CN103344509B - 一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法，包括以下步骤：一、桥面铺装层剪应力计算；二、各沥青混合料铺装层剪应力及剪应力分配比例确定；三、各沥青混合料铺装层温度确定；四、各月累计标准轴载次数与行车速度设定；五、各沥青混合料铺装层的容许车辙深度计算；六、各沥青混合料铺装层所采用沥青混合料的直接剪切强度容许值确定；七、结果输出。本发明方法步骤简单、设计合理、投入成本低且使用操作简便、使用效果好，能有效解决现有的沥青混合料抗剪强度容许值确定方法存在的不能体现交通量、行车速度、气温和力学响应等对车辙影响的缺陷。

Description

一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法

技术领域

本发明涉及一种桥面沥青混合料铺装技术领域，尤其是涉及一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法。

背景技术

近年来，我国公路桥梁建设快速发展，桥梁结构不断创新，大跨径桥梁不断涌现。由于苛刻的使用条件和设计缺陷，加之过大的交通量和严重超载，由剪切变形引起的失稳性车辙是桥面沥青铺装层的主要病害，它是由结构层的剪应力超过混合料的抗剪强度引起的。因此，桥面铺装沥青混合料的抗剪强度应大于容许值，以保证在设计寿命内经温度和行车的累积作用后，路面车辙深度仍小于容许值，当混合料的性能不满足要求时，可采用添加抗车辙剂、使用改性沥青、优化混合料设计等措施提高其性能，使得大于容许值。

现有的沥青混合料的抗剪强度容许值的确定方法如下：测试沥青混合料的抗剪强度，将沥青混合料的抗剪强度除以结构安全系数得到容许抗剪强度，结构安全系数一般取为1.2。但上述现有方法不能体现交通量、行车速度、气温和力学响应等对车辙的影响，因而所确定的抗剪强度容许值不准确。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法，其方法步骤简单、设计合理、投入成本低且使用操作简便、使用效果好，能有效解决现有的沥青混合料抗剪强度容许值确定方法存在的不能体现交通量、行车速度、气温和力学响应等对车辙影响的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、桥面铺装层剪应力计算：采用有限元软件建立需施工桥面铺装层的有限元分析模型，并利用所建立的有限元分析模型计算出标准轴载作用下需施工桥面铺装层不同深度处的最大剪应力；所述需施工桥面铺装层由上至下分为N个沥青混合料铺装层，其中N为正整数且N≥1；

步骤二、各沥青混合料铺装层剪应力及剪应力分配比例确定：根据步骤一中计算得出的标准轴载作用下需施工桥面铺装层不同深度处的最大剪应力，对N个所述沥青混合料铺装层的最大剪应力分别进行确定；其中，任一个所述沥青混合料铺装层的最大剪应力τ_i均为该沥青混合料铺装层不同深度处最大剪应力的最大值，i为正整数且i=1、2、…、N；之后，采用数据处理器且根据公式计算得出第i个所述沥青混合料铺装层的剪应力分配比例c_i；

步骤三、各沥青混合料铺装层温度确定：根据第i个所述沥青混合料铺装层中间深度处的位置，并结合需施工桥面铺装层所处地区一年内第j个月份的月平均气温M_MATj，对第i个所述沥青混合料铺装层在一年内第j个月份的月平均温度M_MPTij进行确定；其中，j为正整数且j=1、2、…、12；

步骤四、采用与所述数据处理器相接的参数输入单元，对需施工桥面铺装层的设计使用年限n、投入使用后第一年内的累计标准轴载次数N₁和行车速度v分别进行设定，其中n为正整数，行车速度v的单位为km/h；之后，所述数据处理器根据公式计算得出需施工桥面铺装层投入使用后第一年的月平均累计标准轴载次数N_1m，并根据预先设定的年交通量增长率对需施工桥面铺装层投入使用后第t年的累计标准轴载次数N_t进行计算，式中t=1、2、…、n；然后，所述数据处理器根据公式计算得出需施工桥面铺装层投入使用后第t年的月平均累计标准轴载次数N_tm；

步骤五、各沥青混合料铺装层的容许车辙深度计算：采用所述数据处理器且根据公式D_i=c_i×D，计算得出第i个所述沥青混合料铺装层的容许车辙深度D_i；式中，D为预先通过所述参数输入单元输入的需施工桥面铺装层的路面容许车辙深度；

步骤六、各沥青混合料铺装层所采用沥青混合料的直接剪切强度容许值确定，过程如下：

步骤601、沥青混合料直接剪切强度初始值设定：采用所述参数输入单元输入需施工桥面铺装层所采用沥青混合料的直接剪切强度初始值，且将所输入的直接剪切强度初始值另存为τ₀；

步骤602、各沥青混合料铺装层所对应的沥青混合料直接剪切强度容许值计算：采用所述数据处理器计算得出各沥青混合料铺装层所对应的沥青混合料直接剪切强度容许值，计算得出的各沥青混合料铺装层所对应的沥青混合料直接剪切强度容许值分别记为τ₁₀、τ₂₀、…、τ_N0；并且需施工桥面铺装层中所有沥青混合料铺装层所对应沥青混合料直接剪切强度容许值的计算方法均相同；

其中，采用所述数据处理器对第i个所述沥青混合料铺装层所对应的沥青混合料直接剪切强度容许值进行计算时，过程如下：

步骤Ⅰ、投入使用后第一个月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估车辙深度计算：首先，根据步骤三中所确定的第i个所述沥青混合料铺装层在一年内第j个月份的月平均温度M_MPTij，对第i个所述沥青混合料铺装层投入使用后第一个月份的月平均温度T_i1进行确定；之后，调用预先建立的路面车辙深度预估模型，并根据温度T_i1、第i个所述沥青混合料铺装层的最大剪应力τ_i、投入使用后第一年的月平均累计标准轴载次数N_1m以及通过所述参数输入单元预先输入的第i个所述沥青混合料铺装层的层厚d_i和行车速度v，计算得出投入使用后第一个月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估车辙深度RD_i1；

步骤Ⅱ、投入使用后第s月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估车辙深度计算：首先，根据投入使用后第s-1个月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估累积车辙深度RD_s-1和第i个所述沥青混合料铺装层投入使用后第s个月份的月平均温度T_is，并利用所述路面车辙深度预估模型反推出预估车辙深度RD_i(s-1)所对应的历史累计等效轴载作用次数N_pis，其中T_is根据步骤三中所确定的第i个所述沥青混合料铺装层在一年内第j个月份的温度M_MPTj进行确定；之后，根据公式N_is=N_pis+N_ism计算得出投入使用后第s个月末第i个所述沥青混合料铺装层的历史累计轴载作用次数N_is，式中N_ism为投入使用后第s个月的月平均累计标准轴载次数，且N_ism根据步骤四中所述的N_1m和N_tm进行确定；然后，利用所述路面车辙深度预估模型，并结合月平均温度T_is、第i个所述沥青混合料铺装层的最大剪应力τ_i、历史累计轴载作用次数N_is以及通过所述参数输入单元预先输入的第i个所述沥青混合料铺装层的层厚d_i和行车速度v，计算得出投入使用后第s个月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估车辙深度RD_is；

步骤Ⅲ、多次重复步骤Ⅱ，直至计算得出投入使用后第12×n个月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估车辙深度RD_i（12×n），计算得出的RD_i（12×n）为沥青混合料的直接剪切强度为τ₀时第12×n个月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估车辙深度；

步骤Ⅳ、判断RD_i（12×n）是否大于D_i：当判断得出步骤Ⅲ中计算得出的RD_i（12×n）≤D_i时，进入步骤Ⅴ；否则，进入步骤Ⅵ；

步骤Ⅴ、直接剪切强度减小调整判断，过程如下：

步骤5-1、τ₀减小调整：根据公式τ_i0p=τ₀-Δτ计算得出调整后的τ_i0p，并将τ_i0p转存为τ₀以对沥青混合料的直接剪切强度值进行实时更新；Δτ为预先通过所述参数输入单元输入的直接剪切强度调整幅值；

步骤5-2、重复步骤Ⅰ至步骤Ⅲ，计算得出沥青混合料的直接剪切强度为步骤5-1中调整后的τ₀时第12×n个月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估车辙深度RD_i（12×n）；

步骤5-3、判断RD_i（12×n）是否大于D_i：当判断得出步骤5-2中计算得出的RD_i（12×n）≤D_i时，返回步骤5-1；反之，根据公式τ_i0=τ₀+Δτ计算得出τ_i0，之后进入步骤Ⅶ；

步骤Ⅵ、直接剪切强度增大调整判断，过程如下：

步骤6-1、τ₀增大调整：根据公式τ_i0q＝τ₀＋Δτ计算得出调整后的τ_i0q，并将τ_i0q转存为τ₀以对沥青混合料的直接剪切强度值进行实时更新；Δτ为预先通过所述参数输入单元输入的直接剪切强度调整幅值；

步骤6-2、重复步骤Ⅰ至步骤Ⅲ，计算得出沥青混合料的直接剪切强度为步骤6-1中增大调整后的τ₀时第12×n个月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估车辙深度RD_i（12×n）；

步骤6-3、判断RD_i（12×n）是否大于D_i：当判断得出步骤6-2中计算得出的RD_i（12×n）＞D_i时，返回步骤6-1；反之，根据公式τ_i0=τ₀得出τ_i0，之后进入步骤Ⅶ；

步骤Ⅶ、结果输出：将计算得出的τ_i0输出，所输出的τ_i0为第i个所述沥青混合料铺装层所对应的沥青混合料直接剪切强度容许值；

步骤七、沥青混合料直接剪切强度容许值确定：将步骤602中计算得出的τ₁₀、τ₂₀、…、τ_N0输出，并作为需施工桥面铺装层中各沥青混合料铺装层所采用沥青混合料的直接剪切强度容许值。

上述一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法，其特征是：步骤三中对第i个所述沥青混合料铺装层在一年内第j个月份的月平均温度M_MPTij进行确定时，采用所述数据处理器且根据公式进行确定，式中M_MATj和M_MPTij的单位均为℉；z为需施工桥面铺装层的路表至第i个所述沥青混合料铺装层的中间深度处的深度，z的单位为in，1in＝2.54cm。

上述一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法，其特征是：步骤Ⅰ和步骤Ⅱ中所述的路面车辙深度预估模型为 $\mathrm{RD}=6.714\×{10}^{-11}\×{N_i}^{0.6247}{T_i}^{5.2702}{d_i}^{0.5542}{\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_i}{{\mathrm{\τ}}_0}\right)}^{1.9279}{\left(\frac{v}{20}\right)}^{-(m+1)},$ m为沥青混合料的蠕变参数且m=-1.0～0，i为正整数且i=1、2、…、N，d_i的单位为cm；步骤Ⅰ中N_i=N_1m，T_i=T_i1，且步骤Ⅰ中计算得出的RD记为RD_i1；步骤Ⅱ中N_i=N_is，T_i=T_is，且步骤Ⅱ计算得出的RD记为RD_is；步骤Ⅱ中利用所述路面车辙深度预估模型对历史累计等效轴载作用次数N_pis进行反推时，根据公式 $N_{\mathrm{pis}}={\left[\frac{{\mathrm{RD}}_{i(s-1)}}{6.714\×{10}^{-11}{T_{\mathrm{is}}}^{5.2702}{d_i}^{0.5542}{\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_i}{{\mathrm{\τ}}_0}\right)}^{1.9279}{\left(\frac{v}{20}\right)}^{-(m+1)}}\right]}^{\frac{1}{0.6247}}$ 进行计算。

上述一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法，其特征是：步骤一中所述的标准轴载为双圆垂直均布荷载。

上述一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法，其特征是：步骤5-1和步骤6-1中所述的Δτ=0.003Mpa～0.01Mpa。

上述一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法，其特征是：m=-0.5。

上述一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法，其特征是：步骤一中所述有限元分析软件为ANSYS有限元分析软件。

上述一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法，其特征是：步骤四中需施工桥面铺装层投入使用后各年的年交通量增长率均为γ，对需施工桥面铺装层投入使用后第t年的累计标准轴载次数N_t进行计算时，根据公式N_t=(1+γ)×N_t-1进行计算，式中N_t-1为需施工桥面铺装层投入使用后第t-1年内的累计标准轴载次数；其中γ=5%～35%。

上述一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法，其特征是：所述双圆垂直均布荷载的接地压力为0.7MPa、直径为0.213m且双圆圆心距离为1.5倍直径；标准轴载作用下需施工桥面铺装层不同深度处的最大剪应力为所述双圆垂直均布荷载的双圆轮隙中心下方不同深度处的最大剪应力。

上述一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法，其特征是：步骤五中D=15mm或20mm。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、设计合理、操作简便且实现方便，大幅度简化了桥面铺装沥青混合料之间剪切强度容许值的确定过程，节省了大量的人力物力，并且无需借助任何试验数据便可自动完成。

2、计算精度较高。

3、实用价值高，能简便投入实际施工过程中进行应用，并且所施工的桥面铺装层不仅能满足实际使用年限，并且经济效益显著，是一种最有效、最精准、最节约的直接剪切强度容许值确定方法。

4、推广应用前景广泛且适用面广，能有效适用至各类桥梁上所设置桥面铺装层的施工过程中。

综上所述，本发明设计合理、投入成本低且使用操作简便、使用效果好，所确定的直接剪切强度容许值与所施工桥面铺装层的使用寿命、结构层位、温度、行车速度和力学响应相关联，不仅能为桥面铺装沥青混合料的高温性能检验提供标准值，而且能实现桥面沥青铺装层因剪切破坏引起的失稳性车辙的结构与材料一体化控制，延长了桥面铺装沥青铺装层的使用寿命。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的方法流程框图。

图2为本发明施工完成桥面铺装层在设计使用年限内各年的预估车辙深度示意图。

具体实施方式

如图1所示的一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法，包括以下步骤：

步骤一、桥面铺装层剪应力计算：采用有限元软件建立需施工桥面铺装层的有限元分析模型，并利用所建立的有限元分析模型计算出标准轴载作用下需施工桥面铺装层不同深度处的最大剪应力。所述需施工桥面铺装层由上至下分为N个沥青混合料铺装层，其中N为正整数且N≥1。

本实施例中，N=2。所述需施工桥面铺装层由上至下分为两个所述沥青混合料铺装层，两个所述沥青混合料铺装层分别为上面层和下面层。

实际施工时，可以根据具体需要，对N的取值大小进行相应调整。

本实施例中，所述有限元分析软件为ANSYS有限元分析软件。

实际使用时，也可以采用其它类型的有限元分析软件。

本实施例中，步骤一中所述的标准轴载为双圆垂直均布荷载。所述双圆垂直均布荷载的接地压力为0.7MPa、直径为0.213m且双圆圆心距离为1.5倍直径；标准轴载作用下需施工桥面铺装层不同深度处的最大剪应力为所述双圆垂直均布荷载的双圆轮隙中心下方不同深度处的最大剪应力。

标准轴载作用下需施工桥面铺装层不同深度处的最大剪应力的单位为Mpa，不同深度处为从需施工桥面铺装层的路表直至底部且以1cm为间隔的不同位置。其中，需施工桥面铺装层的路表为需施工桥面铺装层的上表面。

实际操作过程中，当所施工桥梁为多跨时，则只需采用有限元软件建立所施工桥梁中单跨梁上所施工需施工桥面铺装层的有限元分析模型。

步骤二、各沥青混合料铺装层剪应力及剪应力分配比例确定：根据步骤一中计算得出的标准轴载作用下需施工桥面铺装层不同深度处的最大剪应力，对N个所述沥青混合料铺装层的最大剪应力分别进行确定；任一个所述沥青混合料铺装层的最大剪应力τ_i均为该沥青混合料铺装层不同深度处最大剪应力的最大值，i为正整数且i=1、2、…、N；之后，采用数据处理器且根据公式计算得出第i个所述沥青混合料铺装层的剪应力分配比例c_i。

步骤三、各沥青混合料铺装层温度确定：根据第i个所述沥青混合料铺装层中间深度处的位置，并结合需施工桥面铺装层所处地区一年内第j个月份的月平均气温M_MATj，对第i个所述沥青混合料铺装层在一年内第j个月份的月平均温度M_MPTij进行确定；其中，j为正整数且j=1、2、…、12。

其中，根据第i个所述沥青混合料铺装层中间深度处的位置对月平均温度M_MPTij进行确定时，具体是根据路表（即需施工桥面铺装层上表面）至第i个所述沥青混合料铺装层的中间深度处的深度进行确定。

本实施例中，步骤三中对第i个所述沥青混合料铺装层在一年内第j个月份的月平均温度M_MPTij进行确定时，采用所述数据处理器且根据公式进行确定，式中M_MATj和M_MPTij的单位均为℉；z为需施工桥面铺装层的路表至第i个所述沥青混合料铺装层的中间深度处的深度，z的单位为in，1in＝2.54cm。

步骤四、采用与所述数据处理器相接的参数输入单元，对需施工桥面铺装层的设计使用年限n、投入使用后第一年内的累计标准轴载次数N₁和行车速度v分别进行设定，其中n为正整数，行车速度v的单位为km/h；之后，所述数据处理器根据公式计算得出需施工桥面铺装层投入使用后第一年的月平均累计标准轴载次数N_1m，并根据预先设定的年交通量增长率对需施工桥面铺装层投入使用后第t年的累计标准轴载次数N_t进行计算，式中t=1、2、…、n；然后，所述数据处理器根据公式计算得出需施工桥面铺装层投入使用后第t年的月平均累计标准轴载次数N_tm。

本实施例中，步骤四中需施工桥面铺装层投入使用后各年的年交通量增长率均为γ，对需施工桥面铺装层投入使用后第t年的累计标准轴载次数N_t进行计算时，根据公式N_t=(1+γ)×N_t-1进行计算，式中N_t-1为需施工桥面铺装层投入使用后第t-1年内的累计标准轴载次数；其中γ=5%～35%。

其中，投入使用后第一年内的累计标准轴载次数N₁为投入使用后第一年内步骤一中所述标准轴载的当量轴次。对投入使用后第一年内的累计标准轴载次数N₁进行设定时，按照《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2004）上所公开的换算方法，将投入使用后第一年内的各级轴载换算为投入使用后第一年内步骤一中所述标准轴载的当量轴次N₁。

之后，根据设计年限n和年交通量增长率γ，且按照《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2004）的计算方法，计算出设计使用年限内需施工桥面铺装层投入使用后第t年的累计标准轴载次数N_t。其中γ=5%～35%，实际使用时，可根据具体需要，对γ的取值大小进行相应调整。

本实施例中，行车速度v为需施工桥面铺装层所处公路的公路设计速度。

步骤五、各沥青混合料铺装层的容许车辙深度计算：采用所述数据处理器且根据公式D_i=c_i×D，计算得出第i个所述沥青混合料铺装层的容许车辙深度D_i；式中，D为预先通过所述参数输入单元输入的需施工桥面铺装层的路面容许车辙深度。

本实施例中，D=15mm或20mm。

按照《公路技术状况评定标准》（JTG H20-2007），高速公路和一级公路的路面容许车辙深度[R₀]（即D）为15mm，其它公路等级的路面容许车辙深度[R₀]（即D）为20mm。

步骤六、各沥青混合料铺装层所采用沥青混合料的直接剪切强度容许值确定，过程如下：

步骤601、沥青混合料直接剪切强度初始值设定：采用所述参数输入单元输入需施工桥面铺装层所采用沥青混合料的直接剪切强度初始值，且将所输入的直接剪切强度初始值另存为τ₀。

步骤602、各沥青混合料铺装层所对应的沥青混合料直接剪切强度容许值计算：采用所述数据处理器计算得出各沥青混合料铺装层所对应的沥青混合料直接剪切强度容许值，计算得出的各沥青混合料铺装层所对应的沥青混合料直接剪切强度容许值分别记为τ₁₀、τ₂₀、…、τ_N0；并且需施工桥面铺装层中所有沥青混合料铺装层所对应沥青混合料直接剪切强度容许值的计算方法均相同。

其中，采用所述数据处理器对第i个所述沥青混合料铺装层所对应的沥青混合料直接剪切强度容许值进行计算时，过程如下：

步骤Ⅰ、投入使用后第一个月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估车辙深度计算：首先，根据步骤三中所确定的第i个所述沥青混合料铺装层在一年内第j个月份的月平均温度M_MPTij，对第i个所述沥青混合料铺装层投入使用后第一个月份的月平均温度T_i1进行确定；之后，调用预先建立的路面车辙深度预估模型，并根据温度T_i1、第i个所述沥青混合料铺装层的最大剪应力τ_i、投入使用后第一年的月平均累计标准轴载次数N_1m以及通过所述参数输入单元预先输入的第i个所述沥青混合料铺装层的层厚d_i和行车速度v，计算得出投入使用后第一个月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估车辙深度RD_i1；

步骤Ⅱ、投入使用后第s月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估车辙深度计算：首先，根据投入使用后第s-1个月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估累积车辙深度RD_s-1和第i个所述沥青混合料铺装层投入使用后第s个月份的月平均温度T_is，并利用所述路面车辙深度预估模型反推出预估车辙深度RD_i(s-1)所对应的历史累计等效轴载作用次数N_pis，其中T_is根据步骤三中所确定的第i个所述沥青混合料铺装层在一年内第j个月份的温度M_MPTj进行确定；之后，根据公式N_is=N_pis+N_ism计算得出投入使用后第s个月末第i个所述沥青混合料铺装层的历史累计轴载作用次数N_is，式中N_ism为投入使用后第s个月的月平均累计标准轴载次数，且N_ism根据步骤四中所述的N_1m和N_tm进行确定；然后，利用所述路面车辙深度预估模型，并结合月平均温度T_is、第i个所述沥青混合料铺装层的最大剪应力τ_i、历史累计轴载作用次数N_is以及通过所述参数输入单元预先输入的第i个所述沥青混合料铺装层的层厚d_i和行车速度v，计算得出投入使用后第s个月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估车辙深度RD_is；

步骤Ⅲ、多次重复步骤Ⅱ，直至计算得出投入使用后第12×n个月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估车辙深度RD_i（12×n），计算得出的RD_i（12×n）为沥青混合料的直接剪切强度为τ₀时第12×n个月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估车辙深度；

步骤Ⅳ、判断RD_i（12×n）是否大于D_i：当判断得出步骤Ⅲ中计算得出的RD_i（12×n）≤D_i时，进入步骤Ⅴ；否则，进入步骤Ⅵ；

步骤Ⅴ、直接剪切强度减小调整判断，过程如下：

步骤5-1、τ₀减小调整：根据公式τ_i0p=τ₀-Δτ计算得出调整后的τ_i0p，并将τ_i0p转存为τ₀以对沥青混合料的直接剪切强度值进行实时更新；Δτ为预先通过所述参数输入单元输入的直接剪切强度调整幅值；

步骤5-2、重复步骤Ⅰ至步骤Ⅲ，计算得出沥青混合料的直接剪切强度为步骤5-1中调整后的τ₀时第12×n个月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估车辙深度RD_i（12×n）；

步骤5-3、判断RD_i（12×n）是否大于D_i：当判断得出步骤5-2中计算得出的RD_i（12×n）≤D_i时，返回步骤5-1；反之，根据公式τ_i0=τ₀+Δτ计算得出τ_i0，之后进入步骤Ⅶ；

步骤Ⅵ、直接剪切强度增大调整判断，过程如下：

步骤6-1、τ₀增大调整：根据公式τ_i0q=τ₀+Δτ计算得出调整后的τ_i0q，并将τ_i0q转存为τ₀以对沥青混合料的直接剪切强度值进行实时更新；Δτ为预先通过所述参数输入单元输入的直接剪切强度调整幅值；

步骤6-2、重复步骤Ⅰ至步骤Ⅲ，计算得出沥青混合料的直接剪切强度为步骤6-1中增大调整后的τ₀时第12×n个月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估车辙深度RD_i（12×n）；

步骤6-3、判断RD_i（12×n）是否大于D_i：当判断得出步骤6-2中计算得出的RD_i（12×n）＞D_i时，返回步骤6-1；反之，根据公式τ_i0=τ₀得出τ_i0，之后进入步骤Ⅶ。

步骤Ⅶ、结果输出：将计算得出的τ_i0输出，所输出的τ_i0为第i个所述沥青混合料铺装层所对应的沥青混合料直接剪切强度容许值。

本实施例中，步骤Ⅰ和步骤Ⅱ中所述的路面车辙深度预估模型为 $\mathrm{RD}=6.714\×{10}^{-11}\×{N_i}^{0.6247}{T_i}^{5.2702}{d_i}^{0.5542}{\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_i}{{\mathrm{\τ}}_0}\right)}^{1.9279}{\left(\frac{v}{20}\right)}^{-(m+1)},$ m为沥青混合料的蠕变参数且m=-1.0～0，i为正整数且i=1、2、…、N，d_i的单位为cm；步骤Ⅰ中N_i=N_1m，T_i=T_i1，且步骤Ⅰ中计算得出的RD记为RD_i1；步骤Ⅱ中N_i=N_is，T_i=T_is，且步骤Ⅱ计算得出的RD记为RD_is；步骤Ⅱ中利用所述路面车辙深度预估模型对历史累计等效轴载作用次数N_pis进行反推时，根据公式 $N_{\mathrm{pis}}={\left[\frac{{\mathrm{RD}}_{i(s-1)}}{6.714\×{10}^{-11}{T_{\mathrm{is}}}^{5.2702}{d_i}^{0.5542}{\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_i}{{\mathrm{\τ}}_0}\right)}^{1.9279}{\left(\frac{v}{20}\right)}^{-(m+1)}}\right]}^{\frac{1}{0.6247}}$ 进行计算。

实际计算时，步骤5-1和步骤6-1中所述的Δτ=0.003Mpa～0.01Mpa。

本实施例中，步骤5-1和步骤6-1中所述的Δτ均优选为0.005Mpa。具体计算时，可根据实际需要，对步骤5-1和步骤6-1中所述Δτ的取值大小进行相应调整。

本实施例中，步骤Ⅰ和步骤Ⅱ中m=-0.5。具体计算时，可根据实际需要，对m的取值大小进行相应调整。

本实施例中，步骤四中年交通量增长率γ=5%～35%。具体计算时，可根据实际需要，对年交通量增长率γ的取值大小进行相应调整。

步骤七、沥青混合料直接剪切强度容许值确定：将步骤602中计算得出的τ₁₀、τ₂₀、…、τ_N0输出，并作为需施工桥面铺装层中各沥青混合料铺装层所采用沥青混合料的直接剪切强度容许值。

综上，利用如图1所示的直接剪切强度容许值确定方法所确定的直接剪切强度容许值与使用寿命、结构层位、温度、行车速度和力学响应相关联，因而所确定直接剪切强度容许值具有准确度高、与实际结合紧密、所施工桥面铺装层的使用年限能满足设计年限。步骤七中所输出的τ₁₀、τ₂₀、…、τ_N0，分别为施工各沥青混合料铺装层时所采用沥青混合料的直接剪切强度容许值为各沥青混合料铺装层所用沥青混合料的直接剪切强度的最小要求值。实际施工时，对各沥青混合料铺装层机械能施工时，只需确保该沥青混合料铺装层施工所采用沥青混合料的直接剪切强度不小于步骤七中所输出的该沥青混合料铺装层所采用沥青混合料的直接剪切强度容许值即可，并且施工所采用沥青混合料的直接剪切强度通过直剪仪直接测试得出。

实际计算时，Δτ的取值越大，计算量越小，但步骤七中所输出的直接剪切强度容许值偏大，因而施工所采用沥青混合料的投入成本与实际需求值相比投入成本较大，经济效益较差；Δτ的取值越小，计算量越大，但步骤七中所输出的直接剪切强度容许值与实际需求值相差越小，因而施工所采用沥青混合料的投入成本相对较低，经济效益较好。

例如，采用如图1所示的直接剪切强度容许值确定方法对高速公路的桥面铺装层沥青混合料直接剪切强度容许值进行确定时，公路设计速度为100km/h，该高速公路处于钢桁架桥梁上，钢桁架桥梁上所设置的两根斜拉索的间距为12m，半幅桥宽12m，调平层为10cm的C40水泥混凝土层；需施工桥面铺装层为双层沥青混凝土铺装层，其中上面层的厚度为4cm且下面层的厚度为6cm，需施工桥面铺装层的设计使用寿命为15年。首先，通过有限元分析软件计算得出上面层的最大剪应力为0.317Mpa，下面层的最大剪应力为0.234Mpa；之后，收集工程所在地的气温资料，并计算月平均气温，详见表1；随后，根据公式分别计算上面层和下面层中间深度处的月平均温度，并作为上面层和下面层的月平均温度，计算结果详见表2；然后，计算得出投入使用第一年内的日平均标准轴载的当量轴次为2472次，投入使用后第一年内的累计标准轴载次数N₁=90.2万次，设计使用年限（或设计使用寿命）内的累计标准轴载次数为2100万次，设计使用年限内各年的月平均累计标准轴载次数详见表3；根据上面层和下面层的最大剪应力计算结果，计算得出上面层的剪应力分配比例为57.5%，下面层的剪应力分配比例为42.5%，并相应计算得出上面层的容许车辙深度为8.6mm，下面层的容许车辙深度为6.4mm；最后根据步骤六中所述的方法计算得出当上面层15年后的预估车辙深度等于容许车辙深度8.6mm时，此时所采用沥青混合料的直接抗剪强度为0.607MPa；当下面层15年后的预估车辙深度等于容许车辙深度6.4mm时，此时所采用沥青混合料的直接抗剪强度为0.523MPa。此时，施工完成的桥面铺装层在设计使用年限内各年的预估车辙深度详见图2。

表1工程所在地一年内各月份的月平均气温数据表

月份	1	2	3	4	5	6
							平均气温/℃	-15.6	-13.3	-4.6	7.2	14.2	19.4
月份	7	8	9	10	11	12
							平均气温/℃	21.2	19.4	13.7	5.2	-4.7	-12.5

表2工程所在地需施工桥面铺装层上面层和下面层的月平均温度数据表

月份	1	2	3	4	5	6
							上面层/℃	-15.7	-13.0	-2.4	11.8	20.3	26.5
下面层/℃	-14.7	-12.1	-2.1	11.4	19.5	25.4
							月份	7	8	9	10	11	12
上面层/℃	28.7	26.6	19.6	9.4	-2.6	-12.0
							下面层/℃	27.5	25.5	18.9	9.1	-2.2	-11.1

表3设计使用年限内需施工桥面铺装层上面层和下面层的各年月平均累计标准轴载次数数据表

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、桥面铺装层剪应力计算：采用有限元分析软件建立需施工桥面铺装层的有限元分析模型，并利用所建立的有限元分析模型计算出标准轴载作用下需施工桥面铺装层不同深度处的最大剪应力；所述需施工桥面铺装层由上至下分为N个沥青混合料铺装层，其中N为正整数且N≥1；

步骤二、各沥青混合料铺装层剪应力及剪应力分配比例确定：根据步骤一中计算得出的标准轴载作用下需施工桥面铺装层不同深度处的最大剪应力，对N个所述沥青混合料铺装层的最大剪应力分别进行确定；其中，任一个所述沥青混合料铺装层的最大剪应力τ_i均为该沥青混合料铺装层不同深度处最大剪应力的最大值，i为正整数且i＝1、2、…、N；之后，采用数据处理器且根据公式计算得出第i个所述沥青混合料铺装层的剪应力分配比例c_i；

步骤三、各沥青混合料铺装层温度确定：根据第i个所述沥青混合料铺装层中间深度处的位置，并结合需施工桥面铺装层所处地区一年内第j个月份的月平均气温M_MATj，对第i个所述沥青混合料铺装层在一年内第j个月份的月平均温度M_MPTij进行确定；其中，j为正整数且j＝1、2、…、12；

步骤四、各月累计标准轴载次数与行车速度设定：采用与所述数据处理器相接的参数输入单元，对需施工桥面铺装层的设计使用年限n、投入使用后第一年内的累计标准轴载次数N₁和行车速度v分别进行设定，其中n为正整数，行车速度v的单位为km/h；之后，所述数据处理器根据公式计算得出需施工桥面铺装层投入使用后第一年的月平均累计标准轴载次数N_1m，并根据预先设定的年交通量增长率对需施工桥面铺装层投入使用后第t年的累计标准轴载次数N_t进行计算，式中t＝1、2、…、n；然后，所述数据处理器根据公式计算得出需施工桥面铺装层投入使用后第t年的月平均累计标准轴载次数N_tm；

步骤五、各沥青混合料铺装层的容许车辙深度计算：采用所述数据处理器且根据公式D_i＝c_i×D，计算得出第i个所述沥青混合料铺装层的容许车辙深度D_i；式中，D为预先通过所述参数输入单元输入的需施工桥面铺装层的路面容许车辙深度；

步骤六、各沥青混合料铺装层所采用沥青混合料的直接剪切强度容许值确定，过程如下：

步骤601、沥青混合料直接剪切强度初始值设定：采用所述参数输入单元输入需施工桥面铺装层所采用沥青混合料的直接剪切强度初始值，且将所输入的直接剪切强度初始值另存为τ₀；

步骤602、各沥青混合料铺装层所对应的沥青混合料直接剪切强度容许值计算：采用所述数据处理器计算得出各沥青混合料铺装层所对应的沥青混合料直接剪切强度容许值，计算得出的各沥青混合料铺装层所对应的沥青混合料直接剪切强度容许值分别记为τ₁₀、τ₂₀、…、τ_N0；并且需施工桥面铺装层中所有沥青混合料铺装层所对应沥青混合料直接剪切强度容许值的计算方法均相同；

其中，采用所述数据处理器对第i个所述沥青混合料铺装层所对应的沥青混合料直接剪切强度容许值进行计算时，过程如下：

步骤Ⅰ、投入使用后第一个月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估车辙深度计算：首先，根据步骤三中所确定的第i个所述沥青混合料铺装层在一年内第j个月份的月平均温度M_MPTij，对第i个所述沥青混合料铺装层投入使用后第一个月份的月平均温度T_i1进行确定；之后，调用预先建立的路面车辙深度预估模型，并根据温度T_i1、第i个所述沥青混合料铺装层的最大剪应力τ_i、投入使用后第一年的月平均累计标准轴载次数N_1m以及通过所述参数输入单元预先输入的第i个所述沥青混合料铺装层的层厚d_i和行车速度v，计算得出投入使用后第一个月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估车辙深度RD_i1；

步骤Ⅱ、投入使用后第s月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估车辙深度计算：首先，根据投入使用后第s-1个月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估累积车辙深度RD_s-1和第i个所述沥青混合料铺装层投入使用后第s个月份的月平均温度T_is，并利用所述路面车辙深度预估模型反推出预估车辙深度RD_i(s-1)所对应的历史累计等效轴载作用次数N_pis，其中T_is根据步骤三中所确定的第i个所述沥青混合料铺装层在一年内第j个月份的温度M_MPTj进行确定；之后，根据公式N_is＝N_pis+N_ism计算得出投入使用后第s个月末第i个所述沥青混合料铺装层的历史累计轴载作用次数N_is，式中N_ism为投入使用后第s个月的月平均累计标准轴载次数，且N_ism根据步骤四中所述的N_1m和N_tm进行确定；然后，利用所述路面车辙深度预估模型，并结合月平均温度T_is、第i个所述沥青混合料铺装层的最大剪应力τ_i、历史累计轴载作用次数N_is以及通过所述参数输入单元预先输入的第i个所述沥青混合料铺装层的层厚d_i和行车速度v，计算得出投入使用后第s个月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估车辙深度RD_is；

步骤Ⅲ、多次重复步骤Ⅱ，直至计算得出投入使用后第12×n个月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估车辙深度RD_i(12×n)，计算得出的RD_i(12×n)为沥青混合料的直接剪切强度为τ₀时第12×n个月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估车辙深度；

步骤Ⅳ、判断RD_i(12×n)是否大于D_i：当判断得出步骤Ⅲ中计算得出的RD_i(12×n)≤D_i时，进入步骤Ⅴ；否则，进入步骤Ⅵ；

步骤Ⅴ、直接剪切强度减小调整判断，过程如下：

步骤5-1、τ₀减小调整：根据公式τ_i0p＝τ₀-Δτ计算得出调整后的τ_i0p，并将τ_i0p转存为τ₀以对沥青混合料的直接剪切强度值进行实时更新；Δτ为预先通过所述参数输入单元输入的直接剪切强度调整幅值；

步骤5-2、重复步骤Ⅰ至步骤Ⅲ，计算得出沥青混合料的直接剪切强度为步骤5-1中调整后的τ₀时第12×n个月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估车辙深度RD_i(12×n)；

步骤5-3、判断RD_i(12×n)是否大于D_i：当判断得出步骤5-2中计算得出的RD_i(12×n)≤D_i时，返回步骤5-1；反之，根据公式τ_i0＝τ₀+Δτ计算得出τ_i0，之后进入步骤Ⅶ；

步骤Ⅵ、直接剪切强度增大调整判断，过程如下：

步骤6-1、τ₀增大调整：根据公式τ_i0q＝τ₀+Δτ计算得出调整后的τ_i0q，并将τ_i0q转存为τ₀以对沥青混合料的直接剪切强度值进行实时更新；Δτ为预先通过所述参数输入单元输入的直接剪切强度调整幅值；

步骤6-2、重复步骤Ⅰ至步骤Ⅲ，计算得出沥青混合料的直接剪切强度为步骤6-1中增大调整后的τ₀时第12×n个月末第i个所述沥青混合料铺装层的预估车辙深度RD_i(12×n)；

步骤6-3、判断RD_i(12×n)是否大于D_i：当判断得出步骤6-2中计算得出的RD_i(12×n)＞D_i时，返回步骤6-1；反之，根据公式τ_i0＝τ₀得出τ_i0，之后进入步骤Ⅶ；

步骤Ⅶ、结果输出：将计算得出的τ_i0输出，所输出的τ_i0为第i个所述沥青混合料铺装层所对应的沥青混合料直接剪切强度容许值；

步骤七、沥青混合料直接剪切强度容许值确定：将步骤602中计算得出的τ₁₀、τ₂₀、…、τ_N0输出，并作为需施工桥面铺装层中各沥青混合料铺装层所采用沥青混合料的直接剪切强度容许值。

2.按照权利要求1所述的一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法，其特征在于：步骤三中对第i个所述沥青混合料铺装层在一年内第j个月份的月平均温度M_MPTij进行确定时，采用所述数据处理器且根据公式进行确定，式中M_MATj和M_MPTij的单位均为℉；z为需施工桥面铺装层的路表至第i个所述沥青混合料铺装层的中间深度处的深度，z的单位为in，1in＝2.54cm。

3.按照权利要求1或2所述的一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法，其特征在于：步骤Ⅰ和步骤Ⅱ中所述的路面车辙深度预估模型为 $\mathrm{RD}=6.714\×{10}^{-11}\×{N_i}^{0.6247}{T_i}^{5.2702}{d_i}^{0.5542}{\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_i}{{\mathrm{\τ}}_0}\right)}^{1.9279}{\left(\frac{v}{20}\right)}^{-(m+1)},$ m为沥青混合料的蠕变参数且m＝-1.0～0，i为正整数且i＝1、2、…、N，d_i的单位为cm；步骤Ⅰ中N_i＝N_1m，T_i＝T_i1，且步骤Ⅰ中计算得出的RD记为RD_i1；步骤Ⅱ中N_i＝N_is，T_i＝T_is，且步骤Ⅱ计算得出的RD记为RD_is；步骤Ⅱ中利用所述路面车辙深度预估模型对历史累计等效轴载作用次数N_pis进行反推时，根据公式 $N_{\mathrm{pis}}={\left[\frac{{\mathrm{RD}}_{i(s-1)}}{6.714\×{10}^{-11}{T_{\mathrm{is}}}^{5.2702}{d_i}^{0.5542}{\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_i}{{\mathrm{\τ}}_0}\right)}^{1.9279}{\left(\frac{v}{20}\right)}^{-(m+1)}}\right]}^{\frac{1}{0.6247}}$ 进行计算。

4.按照权利要求1或2所述的一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法，其特征在于：步骤一中所述的标准轴载为双圆垂直均布荷载。

5.按照权利要求1或2所述的一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法，其特征在于：步骤5-1和步骤6-1中所述的Δτ＝0.003Mpa～0.01Mpa。

6.按照权利要求3所述的一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法，其特征在于：m＝-0.5。

7.按照权利要求1或2所述的一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法，其特征在于：步骤一中所述有限元分析软件为ANSYS有限元分析软件或ABAQUS软件。

8.按照权利要求1或2所述的一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法，其特征在于：步骤四中需施工桥面铺装层投入使用后各年的年交通量增长率均为γ，对需施工桥面铺装层投入使用后第t年的累计标准轴载次数N_t进行计算时，根据公式N_t＝(1+γ)×N_t-1进行计算，式中N_t-1为需施工桥面铺装层投入使用后第t-1年内的累计标准轴载次数；其中γ＝5％～35％。

9.按照权利要求4所述的一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法，其特征在于：所述双圆垂直均布荷载的接地压力为0.7MPa、直径为0.213m且双圆圆心距离为1.5倍直径；标准轴载作用下需施工桥面铺装层不同深度处的最大剪应力为所述双圆垂直均布荷载的双圆轮隙中心下方不同深度处的最大剪应力。

10.按照权利要求5所述的一种桥面铺装沥青混合料直接剪切强度容许值的确定方法，其特征在于：步骤五中D＝15mm或20mm。