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[摘要]本文回顾了我国公路水泥混凝土路面不同時期的结构设计方法，比较和分析了1994年水泥混凝土路面结构设计方法与现行设计方法的差异，并就现行规范的设计方法——可靠性设计方法进行了分析。
[关键词]水泥混凝土路面；路面结构可靠度；水泥混凝土板厚
我国的公路路面设计规范，最早的为1958年交通部前公路总局制定的《路面设计规范》（草案），于1965年修订为《公路路面设计规范》(JT1004-64)，1984年又将其中的刚性路面部分修订为《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTJ012-84），1994年修订为《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTJ 012-94），自《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTJ 012－94)（以下简称旧规范）发布实施以来，我国水泥混凝土路面积累了高速公路和一级公路修筑水泥混凝土路面的实践经验，取得了水泥混凝土路面结构可靠度、路面结构排水等研究成果，使水泥混凝土路面的技术水平提高到一个新的层次。因此，为适应交通运输发展和公路建设的需要，提高水泥混凝土路面的设计质量和技术水平，交通部于200年12月4日正式发布了《公路水泥混凝土路面设计规范》［2］(JTG D40－2002)（以下简称现行规范），以保证工程安全可靠、经济合理。
1.旧规范设计方法及其不足之处
我国1984年和1994年《公路水泥混凝土路面设计规范》中采用的结构厚度设计方法是一种确定型的方法：即输入给定的材料和结构参数、交通参数与环境参数设计值，通过结构分析，得到在设计使用期内满足控制疲劳断裂要求所需的结构厚度。然而，在设计、施工和养护过程中，材料性质的变异、结构性质和几何尺寸的变异，使混凝土路面的力学性质和使用性能包含着众多的不确定性，具有随机性。同时，路面结构所处的环境和所承受的行车荷载，也发生着随机的变化，对它们在设计使用期内的影响和作用所作的预估，包含着更大的不确定性。路面结构设计理论和计算公式同路面实际情况之间还存在着一定程度的偏差。对于上述这些不确定性，传统的设计方法通过采用安全系数来加以考虑，也即对路面结构的抗力进行某种程度的缩小，或者对所承受的外部作用给予某种程度的放大。安全系数的选定，主要依赖于工程实践经验的积累，所以，按这种方法设计路面结构时，并不清楚各项设计参数的变异程度，以及它们对所设计路面结构的影响程度，不明确所设计路面的结构应达到的可靠度，也不了解该设计结构实际具有或可能达到的可靠度。所以，对设计结果的把握程度是较低的，或者是模糊的。
2.路面结构可靠度设计方法的特点
以概率为基础的结构可靠度理论最突出的特点是承认和揭示了结构属性中存在着不确定性，把影响结构可靠性的各种因素当作随机变量，使它们恢复了固有的自然特性，并通过数据得到这种客观变异性。这种采用可靠度计算的方法也就是通过实测和统计，用可靠性数学理论，计算出结构可靠度失效概率Pt或可靠度指标β来衡量结构的安全水平，这一理论已在工程各个领域得到广泛应用。在现行规范中，已把可靠度理论引入路面设计规范中，用可靠度系数γr代替了旧规范中的安全系数。现行规范以“概率极限状态设计法”取代了旧规范的“定值设计法”，即在量度路面结构可靠性上由经验方法转变为运用统计数学的方法，从而使路面结构更为符合实际情况，更科学合理。
可靠度设计方法能将设计和施工有机的结合在一起，设计时既考虑了设计公路的等级和重要性，又能根据不同的施工技术和管理水平提出不同的设计结果和要求，从而便于对路面施工单位提出具体的要求，并且在施工过程中通过控制某些技术参数使路面结构实现预定的设计功能。
因此，在路面设计中采用可靠度概率型设计方法，考虑路面各种设计参数的变异性影响，并根据路面的实际损伤状况调查，评估路面所处的极限状态，利用检验数据对不相符的偏差进行修正和调整，可以使设计出的水泥混凝土路面结构的可靠性和使用性能在其设计使用期内满足要求，并能使设计同施工质量和管理水平紧密地结合起来，促使我国混凝土路面施工和管理水平的提高及路面使用性能的改善。
3.现行规范的设计方法——可靠性设计方法
与旧规范相比，现行规范采用可靠性设计方法，计入了设计参数变异性的影响，并根据实际路面损坏状况调查结果对设计方法与实际情况的不相符偏差做了部分修正［3］。
3.1 路面结构可靠度的定义结合路面结构的特点，其可靠度定义为:在规定的设计使用期内，在规定的交通和环境条件下，路面使用性能满足预定水平要求的概率。
3.3 路面结构设计不确定性的构成。水泥混凝土路面结构的不确定性反映在空间和时间两方面：路面结构的时间不确定性具有渐变性和随机性：混凝土材料强度随时间的增长和结构使用性能随时间的衰退都是渐变的，而环境和交通荷载条件随时间变化是具有随机性的；路面结构的空间不确定性表现在路面材料性能、结构层的厚度以及承受荷载在空间上的分布特点等。水泥混凝土路面的不确定性来源主要分为三类［5］：(1)路面结构设计参数的变异性。主要包括:路面材料的性能、结构的几何尺寸、环境和荷载条件等；(2)交通荷载的预估偏差。主要包括：轴载换算误差和交通量或轴载的年平均增长率的估计偏差；(3)设计方法与实际情况的不相符性，主要由于设计方法中众多的假定和近似处理引起的。各种不确定性对路面结构可靠性的影响是不同的，对各种不确定性的处理方法也是不相同的。
4.结语
现行规范引入了结构可靠度，改确定性设计方法为可靠性设计方法，考虑了结构设计参数变异性的影响，对设计方法与实际情况之间的不相符偏差做了修正，实现了安全和经济的统一，这对提高设计和施工质量管理水平均有积极意义。通过示例计算和对比可以看出，现行规范方法下的普通水泥混凝土路面面层设计厚度在不同的变异水平下，对应不同的设计厚度，其中对应中等变异水平的设计值相当于旧规范方法设计值，对应低等变异水平的设计值较旧规范的设计值偏薄约1cm，对应高等变异水平的设计值较旧规范的设计值偏厚约1cm。
参考文献
［1]《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTJ 012－94）.
［2]《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40－2002）.
［3]刘伯莹，姚祖康，《公路水泥混凝土路面设计规范》修订综述，公路，2002.8(8):1～6.
［4]谈至明，姚祖康，刘伯莹，水泥混凝土路面结构可靠性设计方法，公路，2002.8(8):7～10.
［5]李珍玉，可靠度理论在水泥混凝土路面工程中的应用和研究，湖南，湖南大学硕士学位论文，2005年.
［6] 陈恺，王春雷，张宁，水泥砼路面设计新旧规范对比分析，公路，2006.4(4):144～148.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文”
[关键词]水泥混凝土路面；路面结构可靠度；水泥混凝土板厚
我国的公路路面设计规范，最早的为1958年交通部前公路总局制定的《路面设计规范》（草案），于1965年修订为《公路路面设计规范》(JT1004-64)，1984年又将其中的刚性路面部分修订为《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTJ012-84），1994年修订为《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTJ 012-94），自《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTJ 012－94)（以下简称旧规范）发布实施以来，我国水泥混凝土路面积累了高速公路和一级公路修筑水泥混凝土路面的实践经验，取得了水泥混凝土路面结构可靠度、路面结构排水等研究成果，使水泥混凝土路面的技术水平提高到一个新的层次。因此，为适应交通运输发展和公路建设的需要，提高水泥混凝土路面的设计质量和技术水平，交通部于200年12月4日正式发布了《公路水泥混凝土路面设计规范》［2］(JTG D40－2002)（以下简称现行规范），以保证工程安全可靠、经济合理。
1.旧规范设计方法及其不足之处
我国1984年和1994年《公路水泥混凝土路面设计规范》中采用的结构厚度设计方法是一种确定型的方法：即输入给定的材料和结构参数、交通参数与环境参数设计值，通过结构分析，得到在设计使用期内满足控制疲劳断裂要求所需的结构厚度。然而，在设计、施工和养护过程中，材料性质的变异、结构性质和几何尺寸的变异，使混凝土路面的力学性质和使用性能包含着众多的不确定性，具有随机性。同时，路面结构所处的环境和所承受的行车荷载，也发生着随机的变化，对它们在设计使用期内的影响和作用所作的预估，包含着更大的不确定性。路面结构设计理论和计算公式同路面实际情况之间还存在着一定程度的偏差。对于上述这些不确定性，传统的设计方法通过采用安全系数来加以考虑，也即对路面结构的抗力进行某种程度的缩小，或者对所承受的外部作用给予某种程度的放大。安全系数的选定，主要依赖于工程实践经验的积累，所以，按这种方法设计路面结构时，并不清楚各项设计参数的变异程度，以及它们对所设计路面结构的影响程度，不明确所设计路面的结构应达到的可靠度，也不了解该设计结构实际具有或可能达到的可靠度。所以，对设计结果的把握程度是较低的，或者是模糊的。
2.路面结构可靠度设计方法的特点
以概率为基础的结构可靠度理论最突出的特点是承认和揭示了结构属性中存在着不确定性，把影响结构可靠性的各种因素当作随机变量，使它们恢复了固有的自然特性，并通过数据得到这种客观变异性。这种采用可靠度计算的方法也就是通过实测和统计，用可靠性数学理论，计算出结构可靠度失效概率Pt或可靠度指标β来衡量结构的安全水平，这一理论已在工程各个领域得到广泛应用。在现行规范中，已把可靠度理论引入路面设计规范中，用可靠度系数γr代替了旧规范中的安全系数。现行规范以“概率极限状态设计法”取代了旧规范的“定值设计法”，即在量度路面结构可靠性上由经验方法转变为运用统计数学的方法，从而使路面结构更为符合实际情况，更科学合理。
可靠度设计方法能将设计和施工有机的结合在一起，设计时既考虑了设计公路的等级和重要性，又能根据不同的施工技术和管理水平提出不同的设计结果和要求，从而便于对路面施工单位提出具体的要求，并且在施工过程中通过控制某些技术参数使路面结构实现预定的设计功能。
因此，在路面设计中采用可靠度概率型设计方法，考虑路面各种设计参数的变异性影响，并根据路面的实际损伤状况调查，评估路面所处的极限状态，利用检验数据对不相符的偏差进行修正和调整，可以使设计出的水泥混凝土路面结构的可靠性和使用性能在其设计使用期内满足要求，并能使设计同施工质量和管理水平紧密地结合起来，促使我国混凝土路面施工和管理水平的提高及路面使用性能的改善。
3.现行规范的设计方法——可靠性设计方法
与旧规范相比，现行规范采用可靠性设计方法，计入了设计参数变异性的影响，并根据实际路面损坏状况调查结果对设计方法与实际情况的不相符偏差做了部分修正［3］。
3.1 路面结构可靠度的定义结合路面结构的特点，其可靠度定义为:在规定的设计使用期内，在规定的交通和环境条件下，路面使用性能满足预定水平要求的概率。
3.3 路面结构设计不确定性的构成。水泥混凝土路面结构的不确定性反映在空间和时间两方面：路面结构的时间不确定性具有渐变性和随机性：混凝土材料强度随时间的增长和结构使用性能随时间的衰退都是渐变的，而环境和交通荷载条件随时间变化是具有随机性的；路面结构的空间不确定性表现在路面材料性能、结构层的厚度以及承受荷载在空间上的分布特点等。水泥混凝土路面的不确定性来源主要分为三类［5］：(1)路面结构设计参数的变异性。主要包括:路面材料的性能、结构的几何尺寸、环境和荷载条件等；(2)交通荷载的预估偏差。主要包括：轴载换算误差和交通量或轴载的年平均增长率的估计偏差；(3)设计方法与实际情况的不相符性，主要由于设计方法中众多的假定和近似处理引起的。各种不确定性对路面结构可靠性的影响是不同的，对各种不确定性的处理方法也是不相同的。
4.结语
现行规范引入了结构可靠度，改确定性设计方法为可靠性设计方法，考虑了结构设计参数变异性的影响，对设计方法与实际情况之间的不相符偏差做了修正，实现了安全和经济的统一，这对提高设计和施工质量管理水平均有积极意义。通过示例计算和对比可以看出，现行规范方法下的普通水泥混凝土路面面层设计厚度在不同的变异水平下，对应不同的设计厚度，其中对应中等变异水平的设计值相当于旧规范方法设计值，对应低等变异水平的设计值较旧规范的设计值偏薄约1cm，对应高等变异水平的设计值较旧规范的设计值偏厚约1cm。
参考文献
［1]《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTJ 012－94）.
［2]《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40－2002）.
［3]刘伯莹，姚祖康，《公路水泥混凝土路面设计规范》修订综述，公路，2002.8(8):1～6.
［4]谈至明，姚祖康，刘伯莹，水泥混凝土路面结构可靠性设计方法，公路，2002.8(8):7～10.
［5]李珍玉，可靠度理论在水泥混凝土路面工程中的应用和研究，湖南，湖南大学硕士学位论文，2005年.
［6] 陈恺，王春雷，张宁，水泥砼路面设计新旧规范对比分析，公路，2006.4(4):144～148.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文”