摘要：水泥混凝土路面在設(shè)計(jì)、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(jì)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(jì)更科學(xué)。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(jī)變量，采用疲勞概率分析模型，分析了隨機(jī)變量的變異性和概率分布，編程計(jì)算某公路水泥混凝土路面的可靠度指標(biāo)。
關(guān)鍵詞：水泥混凝土路面 可靠度 結(jié)構(gòu)參數(shù) 隨機(jī)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(fèi)用高、使用周期長是公路工程結(jié)構(gòu)獨(dú)特的特點(diǎn)，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(jì)的各種作用，滿足設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)使用功能，是設(shè)計(jì)、施工等人員追求的目標(biāo)。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(diǎn)，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(xiàng)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(jì)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(yàn)得出，即其取值是靠設(shè)計(jì)者的知識和經(jīng)驗(yàn)，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(jì)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(diǎn)，把路面可靠度相應(yīng)定義為：在規(guī)定的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)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(yù)定水平要求的概率。
本文通過實(shí)例進(jìn)行分析可靠度在水泥混凝土路面中的應(yīng)用。
2．工程概況
湖南湘東地區(qū)某二級公路，本項(xiàng)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(jī)動車道板寬度為2× 4.5m 。
下面我們就圍繞這兩個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行詳細(xì)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(qiáng)度( fr )、混凝土抗彎拉彈性模量(Ec ) 和地基強(qiáng)度(Et )。為了盡可能保證所收集的結(jié)構(gòu)參數(shù)的真實(shí)性和代表性，真實(shí)地反映實(shí)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(zhǔn)測高的方法實(shí)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(diǎn)高度后取平均值。混凝土抗彎拉強(qiáng)度的量測如下：正在施工的混凝土路面，按交通部標(biāo)準(zhǔn)實(shí)測齡期28 天標(biāo)準(zhǔn)試件的小梁抗彎拉強(qiáng)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(yàn)，計(jì)算劈裂抗彎拉強(qiáng)度后按公式換算成標(biāo)準(zhǔn)小梁的抗彎拉強(qiáng)度，最后按不同齡期、抗彎拉強(qiáng)度的增長曲線和換算關(guān)系換算成標(biāo)準(zhǔn)28 天的小梁抗彎拉強(qiáng)度?？箯澙瓘椥阅Ａ吭嚰娜印⒊尚?、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(qiáng)度隨養(yǎng)生時(shí)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(jìn)行可靠度分析時(shí)，采用疲勞概率分析模型，以荷載作用表示作用 效應(yīng)，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(yīng)R 為混凝土路面的廣義抗力，一般為混凝土板的抗彎拉強(qiáng)度fr。荷載效應(yīng)S為廣義荷載效應(yīng)，它是水泥混凝土路面板厚、基礎(chǔ)強(qiáng)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(shí)，可靠度指標(biāo)的值。計(jì)算得知，該公路的可靠度指標(biāo)為1.16，可靠度與可靠度指標(biāo)有一一對應(yīng)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(jì)規(guī)范(JTG D40-2002)中二級公路目標(biāo)可靠度是85%，合乎規(guī)范要求。
4 結(jié)論
傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)際的安全性，且其取值主要基于以往的經(jīng)驗(yàn)。以可靠性理論為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法，承認(rèn)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(jì)中充分考慮到施工管理水平的影響，使得設(shè)計(jì)結(jié)果更趨科學(xué)和合理。實(shí)例證明該方法實(shí)用性強(qiáng)，可靠度分析基本上反映了該公路施工質(zhì)量的實(shí)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(jì)算中具有推廣價(jià)值。
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