HPDS在公路沥青路面结构计算中的应用

HPDS在公路沥青路面结构计算中的应用

Summary：本文按照2017版《公路沥青路面结构设计规范》中对路面结构计算新的设计要求，采用HPDS2017软件完成沥青路面结构计算。重点描述路面结构设计指标的计算过程和计算软件的荷载参数、路面结构参数等条件的输入及计算结果的输出。Keys：沥青路面；结构计算；HPDS软件前言路面结构是道路最重要和直观的组成部分，其结构的设计与计算也是道路设计的重点之一。随着我国道路建设的发展，工程技术的不断积累，路面结构计算方法也在不断完善。本文采用HPDS公路路面结构计算软件，基于新版《公路沥青路面结构设计规范》JTGD50-2017，结合工程案例，对公路沥青路面结构进行计算，通过路面结构计算的过程、荷载参数、路面结构参数的输入和计算的描述，为设计人员提供参考。1软件介绍HPDS公路路面设计系统是王凯和毛释怀两位教授就路面结构计算开发的软件，在道路设计行业应用广泛。HPDS2017版软件是根据新的《公路沥青路面设计规范》JTGD50-2017（以下简称规范）对HPDS2011版的升级，该软件包含新建、改建的公路沥青和水泥路面结构计算相关的九项功能，数据输入采用可视化窗口输入方式，操作简单。2路面结构设计要素2.1设计荷载根据规范3.0.3可知，设计轴载仍采用以轴载100KN的单轴双轮组荷载为标准轴载。各轮轮载为25KN，轮胎压强为0.7Mpa，单轮传压面当量圆直径d为21.30cm，双轮中心间距为1.5d。新规范通过对不同的轴型组合将车辆分成11类，其中2轴4轮的1类车型不计入交通等级划分和轴载的计算中，并且针对不同的路面结构设计指标，采用不同的当量轴载换算系数，计算出对应的当量设计累计轴载。2.2路面结构设计指标老版《公路沥青路面设计规范》JTGD50-2006中主要以弯沉作为路面结构设计指标，目前在各种不同路面结构和路面性能影响的复杂性下，该设计指标较难全面反映出各层路面结构的路用性能。因此，新规范采用5个设计指标分别控制相应路面损坏，新设计指标分别为:沥青混合料疲劳开裂寿命、无机结合料稳定层疲劳开裂寿命、沥青混合料永久变形量、路基顶面竖向压应变和路面低温开裂指数，并且根据规范表6.2.1中要求，不同的路面结构组合应选择不同的路面结构设计指标。3路面结构计算3.1工程案例上海某现状道路等级为一级公路，双向六快两慢的四块板城市道路断面形式，采用沥青混凝土路面，该项目对部分路段进行结构翻建，设计年限15年，设计时采用老规范的设计指标对路面结构进行计算，本次以该项目为例按新规范对路面结构进行验算。3.2设计参数的确定3.2.1交通荷载的确定交通荷载按规范附录A.4中计算公式（如下所示），计算出不同路面设计指标所对应的设计车道的当量设计轴载累计次数。本项目根据现状交通量调查，道路断面大型客车和货车车辆双向年平均日交通量AADTT为2962辆，其中整体式货车比例和半挂式货车比例约为35%和45%，按规范附录A.2.6中水平三的车辆类型分布系数VCDF采用TTC2车辆类型的分布系数。各类型车辆的当量累计轴载换算系数EALF按规范附录A.3.1中要求高速公路及以一级公路的改建项目采用称重设备连续采集车辆类型数据对车辆当量换算系数进行计算，由于项目无法采集该数据，所以采用规范中的水平三要求，按规范附录表A.3.1-2和A.3.1-3中各类车辆非满载和满载比例的经验值和不同设计指标下满载和非满载的各类车辆当量设计累计轴载换算系数进行计算。方向系数DDF和车道系数LDF按规范附录A.2.4和A.2.5中要求分别取0.55和0.65。3.2.2各指标的确定本项目路面结构设计指标根据规范采用无机结合料稳定层层底拉应力和沥青混合料层永久变形量，根据规范附录B.2.1可知，验证无机结合料层底拉应力的无机结合料稳定层的疲劳开裂寿命的容许值计算公式如下：公式中季节性冻土调整系数按规范附录表B.1.1中取1.0；温度调整系数按规范附录G中取值1.38；无机结合料稳定类弯拉强度按规范表5.4.5中取1.4MPa；疲劳试验回归参数a、b，按规范表B.2.1-1中取13.24、12.52；现场综合修正系数按规范公式计算；目标可靠度β按规范表3.0.1中取1.28。根据规范中B.3.1可知，计算沥青混合料层永久变形量是按要求对沥青分层，分别计算各层的永久变形量后得到总的变形量，其计算公式如下：公式中沥青混合料层永久变形等效温度按规范附录G中取值为22.5℃；设计车道上当量设计累计轴载，按本文3.2.1进行计算；综合修正系数按规范中公式B.3.2-2计算；各层的沥青混合料车辙试验永久变形量按计算软件默认取值。当无机结合料稳定层的疲劳开裂寿命值＞无机结合料稳定层当量设计轴载累计次数，沥青混合料层永久变形量＜规范表3.0.6-1中的容许永久变形量，则拟定路面结构满足设计指标要求。若有任意一个设计指标不满足要求，则需调整拟定的路面结构，重新计算，直至各个设计指标满足规范要求。3.3运用HPDS对路面结构进行计算3.3.1交通参数输入将上述各项交通参数输入HPDS2017沥青路面结构设计与验算程序的交通量计算窗口中，计算出对应的累计当量轴载。图1交通参数输入窗口交通参数输入窗口中，通车至首次针对车辙维修的期限的选项为软件计算沥青混合料层累计当量轴次的时间，一般与路面结构设计使用年限保持一致。车辆类型的分布系数的计算，只需通过填写整体式货车与半挂式货车比例，软件将会根据新版规范选择对应TTC分类。车辆当量设计轴载换算系数的计算中，只需填写满载车辆所占比，其余为对应的确定值，本次按规范附录表A.3.1-2中取值，如上图1中所示。所有参数输入完成后即可输出各种路面结构设计指标验算时的设计年限内车道上的当量轴载累计值。本项目路面结构基层采用无机结合稳定类料，根据规范表6.2.1可知，该路面结构设计指标为无机结合料稳定层层底拉应力和沥青混合料层永久变形量,其验算时的当量设计轴载累计作用次数分别为：和。3.3.2路面结构参数输入本项目通过对现状路面结构的调查和路面结构的常用组合，初步拟定采用三层沥青面层+水泥稳定碎石基层+碎石垫层的路面结构，如下图2所示。图2路面结构参数输入窗口路面结构的模量参数的取值与老版规范有所区别，新规范规定沥青面层采用20℃、10Hz条件下的动态压缩模量值；无机结合料采用调整系数修正后的弹性模量，根据规范5.4.5中调整系数采用0.5；粒料层仍采用回弹模量，并考虑湿度的调整。路面结构计算各层模量、泊松比和无机结合料稳定类粒料弯拉强度按规范取值，如上图2所示。路基标准状态下回弹模量按原工程取值为40MPa,干湿循环或冻融循环作用下路基模量折减系数取0.9，按公路路基设计规范还需考虑湿度调整系数的影响。3.3.3输出路面结构计算结果本项目将第4层水泥稳定碎石层作为设计层，将上述参数输入HPDS计算软件，软件根据规范要求，直接输出满足设计指标的路面结构厚度，本项目计算得到的路面结构如下表1所示。表1路面结构细粒式沥青混凝土40mm中粒式沥青混凝土60mm粗粒式沥青混凝土80mm水泥稳定碎石400mm级配碎石150mm此时，水泥稳定碎石层的层底拉应力σ=0.197MPa，水泥稳定碎石层的疲劳开裂寿命为=轴次大于设计使用年限内设计车道上的当量设计轴载累计作用次数=轴次，无机结合料稳定层疲劳开裂验算满足设计要求。沥青混合料层永久变形量=12.45mm小于规范容许永久变形量=15mm，沥青混合料层永久变形量验算满足设计要求。该计算结果与采用老版规范的计算得出的结构厚度基本一致。新版规范对路面结构设计指标重新设定，弯沉不作为设计指标，但目前仍是重要的道路验收指标。本工程计算出路基顶面验收弯沉值为420.2(0.01mm)，路表验收弯沉值为31.9(0.01mm)。3.4路基回弹模量对结构计算的影响通过路面结构设计指标的计算公式可知，路基回弹模量的值对设计指标计算结果影响较小。以本项目为例，在其它设计参数相同的状况下，将路基标准状态下回弹模量取5MPa，计算出水泥稳定碎石层为48cm，在较差的路基状况下，仅增加8cm就满足了设计指标要求，所以个人认为该路面结构设计指标仅反映路面结构本身的强弱，无法反映道路整体路用性能，道路设计时需注意路基强度的要求。老版规范采用弯沉作为设计指标可反映道路路用性能的好坏，所以弯沉仍是道路验收和道路维修重要的参考指标。4总结本文按照2017版《公路沥青路面结构设计规范》中的设计要求选取对应的路面结构设计指标，结合工程案例，描述设计指标的计算过程与参数的选取，并与老版规范的计算要求对比。通过HPDS2017软件对公路沥青路面结构计算参数的输入和结果的输出，使设计人员对路面计算要求和HPDS2017软件的使用有一定