增长率为4%，车轮轮迹横向分布系数取0.2，计算得到上述道路结构的使用寿命。
从表5中可以看出，相比原有设计年限为15a
杜甫草堂景点介绍的沥青混凝土路面(18cm 面层)的设计方案，本研究的长寿命路面设计寿命最低达到了43a ，从而大大提高了路面的设计寿命。
表5 各结构组合下的路面设计寿命
结构组合/cm h a 5.5 5.5 6.0 6.0h c
28302830设计寿命/a
43
78
46
82
3.3 沥青层寿命
长寿命路面的主要设计思想为：在设计寿命期间，不发生结构性破坏，路面的损坏只发生在表面功能层，而不需要进行结构性大修[7]。
前述计算结果主要考虑了PCC 板的结构寿命，而对于沥青层的寿命，显然达不到如此长的年限。因此，在进行长寿命路面结构设计时，首先要保证主体结构的使用寿命，对于表面功能层，则尽量做好材料设计，力图达到较长的设计年限，必要时进行表面功能修复。
4 结 语
(1)长寿命路面是道路工作者一直追求的目标,
本文选择PCC +AC 路面结构进行长寿命路面研究，对此种路面结构进行了荷载与温度应力分析。(2)通过依托工程的验算，发现PCC +AC 路面结构承载能力大大提高，设计年限较常规路面结构延长许多，符合长寿命路面设计思想。
(3)虽然路面寿命预估可达40a 以上，但只适用于PCC 层，而对于AC 层，则需要进行特别设计，尽量提高其使用年限，必要时进行养护或加铺。
4
2长安大学学报(自然科学版) 2008年
参考文献:
R eferences:
[1] 长安大学长寿命路面结构研究课题组.高速公路长寿
命路面典型结构成套技术研究[R].西安：长安大学,
2005.
[2] 胡长顺，曹东伟.连续配筋混凝土路面结构设计理论
与方法研究[J].交通运输工程学报,2001,1(2):572
62.
HU Chang2shun,CAO Dong2wei.On the design
theory and method of continuously reinforced concrete
pavement(CRCP)[J].Journal of Traffic and
Transportation Engineering,2001,1(2):57262.
[3] 杨 斌，陈拴发，胡长顺.路面板断裂尺寸对沥青加
铺层应力的影响[J].长安大学学报：自然科学版,
2006,26(1):12215.
YAN G Bin,CH EN Shuan2fa,HU Chang2shun.
Influence of cracking size of concrete pavement on
stress of asphalt overlay[J].Journal of Chang’an
University:Natural Science Edition,2006,26(1):122
15.[4] J T G D4022002，公路水泥混凝土路面设计规范[S].
舞蹈社团活动记录[5] 刘晓曦，王硕太.机场混凝土道面封缝材料疲劳特性
[J].交通运输工程学报,2006,6(1):44247.
L IU Xiao2xi,WAN G Shuo2tai.Joint alant fatigue
property of airport concrete pavement[J].Journal of
Traffic and Transportation Engineering,2006,6(1):
44247.
[6] 申爱琴，朱建辉，王晓飞，等.聚合物改性超细水泥修
兴味盎然补混凝土结构物微裂缝的性能及机理[J].中国公路
学报,2006,19(4):46251.
SHEN Ai2qin,ZHU Jian2hui,W AN G X iao2fei,et al.
Performance and mechanism of polymer modified
superfine cement for microcrack mending of concrete
structure[J].China Journal of Highway and
Transport,2006,19(4):46251.
[7] 杨永红，王选仓，韩国杰，等.甘肃黄土地区土基回弹
模量[J].长安大学学报：自然科学版,2005,25(3):72
10.
YAN G Y ong2hong,WAN G Xuan2cang,HAN Guo2
jie,et al.Rebound module of subgrade in G ansu loess
area[J].Journal of Chang’an University:Natural
Science Edition,2005,25(3):7210.
(上接第21页)
WU X ian2hui,ZHAN G Deng2liang,L I De2chao.Full2 scale test of asphalt pavement reflection cracking[J].
Journal of Chang’an University:Natural Science Edition,
2003,23(6):426.
[2] 李淑明，许志鸿，蔡喜棉.土工织物对复合式路面结
构内力影响分析[J].中国公路学报,2006,19(1):282
31.
L I Shu2ming,XU Zhi2hong,CAI Xi2mian.Analysis of
impact of geo2textile on stress of composite pavement
structure[J].China Journal of Highway and T ransport,
2006,19(1):28231.
[3] 张 鹏.旧水泥混凝土路面黑色罩面反射裂缝的防治
[J].长安大学学报：自然科学版,2005,25(3):16218.
ZHAN G Peng.Defence methods for reflective cracks in
existed cement concrete black pavement[J].Journal of
Chang’an University:Natural Science Edition,2005,25
(3):16218.
[4] Akbulut H,Aslantas K.Finite element analysis of stress
distribution bituminous pavement and failure mechanism
[J].Materials and Design,2005,26(4):3832387.
[5] 谈至明，姚祖康.层间约束引起的双层水泥混凝土路面板
的温度应力[J].交通运输工程学报,2001,1(1):25228.
T AN Zhi2ming,YAO Zu2kang.Thermal stress in two2
layer concrete slab due to restraint of interface[J].Journal
of T raffic and T ransportation Engineering,2001,1(1):
25228.
[6] 胡长顺，曹东伟.有防裂夹层结构的旧水泥混凝土路
面沥青加铺层力学分析[J].中国公路学报,1999,12
(增刊):128.
HU Chang2shun,CAO Dong2wei.Mechanics analysis of
asphalt concrete overlay on the old cement concrete
pavement with anti2cracking interlayer[J].China
Journal of Highway and Transport,1999,12(S):128.
[7] 王 辉，武和平.沥青路面按弯沉等效轴载换算的研
究[J].中国公路学报,2003,16(1):19221.
WAN G Hui,WU He2ping.Rearch on axle
exchange bad on deflection equivalent for asphalt
pavement[J].China Journal of Highway and
Transport,2003,16(1):19221.
[8] 陈先华，黄 卫，王建伟，等.浇注式沥青混凝土铺装评价表
破坏原因[J].交通运输工程学报,2004,4(4):529.
理论视野
CH EN Xian2hua,HUAN G Wei,WAN GJian2wei,et
al.Damage caus of mastic asphalt pavement on
orthotropic steel deck plate[J].Journal of Traffic and
Transportation Engineering,2004,4(4):529.
52
第2期 侯荣国，等：长寿命路面结构设计与寿命预估
