摘要
为提升服务区形象和服务水平，排水式路面是一种较有效的解决方案。由于当前高速公路服务区道面结构设计缺乏明确的设计标准，针对服务区不同服务对象，调研并计算了不同典型荷载面积与压力值，构建了三维有限元模型，对不同典型荷载做了多种工况的布置，最后开展了不同透水混凝土结构组合方案下的结构力学行为研究。结果表明：对于带施工缝的水泥混凝土板，荷载作用于板角位置时层底应力最大，板中位置次之，板边位置最小；不同典型荷载下的混凝土层底拉应力差异较大，重车荷载下的层底应力是行人荷载工况的45~87倍，是小车荷载工况的9~11倍；透水混凝土结构面层厚度的增加可以有效减少面层层底应力，当透水混凝土层厚度到达0.13 m之后，面层层底拉应力的变化趋势明显变缓；考虑到透水混凝土结构的耐久性和排水效果，建议采用透水混凝土厚度为0.13 m的设计方案。
0 引 言
服务区作为高速公路综合性服务场所，对加强高速公路管理、推动区域经济效应、促进高速公路行业可持续发展具有重要意义。但在高速公路运营中发现，服务区的路面早期损坏严重，通车2~3 a后，往往开始出现各种病
现阶段服务区道路主要采用水泥混凝土路面，由于其具有强度高、刚度大等优点，可更好地抵御车辆频繁启停产生的剪切作
目前一些省份颁布了高速公路服务区设计指南，对服务区规划与场地等设计要求做了规定，但是对于服务区道面结构设计参数涉及较少，许多项目主要依靠经验来确定或直接采用主线路面结构方案，并未充分考虑服务区特殊的车辆荷载作用方式和服务功
1 模型构建
1.1 材料参数的确定
选取服务区典型路面结构方案：150 mm厚C35透水混凝土结构+250 mm厚C30普通水泥混凝土结构+150 mm厚水稳级配碎石层+土基，各结构层材料参数如
| 层位 | 结构层材料 | 厚度/ mm | 弹性 模量/ MPa | 泊松比 | 密度/ （kg· |
|---|---|---|---|---|---|
| — | 钢筋 | — | 210 000 | 0.3 | 2 500 |
| 上面层 | C35无机透水混凝土 | 150 | 31 500 | 0.2 | 2 500 |
| 下面层 | C30水泥混凝土 | 250 | 30 000 | 0.3 | 2 500 |
| 基层 | 水稳级配碎石层 | 150 | 1 500 | 0.25 | 2 500 |
| — | 土基 | — | 60 | 0.4 | 2 500 |
1.2 模型的建立
模型中的上部两层混凝土结构层齐缝相切，各路面结构接触为完全连续状态。中上层水泥混凝土板在纵向设置为3块，每块板长5.0 m，宽5.0 m，施工缝宽取4 mm。水稳层无施工缝，与土基完全连续，整体模型宽度取5 m，长度取15.008 m（含施工缝），土基厚度取5 m。在水泥混凝土板之间设置长度为0.4 m、直径为28 mm的传力杆，传力杆最大间距为0.3 m，插入深度取0.13 m。同时考虑到传力杆的传力作用，传力杆由钢筋进行模拟，通过嵌入接触于水泥混凝土中，一端完全固结，另一端只限制竖向自由度，其他方向自由。建立如
图1 透水混凝土路面模型
1.3 网格的划分
本文研究主要为面层结构，并综合考虑荷载逐层扩散后对基层、土基的影响规律，本模型遵循上密下疏的原则进行网格划分，采用的单元为减缩积分的三维线性六面体单元。经过前期的试算，本模型土基采用0.5 m×0.5 m尺寸进行划分，基层采用0.4 m×0.4 m的网格进行划分，传力杆采用0.2 m×0.2 m的网格处理，单元类型采用beam模拟。两面层采用0.3 m×0.3 m尺寸划分，在接缝位置处进行适当加密。同时，为了方便荷载的施加，在荷载施加区域进行分区设置，并对此区域进行适当加密处理，如
图2 模型网格划分结果
2 考虑服务区不同路段的荷载参数确定
考虑到服务区的不同分区服务功能，主要服务对象包括行人、小汽车、货车，因此，本模型围绕主要服务对象，分别选取的典型荷载如下。
（1）小车荷载：小汽车额定配重一般2 t（20 kN），单轮负荷一般为5 kN，接地面积约10 000 m
（2）行人荷载：以成年壮汉为例，体重取100 kg（1 kN），脚印长度约26 cm，宽度约10 cm，双脚印布置，步宽取10 cm。
（3）重车荷载：按照《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）规定的标准重车压力为0.7 MPa，单轮荷载为25 kN，单轮荷载面积为35 614.6 m
各类型的荷载分别在板中、板边及板角进行布置，具体布置方式如
（a） 板中荷载位置
（b） 板边荷载位置
（c） 板角荷载位置
图3 行人及重车荷载作用位置示意图
（a） 板中荷载位置
（b） 板边荷载位置
（c） 板角荷载位置
图4 小车荷载作用位置示意图
3 铺装结构的力学行为分析
3.1 小车荷载下结构响应
根据上述荷载布置方式进行小车荷载下结构应力响应分析，并按照上面层、下面层、基层底位置路径，提取C35透水混凝土结构层层底、C30水泥混凝土层底及级配水稳层的横向应力，不同荷载位置作用下各结构层力学响应见
（a） C35透水混凝土结构层
（b） C30水泥混凝土结构层
（c） 水稳级配碎石结构层
图5 不同位置的小车荷载下各结构层拉应力
由
3.2 行人荷载不同施加位置下的结构响应
通过在该路面结构施加不同位置处的行人荷载可以得到该结构的应力响应。分别对比不同位置处行人荷载下该路面结构的应力应变规律，具体见
（a） C35透水混凝土结构层
（b） C30水泥混凝土结构层
（c） 水稳级配碎石结构层
图6 不同位置的行人荷载下各结构层拉应力
由
3.3 重车荷载不同施加位置下的结构响应
分别对比不同位置处重车荷载下透水混凝土路面结构的应力规律，具体见
（a） C35透水混凝土结构层
（b） C30水泥混凝土结构层
（c） 水稳级配碎石结构层
图7 不同位置的重车荷载下各结构层横向拉应力
由
3.4 不同荷载在不利位置处层底应力对比
当荷载作用于水泥混凝土板角位置处时为最不利位置，可以得到荷载大小与C35透水混凝土结构层底和C30普通水泥混凝土结构层最大应力的关系，如
| 荷载类型 | 荷载大小 | 层底最大拉应力 |
|---|---|---|
| 行人 | 19.000 | -4.897 |
| 小车 | 500.000 | -47.704 |
| 重车 | 702.000 | -429.797 |
| 荷载类型 | 荷载大小 | 层底最大拉应力 |
|---|---|---|
| 行人 | 19.000 | 10.000 |
| 小车 | 500.000 | 40.000 |
| 重车 | 702.000 | 450.000 |
根据调研与相关试验，C35透水混凝土的28 d抗压强度≥35 MPa，28 d抗折强度≥4 MPa；而C30混凝土的28 d抗压强度≥30 MPa，28 d抗折强度≥4.5 MPa。由
3.5 不同厚度的透水混凝土结构层力学分析
在透水混凝土路面的设计中，最经济厚度的确定不仅关乎材料成本，还直接影响到道路的整体性能、维护成本及长期效益。通过分析重车荷载下的混凝土面层最大拉应力的相关规律，取100、110、120、130、140 mm的面层厚度在重车荷载位于板角位置处进行分析计算，路径取整个透水混凝土路面板最外侧，得到面层厚度随最大拉应力的关系，有助于确定透水混凝土层的最经济厚度，相应结果如
图8 混凝土面层层底拉应力随面层厚度变化
由
4 结语
本文针对服务区不同服务对象，调研并计算了不同典型荷载面积与压力值，构建了三维有限元模型，对不同典型荷载做了多种工况的布置，最后开展了不同透水混凝土结构组合方案下的结构力学行为研究，得出以下结论。
（1）对于带施工缝的水泥混凝土板，荷载作用于板角位置时层底应力最大，板中位置次之，板边位置最小。
（2）不同典型荷载下的混凝土层底拉应力差异较大，重车荷载下的层底应力是行人荷载工况的45~87倍，是小车荷载工况的9~11倍，应重点考虑重车荷载工况作用。
（3）透水混凝土结构面层厚度的增加可以有效减少面层层底应力，当透水混凝土层厚度到达0.13 m之后，面层层底拉应力的变化趋势明显变缓，考虑到透水混凝土结构的耐久性和排水效果，建议采用0.13 m厚度透水混凝土结构设计方案。
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