张 斌

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

跟着“一带一路”倡议的步伐，越来越多国内设计单位走出海外，参与境外项目的设计。目前，海外项目普遍采用的规范多为美、欧等规范，由于对规范的不熟悉，给国内设计人员造成了许多困难。本文通过对比中、美规范对港区混凝土面板分缝设计的异同，并综合考虑温度、地基刚度和荷载的影响，提出混凝土面板分缝设计的方法，为国内外港区混凝土面板的分缝设计提供参考。

1 规范对比

1.1 国内规范

国内港区混凝土面板设计主要依据《港口道路与堆场设计规范》[1]，接缝设计要求为：1)混凝土面板可采用矩形分块。素混凝土面板长、宽均不宜大于5 m，长宽比不宜大于1.35，面积不宜大于25 m2。2)道路与流动机械通道横向施工缝应采用设传力杆的平缝形式。横向缩缝可采用假缝形式，当铺面等级为一级、荷载等级为P3及以上、邻近胀缝或自由端部有3条横向缩缝时，应采用设传力杆假缝形式；其他情况可不设传力杆假缝。3)铺面等级为一级且荷载等级为P3及以上的堆场接缝应采用设传力杆的假缝形式。4)道路与流动机械通道纵向接缝应采用设拉杆的平缝(施工缝)或缩缝。5)紧邻码头结构或其他固定构筑物处，与其他道路或通道相交处，应设置1～2条横向胀缝，胀缝宽20～25 mm，缝内设置填缝板和可滑动的传力杆。

关于胀缝的设置，《港口道路、堆场铺面设计与施工规范》[2]规定：1)胀缝宜尽量少设或不设。但在邻近其他建筑物、与沥青铺面相接处、板厚改变的断面处、小半径曲线和纵坡变换处，均应设置胀缝。2)以上位置以外的胀缝可根据板厚、施工温度、混凝土集料的膨胀性并结合当地经验设置。夏季施工，板厚大于或等于20 cm时可不设；其他季节施工或采用膨胀性的集料时，宜设置胀缝，其间距宜为100～200 m。3)胀缝宜采用滑动传力杆。与建筑物衔接处或与其他公路交叉的胀缝无法设传力杆时，可采用边缘钢筋型或厚边型。

1.2 美国规范

1.2.1AASHTO规范

在美国国家公路与运输协会AASHTO规范[3]中规定:通常缩缝间距受当地材料和环境条件影响，缩缝间距随导热系数、温差和地基摩擦系数增大而减小，随混凝土抗拉强度增大而增大，同时还与混凝土面板厚度和填缝料性能有关；初步估计，素混凝土面板的缩缝间距不应大于24倍的面板厚度，且面板的长宽比不应大于1.25；考虑工程费用、结构复杂程度和使用性能问题，工程中通常少设胀缝，一般只用于面板形式变化处或与构筑物的交接处。

1.2.2ACI规范

在美国混凝土协会ACI 360R-10[4]中规定：缩缝的间距需要考虑面板设计方法、板厚、材料、基底摩擦、约束条件、构筑物平面布置和温度、风速、湿度等环境因素；缩缝应连续贯通，不应交错布置，面板尽量呈正方形布置，长宽比不大于1.5；考虑传递荷载时，缩缝和施工缝应设置传力杆，条件允许时可以利用断面的集料咬合作用或增设0.1%的钢筋网并每38 m设一道带传力杆的接缝。素混凝土面板缩缝间距的建议值如图1所示。

注：1 in=2.54 cm;1 ft=30.48 cm。图1 ACI 360R-10关于素混凝土面板缩缝间距建议值

在ACI 224.3R-95[5]中规定：通过对已有素混凝土面板的使用情况进行观测，结果表明素混凝土面板的缩缝间距不应大于24倍的面板厚度(尤其对稳定类基层不应大于21倍，对非稳定类基层不应大于24倍)，且不能大于6 m；面板尽量呈正方形布置，长宽比不大于1.5；除了与桥梁、固定构筑物交接处或不规则交叉口处需要设置胀缝，其他情况不需要设置胀缝；通常接缝设计中都需要设置传力杆，尤其对于重载或交通量大的区域。

1.3 对比分析

1)美国规范根据面板厚度按公式估算接缝间距，并针对不同收缩性混凝土可查表确定，相比中国规范体现了不同板厚下的差异性。2)中、美规范均规定少设或不设胀缝，一般在与固定结构衔接处、结构断面变化处或通道交叉口处设置，其他情况依据材料性质、环境条件和当地经验等确定。3)美国规范接缝设计通常设置传力杆，以减少面板缺陷；中国规范根据道路和堆场的铺面等级与荷载等级进行分类，等级低的区域，可以不设传力杆，采用集料咬合接缝。

2 影响因素

目前中、美规范对于接缝的设置主要是依据工程经验或根据面板厚度简单估算，没有说明温度、地基和荷载等因素的影响。为了确定更加合理的接缝设计方法，以下分别从这些方面进行分析。

2.1 温度

温度因素主要影响胀缝的设置，早在20世纪50～60年代国内外就已经开始了关于取消胀缝的试验研究。1983年，美国陆军工程兵团规范规定：对于厚度大于25 cm的路面，如混凝土是在温暖气候时铺设的，胀缝可以全部取消；如果路面厚度小于25 cm且在寒冷气候铺设的，可能需要胀缝。ACI 223-98[6]通过试验说明了普通波特兰水泥混凝土试样的长度变化特征，总体上混凝土呈收缩趋势，如图2所示。

国内李麟[7]通过调查在20世纪50～60年代北京市施工的水泥混凝土路的使用情况，发现大部分道路的胀缝发生破坏，缩缝变宽，见表1。齐诚等[8]经过对道面长达6年的观察和2年的测试，建立了板温与应变的椭圆模型，并提出最高气温不超过42 ℃、道面厚度在20 cm以上、施工温度的昼夜平均值在5 ℃以上时，就可以在水泥混凝土路面上取消胀缝。黄保和[9]考虑混凝土面板的临界热胀屈曲稳定性，运用铁摩辛柯弹性稳定理论，求出常用路面的临界铺设温度，通过严格控制混凝土铺设温度，可以不设胀缝。蒋国俊等[10]采用有限元法分析了水泥混凝土路面胀缝在不同温度和车辆荷载下的应力变化，其结果表明，温度对胀缝破坏影响较小，而车辆超载会造成胀缝两侧混凝土出现过大的应力集中而发生脆性破坏。

图2 ACI 223关于水泥混凝土长度变化特征

表1 水泥混凝土路面调查结果

由于混凝土自身的收缩属性以及在使用过程中由外部引起的振动，使混凝土面板出现移动，接缝间距会逐渐扩大，适应混凝土高温季节的膨胀需求，并合理地控制施工温度，则不需要单独设置胀缝。

2.2 地基刚度

混凝土面板尺寸确定时，地基刚度越大，板内应力越小。美国预拌混凝土协会(National Ready Mixed Concrete Association，NRMCA)的Brian[11]研究表明，当混凝土板长与相对刚度半径之比大于4.44，横向裂缝就会增多，即接缝间距随板厚增大而增大，随地基刚度增大而减小，公式为：

Lr≤4.44

(1)

(2)

式中：L为混凝土面板长度(mm)；r为相对刚度半径(mm)；E为混凝土弹性模量(MPa)；h为面板厚度(mm)；μ为混凝土泊松比，取0.15；k为地基反力系数(MPam)。

墨西哥韦拉克鲁斯某集装箱堆场工程，地基刚度为55 MPam,堆场混凝土面板厚度为40 cm，按NRMCA方法，理论缩缝间距不大于5.8 m。现场实际缩缝间距为6 m，堆场使用情况良好，面板未出现不规则裂缝，说明按此标准控制的接缝间距符合使用要求。

2.3 荷载

荷载大小、形式和作用位置均影响受力面板的应力分布，以集中荷载为例，分析荷载与混凝土面板缩缝间距的关系。采用ROBOT有限元计算软件，分别考虑荷载位于板中、板角和板边的工况。

混凝土面板的长宽比取1.0，集中荷载取5层重箱的箱角荷载，箱角接地尺寸为178 mm×162 mm(长边×短边)，接地应力为7.93 MPa。计算模型中混凝土板厚43 cm，下设厚30 cm的级配碎石垫层，综合地基刚度为80 MPam，荷载位于板边的计算模型如图3所示。

图3 集中荷载位于板边模型

分别选取不同的板长，在集中荷载作用下，板内最大拉应力如图4所示。可以看出：1)荷载作用于板边时应力最大，属最不利工况；2)荷载位于板边，板内最大应力先随板长增加而增大，当板长增大到某一值后，板内最大应力基本不变；3)荷载作用于板角和板中时，板内最大拉应力基本与板长无关。

当混凝土面板厚度确定后，在划分板块尺寸时，需要考虑荷载的作用位置，避免荷载集中作用在板边。本次计算按5层重箱箱角荷载考虑，结果显示当板长为5 m时，板内最大应力达到极值，因此建议板长不大于5 m，这与中国规范要求相符。

图4 不同工况下面板最大应力与板长的关系

3 结语

1)中国规范规定混凝土面板长度不宜大于5 m，虽然缺少精确的计算公式，但大量实践证明符合港区的使用要求；而美国规范估算的接缝间距偏大，引起板内最大应力增加，在港区铺面设计时需要结合应力分析。

2)胀缝两侧容易出现应力集中而发生脆性破坏，工程中应尽量少设或不设胀缝；当缩缝采用非弹性填料、混凝土采用膨胀性集料或施工温度过低时设置。

3)混凝土面板厚度确定后，设计分缝间距时应考虑先采用NRMCA方法复核，再分析最不利工况下的应力分布，确保板块满足抗弯和地基承载力要求。

4)在堆箱、堆货和集卡通道等重载区域，推荐所有接缝设置传力杆，且适当选用大直径的传力杆，以便更好地传递荷载，减少面板缺陷。