對水泥混凝土路面可靠度的研究

1、對水泥混凝土路面可靠度的研究工程力學(xué) 薛道駿 1101303031摘要：本文介紹了水泥混凝土路面的可靠度影響因素，并提出該模型的建立思路，以求得其可靠度指標(biāo)。一、可靠度定義與標(biāo)準(zhǔn)1.1可靠度的定義與極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)可靠度的定義為:結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。這里規(guī)定的時間指的是分析結(jié)構(gòu)可靠度時考慮各項基本變量與時間關(guān)系所取用的時間參數(shù)，稱為設(shè)計基準(zhǔn)期。設(shè)計基準(zhǔn)期與結(jié)構(gòu)的使用壽命有一定的聯(lián)系，但兩者又不完全等同。若結(jié)構(gòu)的使用時間超過了設(shè)計基準(zhǔn)期，只意味著所計算的完成預(yù)定功能的概率發(fā)生了變化，但并不等于結(jié)構(gòu)喪失了功能或不能使用了。規(guī)定的條件指的是正常設(shè)計、正常施工、正常使用

2、的條件。完成各項功能的標(biāo)志用極限狀態(tài)來衡量。若結(jié)構(gòu)的整體或其一部分超過某一特定的狀態(tài)時，結(jié)構(gòu)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能，則稱這種特定的狀態(tài)為極限狀態(tài)。極限狀態(tài)是區(qū)分結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)為可靠或不可靠的標(biāo)志。結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)一般分為下列三類: 承載能力極限狀態(tài)這種極限狀態(tài)對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形。當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件出現(xiàn)下列情況之一時:整個路面結(jié)構(gòu)或路面結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡(如整體滑動等);路面結(jié)構(gòu)因超過了材料強度而破壞，或過度變形而不適于繼續(xù)承載，即認為超過了承載能力極限狀態(tài)。 正常使用極限狀態(tài)這種結(jié)構(gòu)狀態(tài)對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值。當(dāng)結(jié)構(gòu)或

3、結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時:影響正常使用或外觀的變形;耐久性能的局部或大部分損壞;影響正常使用的其它特定狀態(tài)，即認為超過了正常使用極限狀態(tài)。 條件極限狀態(tài)條件極限狀態(tài)也稱為“破壞一安全”極限狀態(tài)，其中所指的破壞，是指容許結(jié)構(gòu)物可以發(fā)生的局部破壞，而對己發(fā)生局部破壞的結(jié)構(gòu)的其余部分，應(yīng)能具有適當(dāng)?shù)目煽慷?，能繼續(xù)承受降低了的設(shè)計荷載。其指導(dǎo)思想是，當(dāng)偶然事件發(fā)生后，要求結(jié)構(gòu)仍保持完整無缺是不現(xiàn)實的，也是不必要和不經(jīng)濟的，故只能要求結(jié)構(gòu)不致因此而造成更嚴(yán)重的損失。1.2結(jié)構(gòu)可靠度的三個水準(zhǔn)以概率統(tǒng)計為結(jié)構(gòu)可靠度的設(shè)計法是將影響結(jié)構(gòu)安全的各種參數(shù)作為隨機變量，用概率論和數(shù)理統(tǒng)計學(xué)來分析全部參數(shù)或部分參

4、數(shù)，或者用可靠度分析結(jié)構(gòu)在使用期限內(nèi)滿足基本功能要求的概率。目前，國際上通常劃分為三個水準(zhǔn)，即水準(zhǔn)I、水準(zhǔn)、水準(zhǔn)。 水準(zhǔn)I一一半概率設(shè)計法這一水準(zhǔn)設(shè)計方法的特點是，雖然在荷載和材料強度上分別考慮了概率原則，但是，它把荷載和抗力分開考慮，而不是從結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體性出發(fā)考慮結(jié)構(gòu)的可靠度，因而無法觸及結(jié)構(gòu)可靠度的核心一一結(jié)構(gòu)的失效概率，并且各分項安全系數(shù)主要依據(jù)工程經(jīng)驗確定，所以稱其為半概率設(shè)計法。 水準(zhǔn)一一近似概率設(shè)計法這是在國際上已經(jīng)進入實用階段的概率設(shè)計法，它運用概率論和數(shù)理統(tǒng)計，對工程結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或截面設(shè)計的“可靠概率”，做出較為近似的相對估計。我國工程標(biāo)準(zhǔn)采用的以概率理論為基礎(chǔ)的一次二階矩極限

5、狀態(tài)設(shè)計方法就屬于這一水準(zhǔn)。這一水準(zhǔn)的設(shè)計方法，雖然己是一種概率方法，但是，由于在分析中忽略或簡化了基本變量隨時間變化的關(guān)系;確定基本變量的分布時受現(xiàn)有信息量的限制具有相當(dāng)?shù)慕菩?并且，為了簡化設(shè)計計算，將一些復(fù)雜的非線性極限狀態(tài)方程線性化，所以仍然是一種近似概率法。 水準(zhǔn)一一全概率設(shè)計法全概率設(shè)計法是一種完全基于概率理論的較理想的方法。它不僅把影響結(jié)構(gòu)可靠度理論在水泥混凝土路面工程中的應(yīng)用和研究可靠性的各種因素用隨機變量模型去描述，更進一步還考慮隨時間變化的特性用隨機過程模型去描述，而且，是在對整個結(jié)構(gòu)體系進行精確概率分析的基礎(chǔ)上，以結(jié)構(gòu)的失效概率作為結(jié)構(gòu)可靠度的直接度量。二、影響水泥混凝

6、土路面可靠度的主要因素水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)失效破壞是一個模糊的隨機事件，正是由于上述各種模糊性的存在，致使以概率統(tǒng)計為基礎(chǔ)的可靠度分析結(jié)果與實際事故統(tǒng)計分析的失效概率不盡相同，有時差異較大。為此，在水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)可靠度分析和設(shè)計時有必要考慮各種模糊因素，通過剛性路面結(jié)構(gòu)模糊可靠度分析，為確定剛性路面可靠性設(shè)計時的目標(biāo)可靠度及合理的水泥混凝土路面可靠性設(shè)計方法提供依據(jù)。三、 水泥混凝土路面可靠度分析3.1可靠度模型的建立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(yīng)，以路面疲勞壽命表示路面結(jié)構(gòu)的綜合抗力。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

7、義抗力，一般為混凝土板的抗折強度。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.(1)式中: 一標(biāo)準(zhǔn)軸載只在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載疲勞應(yīng)力(MPa);一臨界荷位處的溫度疲勞應(yīng)力(MPa);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，將式（1）帶入得-（2）當(dāng)Z0時，水泥混凝土路面為可靠狀態(tài); Z0時，水泥混凝土路面為失效狀態(tài); Z=O時，水泥混凝土路面為極限狀態(tài)。圖1.結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài)3.2荷載疲勞應(yīng)力設(shè)該水泥路面設(shè)計年限為t年，設(shè)計交通量為1000輛/日標(biāo)準(zhǔn)軸次，按交通量年平均增長率y為4%計算該公路在設(shè)計基準(zhǔn)年限內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

8、軸載累計作用次數(shù)。 ；式中:一標(biāo)準(zhǔn)軸載的平均日作用次數(shù); t一設(shè)計年限; 一設(shè)計年限內(nèi)交通量年平均增長率;一輪跡橫向分布系數(shù)，取0.5。荷載疲勞應(yīng)力為:；式中: 一接縫傳荷應(yīng)力折減系數(shù)，取=0.88;一疲勞應(yīng)力系數(shù)，一考慮偏載和動載等因素對路面疲勞損壞影響的綜合系數(shù)，取=1.20;一標(biāo)準(zhǔn)軸載在臨界荷位產(chǎn)生的荷載應(yīng)力，一水泥混凝土的彎拉彈性模量(MPa);一基層頂面當(dāng)量回彈模量(MPa)， 一基層頂面彎沉(0.01mm)。3.3溫度疲勞應(yīng)力路基和路面結(jié)構(gòu)外露在地表，直接感受到自然界因素的影響，路基土和路面材料的強度和剛度隨路面體系內(nèi)溫度和濕度的升降而減少或增加。根據(jù)影響路基濕度狀況的氣候因素，把全國劃分為若干個區(qū)域。具有不同氣候特點的區(qū)域，路基所受的影響也呈現(xiàn)不同的特點和程度。根據(jù)文獻資料可確定地區(qū)在全國公路自然區(qū)域劃分中屬于哪個區(qū)。由規(guī)范知溫度疲勞應(yīng)力的計算式為：；式中：一最大溫度梯度時混凝土板的翹曲應(yīng)力(MPa)， 一考慮溫度應(yīng)力累計疲勞作用的疲勞應(yīng)力系數(shù)， 一混凝土的線膨脹系數(shù)，一般取=一最大溫度梯度，查表取為0.88/cm;一綜合溫度翹曲應(yīng)力和內(nèi)