沥青路面结构的可靠度优化设计

张培贤，刘 宁，吴军军，李大明

(山东中咨公路咨询设计有限公司，山东 东营 257091)

沥青路面结构的可靠度优化设计

张培贤，刘 宁，吴军军，李大明

(山东中咨公路咨询设计有限公司，山东 东营 257091)

针对目前沥青路面结构进行可靠度设计过程中存在的问题影响，分析了研究沥青路面结构可靠度优化设计的现实意义与影响设计不稳定的具体因素，并提出了优化可靠度设计的方法策略，其目的是为相关建设者提供一些理论依据。结果表明，要想实现沥青路面结构的可靠度设计，相关人员应从问题角度入手，即在明确分析方法、设计过程以及施工过程存在的不确定因素情况下，使优化设计策略具有一定针对性。

沥青路面结构；可靠度；模型选择；遗传算法；弯沉设计

1 影响沥青路面结构可靠度设计不稳定因素分析

1.1 分析方法不确定性

以柔性路面采用的沥青混合料为例，设计人员利用其空隙率变异的概率进行了建模，并结合有限元模型、该理论以及仿真技术，来实现结构的可靠度控制。具体来说，就是利用随机场法和均一化法，通过量化空隙结构不确定性对沥青混合料力学性能的影响。结果表明，均一化方法的可靠度设计未开裂柔性路面性能的实际变异影响，即忽略了材料力学性能可能带来的不确定性。

1.2 设计过程不确定性

设计过程的不确定性主要体现在参数的不确定性，即交通参数、路面结构材料以及路面结构集合参数。其中交通参数是指，路面设置基准内，标准轴载累计作用次数的变异性；路面材料是指，结构各项物理力学性能因施工技术、施工管理水平以及材料的影响，而出现不缺性问题。这里的物理力学性能包括：路面结构层回弹模量、土基回弹模量以及整体性结构层的劈裂强度。此外，随着车流量的不断增加，载重问题导致交通参数变异统计变小，而现有的施工与管理水平，会导致材料性能与几何参数等统计值过大。而且，相关建设人员并未将现有的X射线CT成像技术作用于实际统计，这就使得设计过程存在的不确定性问题难以得到有效控制。

1.3 施工过程不确定性

经分析证实，施工参数的不确定性与沥青路面的施工质量密切相关，即不仅会对沥青路面使用性能造成影响，还会降低结构使用的耐久性。具体来说，当前沥青路面结构设计采用疲劳破坏原则，这就使得施工与设计要求不可避免的存在差异。这种情况，导致工程建成后的沥青路面疲劳寿命与设计疲劳寿命，也会出现一定差异。造成施工过程不确定性问题存在的原因为，施工材料的理论研究成果与建成后路面工程的实际效果偏差，甚至脱节。此问题的存在，是研究人员对实际施工成型路面的不确定因素考虑较少导致的。

2 优化沥青路面结构可靠度设计应用策略

2.1 优化可靠度设计模型选择

由于我国对沥青路面结构可靠度设计理念研究起步较晚，使得其因失效破坏而产生的成本费用，并未得到有效的控制。为此，结构可靠度设计人员应通过优化设计模型的选择，来避免造价成本提升所带来的影响。具体来说，目标函数为

约束条件为：s.t.pfl≤pfio

himin≤hi≤himax

公式中，si为各个沥青路面结构层的单价；hi为各个沥青路面结构层的厚度；n为沥青路面的结构层数；pfl为弯沉失效概率；pfio为弯沉容许失效概率。而后，经过上述建模公式后，再进行综合考虑各项费用，通过比选，最终，确定具有经济合理性的路面结构方案来进行设计优化与施工选用处理。

2.2 遗传算法应用控制

该方法主要根据进化论原理，其以应用效果的高效性、随机搜索性，广泛作用于各种结构设计的优化。具体来说，遗传算法将待解决的目标对象看成遗传学中的“染色体”，即代表二进制的编码串。同时，在执行遗传算法前，设计人员应通过给出一系列“染色体”，即问题假设，来将诸多不稳定因素纳入到其中。而后，就能将这些“染色体”解置于当前的问题环境中，并按照相应的规范标准，通过变异、交叉等方式，提高适应环境的效果。这样一来，众多不确定问题就能在交叉与变异过程中，实现设计控制手段的进化，从而选出一个最具环境适应效果的“染色体”，即基于沥青路面结构所处实际施工设计环境的可靠度优化设计方案。

2.3 弯沉设计方法

路面的功能函数，即路面的极限状态方程定义为：g=N-n。其中：N为路面的疲劳寿命；n为预估轴载重复作用次数，其可靠度R=P(g>0)=P(N>n)，公式中：ls为路表实际弯沉；lR为路表容许回弹弯沉。可见，采用lR-ls和N-n两种功能函数并无差异。因此，在沥青路面的可靠性分析中，弯沉的解析解是关于路面结构层模量、结构层厚度等参数的极为复杂的隐函数。为了对柔性路面进行可靠性分析，采用标准FORTRAN语言编制了计算机程序RELF1，该程序采用了概率分析中的蒙特卡洛模拟法，在每次模拟中，利用计算弯沉的简化公式来求三层体系路面结构双圆荷载轮隙中心点的弯沉值以及路面结构的疲劳寿命。

3 结束语

总体而言，我国道路工程的沥青路面结构建设市场已经呈现出多元化的发展趋势，其全面提升工程建设使用效果的同时，也为结构设计的科学合理性带来的新的要求与挑战。相关人员应加大可靠度设计的优化研究，即在明确缺陷的基础上，找出科学技术应用方向与重点。事实证明，只有这样，才能使沥青路面的可靠度优化设计达到工程项目对其结构作用效果提出的需求目标，从而缓解现代化经济建设给交通运输业发展带来的压力。为此，研究人员应结合工程建设的实际情况，采用具有针对性的可靠度优化设计策略，来降低市场环境的多元化发展对工程建设稳定性所带来的影响。

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U412

C

1008-3383(2017)10-0060-02

2017-08-01

张培贤(1986-)，男，工程师，研究方向：总体、路线、交通工程及沿线设施。