什么是刚性路面设计

即水泥混凝土路面设计，路面设计的分支之一，包括结构设计和材料组成设计。结构设计系根据交通荷载的使用要求，当地的自然环境（温度、湿度、土质和水文）条件和路面本身的工作特性，确定：

（1）路基的处理方案；

（2）垫层和基层等结构层次的选择和组合；

（3）混凝土面层的厚度；

（4）板的平面尺寸，接缝的布置和构造；

（5）配筋。材料组成设计则是根据混凝土面层的工作环境和耐疲劳、耐磨、耐冻等使用要求，选择混合料的组成材料并设计配合比。

简史

混凝土面层板厚度的计算公式，最早是由美国C.奥尔德根据1920～1921年在贝茨试验路上的研究结果提出。1925年，美国H.M.S.韦斯特加德采用温克勒地基假设，从理论上推导出混凝土面层板在板中部、板边缘中部和板角隅三种轮载位置情况下的挠度和应力计算公式。这些公式经过阿林顿试验路的验证和修正后，得到广泛应用，目前，仍被大部分国家用作计算荷载应力和确定板厚的依据。1938年美国A.H.A.霍格、1939年苏联Ο.Я.舍赫捷尔，采用半无限地基上板的模式，分别导出计算无限大板挠度和应力的公式，它们为苏联和中国等国家所采用。70年代起，美国和中国等一些国家采用有限元法分析矩形面层板的挠度和应力，并编制出实用的计算机程序。

决定混凝土面层板平面尺寸的温度翘曲应力计算公式，也是由韦斯特加德在1927年提出的，并一直沿用至今。

设计方法

混凝土路面结构设计的方法门类繁多，但基本上可分为经验法和理论法两大类。

经验法

以修建足尺试验路并对其使用效果进行长期观测为基础，通过回归分析建立路面结构、荷载（轴载大小和轴数）和路面使用性能（或疲劳损坏状况）之间的统计关系；利用这个关系制订出设计曲线，据此，按设计使用年限内预计通过的轴载数和路面体系的结构性能，可确定面层结构所需的厚度。典型的经验设计方法有美国各州公路工作者协会(AASHO)的暂行方法等。

AASHO暂行方法系根据 1956年在加拿大渥太华附近修建，并于1958～1960年进行系统观测的试验路测定结果制订而成。试验路采用一种“现时耐用性指数”（缩称 PSI，见路面质量评定）的指标表征路面的使用性能，它是路面纵向平整度、裂缝长度和修补面积的函数。根据测定结果，建立起路面结构和面层厚度、轴载大小和重复次数同PSI之间的回归关系式，以及不同轴载达到相同 PSI时的轴载等效换算关系式。此方法规定路面的设计使用年限为20年，届期以80千牛（18千磅）的单轴标准轴载下路面的 PSI达到2.5（干线道路）或2.0（非干线道路）为临界标准。各级轴载的设计交通量，按轴载换算公式换算成标准轴载，并按使用年限推算出总作用次数，由此总作用次数和所选定的路面结构，查诺模图可确定混凝土面层所需的厚度。

经验法的适用范围受到试验路的自然、荷载和路面结构等条件的限制；同时，回归统计关系的建立也既费时又耗资巨大。

理论法

也称解析法。以结构分析为基础，应用力学方法分析路面结构在荷载作用下产生的应力和位移，按应力不超过材料所能提供的疲劳强度确定路面所需的结构强度和尺寸。美国波特兰水泥协会 (PCA)法，苏联法、日本法、中国法等，都属这类设计方法。

中国法以混凝土的疲劳开裂作为设计的临界状态，规定路面的设计使用年限为20～40年。通过交通调查得到轴载谱，转换成标准轴载(例如100千牛)的作用次数后即可预估出使用年限内标准轴载的累计作用次数。采用半无限地基上板的力学模式，以横缝边缘中部或板中部作为最不利的荷载位置。标准轴载在该处产生应力，由按照有限元法计算结果绘制的应力计算图（见图）查取。而后根据混凝土的抗弯拉强度和疲劳方程，确定面层所需的厚度。

理论法目前存在的主要不足是在应力分析（如温度和湿度引起的应力等）、设计参数（如轴载谱等）和混凝土的疲劳规律等方面尚有许多不确定性，设计方法尚有待进一步完善。