摘要:水泥混凝土路面在設(shè)計、施工、管理等過程中存在許多的不確定因素,為了更好地考慮這些不確定性,新版水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范,以可靠度概念取代了傳統(tǒng)的安全系數(shù),從而使路面設(shè)計更科學。本文以影響水泥混凝土路面可靠度的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為隨機變量,采用疲勞概率分析模型,分析了隨機變量的變異性和概率分布,編程計算某公路水泥混凝土路面的可靠度指標。
關(guān)鍵詞:水泥混凝土路面 可靠度 結(jié)構(gòu)參數(shù) 隨機變量
1.引言
公路工程是國家主要的基礎(chǔ)設(shè)施之一,建造費用高、使用周期長是公路工程結(jié)構(gòu)獨特的特點,要保證公路結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期內(nèi)能夠承受設(shè)計的各種作用,滿足設(shè)計要求的各項使用功能,是設(shè)計、施工等人員追求的目標。而公路工程結(jié)構(gòu)在施工上具有長距離線性分布野外的特點,路用材料的不均勻性及施工管理水平的差異、混凝土路面的各項材料性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)幾何尺寸等都不是某一確定的單值變量,具有多種不確定性和模糊性。1984 年和1994年的水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范采用了安全系數(shù)來考慮眾多的不確定,然而安全系數(shù)是公路工作者通過多年積累的經(jīng)驗得出,即其取值是靠設(shè)計者的知識和經(jīng)驗,因此安全系數(shù)本身具有不確定性。經(jīng)過研究人員多年的努力,用來表示工程可靠的程度,即路面在使用年限內(nèi)不會出現(xiàn)損壞的概率,出現(xiàn)在新版的水泥混凝土設(shè)計規(guī)范中,這就是可靠度。姚祖康結(jié)合路面結(jié)構(gòu)的特點,把路面可靠度相應定義為:在規(guī)定的設(shè)計基準期內(nèi),在規(guī)定的交通和環(huán)境條件下,路面使用性能滿足預定水平要求的概率。
本文通過實例進行分析可靠度在水泥混凝土路面中的應用。
2.工程概況
湖南湘東地區(qū)某二級公路,本項目全線不分干燥、潮濕路段,路面采用24cm 厚,C30水泥混凝土基層為17cm 厚、5%水泥穩(wěn)定砂礫,墊層為15cm 級配碎石,基層上鋪設(shè)0.6cm瀝青封層,路肩采用10cm 厚、C30混凝土硬化。水泥混凝土板塊劃分:板長為5.0m,特殊路段根據(jù)需要調(diào)整為4.5~5.0m,機動車道板寬度為2× 4.5m 。
下面我們就圍繞這兩個關(guān)鍵問題進行詳細論述。
3.主要結(jié)構(gòu)參數(shù)
水泥混凝土路面的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為混凝土板厚( h )、混凝土抗彎拉強度( fr )、混凝土抗彎拉彈性模量(Ec ) 和地基強度(Et )。為了盡可能保證所收集的結(jié)構(gòu)參數(shù)的真實性和代表性,真實地反映實際施工水平,事先已和施工單位說明。
板厚的變異主要是由于基層頂面不平整所引起。正在施工的水泥混凝土路面,采用板邊中部基層頂面和路面板頂面兩次水準測高的方法實測板厚。已完工的路段采用鉆孔取樣,測量試樣的高度,如試件不平整,須測量三點高度后取平均值?;炷量箯澙瓘姸鹊牧繙y如下:正在施工的混凝土路面,按交通部標準實測齡期28 天標準試件的小梁抗彎拉強度,小梁的成型養(yǎng)生盡可能模擬現(xiàn)場施工工藝。已完成的混凝土路面采用鉆孔劈裂試驗,計算劈裂抗彎拉強度后按公式換算成標準小梁的抗彎拉強度,最后按不同齡期、抗彎拉強度的增長曲線和換算關(guān)系換算成標準28 天的小梁抗彎拉強度。抗彎拉彈性模量試件的取樣、成型、養(yǎng)生和抗彎拉小梁試件相同。地基回彈模量一般采用彎沉法,用貝克曼梁測量回彈彎沉。由于南方地區(qū)一般采用水泥穩(wěn)定類基層,基層的強度隨養(yǎng)生時間而增長,因此大都測量基層頂面回彈模量。
4.可靠度分析
對該水泥混凝土路面進行可靠度分析時,采用疲勞概率分析模型,以荷載作用表示作用 效應,以路面疲勞壽命表示路面結(jié)構(gòu)的綜合抗力。由結(jié)構(gòu)可靠度分析理論知,功能函數(shù)可表 示為:
Z =R−S (1)
設(shè)水泥混凝土路面在荷載作用下,抗力效應R 為混凝土路面的廣義抗力,一般為混凝土板的抗彎拉強度fr。荷載效應S為廣義荷載效應,它是水泥混凝土路面板厚、基礎(chǔ)強度、使用年限內(nèi)荷載作用次數(shù)、溫度梯度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù),即
編程求允許誤差ε = 0.1,功能函數(shù)近似為0 時,可靠度指標的值。計算得知,該公路的可靠度指標為1.16,可靠度與可靠度指標有一一對應的關(guān)系,根據(jù)規(guī)范中安全等級和可靠度、可靠度與可靠度指數(shù)之間的關(guān)系可知,該公路的可靠度為87.5%,公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范(JTG D40-2002)中二級公路目標可靠度是85%,合乎規(guī)范要求。
4 結(jié)論
傳統(tǒng)的設(shè)計方法是通過安全系數(shù)來加以考慮的,但安全系數(shù)并不能真正反映結(jié)構(gòu)實際的安全性,且其取值主要基于以往的經(jīng)驗。以可靠性理論為基礎(chǔ)的設(shè)計方法,承認和揭示了結(jié)構(gòu)屬性中存在的不確定性,并在結(jié)構(gòu)設(shè)計中充分考慮到施工管理水平的影響,使得設(shè)計結(jié)果更趨科學和合理。實例證明該方法實用性強,可靠度分析基本上反映了該公路施工質(zhì)量的實際情況,用于分析道路路面結(jié)構(gòu)的可靠度是可行的,在類似的路面工程可靠度模擬計算中具有推廣價值。
參考文獻
[1] 中華人民共和國行業(yè)標準. 公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范(JTG D40-2002). 北京: 人民交通出版社,2002.
[2] 中華人民共和國國家標準. 工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準(GB50153-92). 北京: 中國計劃出版社, 1992.
[3] 中華人民共和國國家標準. 公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準(GB/T 50283-1999). 北京: 中國計劃出版社, 1999.
[4] 談至明, 姚祖康. 混凝土路面的可靠性分析. 同濟大學學報, 1991, 19(2).
[5] 貢金鑫. 工程結(jié)構(gòu)可靠度計算方法. 大連: 大連理工大學出版社, 2003.
[6] R E Melchers. Structural Reliability Analysis and Prediction. Chichester: Ellis Horwood Limited, 1987.
[7] 李國強, 李繼華. 二階矩矩陣法——關(guān)于相關(guān)隨機向量的結(jié)構(gòu)可靠度計算. 重慶建筑工程學院學報,1987, 26(1).
[8] 李珍玉.可靠度理論在水泥混凝土路面工程中的應用和研究:[碩士學位論文].湖南:湖南大學,2005