港区道路堆场水泥混凝土铺面结构设计方法

郭少锋

（山东港通工程管理咨询有限公司，山东 烟台 264000）

对于社会发展来说，港口码头等地区在社会经济发展过程中发挥着重要的作用和影响，但我国在过去很长一段时间之内，在港口码头地区中进行堆场以及道路的铺面设计与建设，常采用公路路面结构的设计方法，这其中由于港口码头地区在承载力以及使用频率方面都会远超公路，从而其中道路和堆场在结构方面更容易出现损坏，并且由于其使用过程与各方面都与公路有着较大的差异和区别，从而对于其建设的性能要求也必然要提高，所以沿用公路路面的结构设计与建设方式，会越来越不适应港区地区。为了解决这种实际问题，也为了保障社会经济稳定发展以及确保港区发挥重要作用，社会交通部门等相关组织开始着手研究对于港区道路和堆场的结构设计以及建设方法，并编制相应的设计与建设规范、标准。

1 荷载与设计标准

1.1 载荷

对于港区而言，由于其日常来往的机械车辆以及集装箱等重载荷设备，会加大港区的路面载荷压力，因此也会极大的影响水泥混凝土铺面结构的稳定性。其中影响较大的载荷有：装卸设备以及车辆等流动机械产生的载荷（主要是轮载）、定点堆放的集装箱对路面产生的压力载荷、定点装卸机械设备产生的载荷（支撑脚载荷或者轮载）等。

从而对于港区而言，流动机械种类多样，并且还会由于不同流动机械设备之间的轮距、吨位以及轮压等不同因素影响，产生不同程度的载荷压力。所以为了简化设计过程和降低不同设备轮载之间的设计误差，将港区内部流动机械的轮载产生的压力载荷分为6级，每个级别用标准单轮作为设计载荷，如表1所示。

将其他轮载的设计标准统一换算成设计载荷。

表1 港区流动机械轮载的分级

设计集装箱箱脚的载荷在50～220 kN之间，一般情况下，集装箱高度会在五层以下，箱脚尺寸为16.3 cm×17.5 cm，装卸机械设备的支架尺寸约为30 cm×30 cm，载荷在150～350 kN之间。

1.2 设计标准

对于港区混凝土铺面结构所产生的损坏形式一般会来自一次性极限损坏和长久使用之后出现的疲劳损坏。以此根据实际情况制定两种设计标准。所制定的设计标准的表达方式采用统一形式。具体为：允许载荷应力σa大于等于该标准的载荷应力σp。

式中：σp——载荷应力在动荷或者冲击效应载荷对混凝土铺面结构当中产生的最大弯拉应力，具体的计算公式即：

式中：Kd——冲击系数或者动荷；Kj——接缝之间的传动荷系数；σPs——最大弯拉压力于四边自由矩形板上形成的设计载荷。

从而在集装箱箱脚以及流动机械的轮载中允许的载荷应力σa可用下列公式表示：

式中：Kn、Kt、Kc、Kσ、σs——分别表示疲劳折减系数；温度应力折减系数；铺面等级系数；混凝土强度增长系数；混凝土标准设计弯拉强度。

2 载荷应力

2.1 四边自由矩形板的荷载应力

使用winkler地基上Riessenr厚板模型对四边自由矩形板的荷载应力进行计算。这当中对能够产生轮载和支脚荷载的流动机械来说，其临界荷载的位置，也就是产生载荷作用最大的位置，一般在于矩形板长边的边缘居中位置。而相对来说有固定行进通道的跨运车等，若是其中作用于长边边缘的轮胎能够有效地规避板块划分的位置，则产生的临界荷载的位置就会在短边边缘的居中位置。由此在港区内部常见的4 m×4 m的方板的标准载荷应力（σPs0）和板长的修正系数λ之间的乘积可以用来表示流动机械单轮和支脚在临界载荷位置所造成的载荷应力σPs。即：

2.2 接缝传荷修正系数

Kj即为接缝传荷修正系数，定义是四边自由板板边最大应力与接缝传荷最大应力的比值。因此接缝类型就成为影响Kj大小的主要因素。如表2所示为Kj系数在不同接缝类型中的推荐值。

表2 Kj系数在不同接缝类型中的推荐值

2.3 动荷和冲击效应

对于流动机械轮载随机波动产生的效应的动荷系数即为Rd，对于冲击系数则是由支脚载荷和箱脚载荷所产生。

从而产生动荷效应的流动机械，其应该将轮载与行驶速度进行正比，反之则是轮载量和铺面平整度的比较。在当轮载量处于p1和p2级别之间时（30～130 kN），Kd应该处在1.10～1.20之间。而在当轮载量处于p3和p6级别之间时（130～350 kN），应该采用1.05～1.10的Kd。

3 温度应力与温度应力折减系数

3.1 温度应力

对于港区内部的铺面结构来说，其中存在的温度应力通常是有内应力和板翘曲应力两种。其中内应力是由沿着板厚产生非线性变化的温度造成的；板翘曲应力是由板内温度发生梯度变化造成的。

这当中，对于结构温度产生应力系数的物力含义即为：单位温度梯度当中产生的板边温度应力值。其与板相对刚度和板长、板厚之比以及混凝土产生的弹性模量有直接的关系。如表3所示为我国沿海地区以及长江中下游流域五十年一遇的最大温度梯度值。

表3 我国沿海地区以及长江中下游流域五十年一遇的最大温度梯度值 /（℃/cm）

3.2 温度应力折减系数

在港区内部，堆场存放的集装箱，由于数量众多，因此太阳光不会直接照射到铺面的表面，从而温度应力可以直接忽略。即Kt≈1。

而对于支脚以及支腿所产生的一次性的具有极限作用的温度应力的折减系数可以定义为：1-σtm/σs=Kt。

对于流动机械本身的轮载所产生的温度应力折减系数为：1-σt（ζ）/σs。这其中代表疲劳温度应力的是σt（ζ）。其在物理方面的含义为：自身的载荷应力所产生的实际作用对铺面结构造成的疲劳损耗，等效于设计建设规定使用年限之内所造成的疲劳损坏（这方面的疲劳损坏是由使用期间的载荷应力与温度变化应力的共同作用造成）。因此对于港区内部的铺面温度应力变化，是随着使用年限的增加而呈现不同的变化，并且累积。其中日温度应力的变化用线性表示会呈现更规律的正弦曲线变化，年变化则跟随日变化形式随之变化。

4 混凝土强度增长系数

对于港区内部的混凝土铺面来说，其中混凝土结构的强度（抗折强度）会随着使用龄期的增长而增强。因此一般混凝土强度的设计为使用龄期28 d的抗折强度。从而可以得出，铺面混凝土强度随着使用年限增加而逐渐增加其强度，对于港区内部铺面结构的使用是非常有利的。

由此对于支腿载荷的考虑是根据设计标准中极限损坏程度的载荷量，以此将混凝土强度作为主要的设计值最为合适。由此σs（tt）和σs之间的比值用来表示Kσ（混凝土强度增长）。

从中集装箱的载荷与流动机械轮载所产生的疲劳损坏标准，用混凝土强度与设计标准强度的比值，以疲劳损耗系数Kσ进行定义。进而作：“在使用规定年限之内，铺面结构所受到的当量作用次数均匀分布”这一安全假设，Kσ就可以表示为：

式中：T—为铺面设计规定的使用年限；t1—铺面在开始使用期间的混凝土龄期。

以此主要的设计步骤应该在基于港区内部主要作业需求基础上，对不同分区进行不同设计载荷的确定，并考虑港区所在地区的最大温度梯度。以此根据这一基础对港区基层类型和厚度进行确定。之后再对混凝土的配合比进行设计，并考虑混凝土标准设计强度，对载荷应力和允许的载荷应力进行计算。

5 结语

对于港区的设计、建设和使用，对主要的道路和堆场等设计过程中，要充分考虑现场环境、材料以及温度影响等重要因素，以此在考虑全面的基础上，做好对载荷与设计标准的确定、载荷应力的计算、温度应力与温度应力折减系数的计算以及混凝土强度增长系数的计算，从而在做好基本的准备工作之后，展开具体的设计与建设，确保港区堆场以及道路的设计和建设能够在符合实际使用需求的同时发挥重要的作用。最终提升港口码头地区的使用效率，也提升经济效益。