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信托定融政信知识:
结合实际并借鉴国内外有关先进技术和工艺,提出在重交通荷载作用下,对半刚性基层沥青路面结构组成设计和大修方案,以及养护方面有关新工艺、新技术【关键词】半刚性基层超载柔性基层 中图分类号:u412.36+6文献标识码:a 文章编号: l前言 山东省高速公路建设起步于1990年
全省通车的高速公路中基本全部采用半刚性基层加沥青面层的结构形式
由于种种原因,部分高速公路通车l~2年就出现各种病害,5~6年即开始路面大修,不仅给国家造成了大的经济损失,导致了材料的浪费,而且产生了不良的社会影响
2 早期破坏主要病害及原因 高速公路沥青路面的设计使用寿命一般为15年,但通常在通车1~3年内就会发生不同程度的损坏
根据实际调查结果,沥青路面中出现较多的病害主要为面层横向裂缝、纵向裂缝、网裂、坑槽、车辙、局部沉陷、唧浆等
结合我们日常维修保养、病害调查及往年路面大修中发现的情况分析,半刚性基层沥青路面病害产生的主要原因有: 2.1半刚性基层破坏 由于受优质石油沥青缺乏及经济不发达等因素的限制,我国长期以来奉行“强基薄面”的设计原则,承载能力强的半刚性基层在高速公路中得到广泛应用
但是,正是由于半刚性基层具有板体强度高、整体性好的特点,结构层本身非常致密,与面层和土基层相比,弹性模量相差很大,在路基发生不均匀沉降或在重交通活荷载作用下,都极易导致模量很高的板体断裂,形成面层反射裂缝
2.2货车比重大,车辆超载严重 近几年,高速公路上超限运输车辆急剧增加,据调查,在京沪、京福高速公路上通行的车辆,货车占了70%以上,其中超限车辆达60%以上
货车以半挂车和大货车为主,其全钢丝子午线轮胎额定的最大充气压力单轮组使用时为0.84mpa,双轮组使用时为0.77mpa,与路面设计规范中采用的轮胎接地压力值基本相当
由于车辆超载,轮胎的实际充气压力均不小于1.2mpa,最大1.45mpa,实测单轴最重30t
从路面大修过程来看超载严重路段,行车道轮迹处半刚性基层基本破碎,形成面层反射纵向裂缝或沉陷
2.3水损坏 一是路表水渗入面层中但不能形成径流,不易排出,在行车荷载,尤其是重车荷载作用下,对沥青混合料进行冲刷,造成沥青膜剥离,混合料松散脱落
二是由于半刚性基层收缩裂缝或在重荷载作用下发生破碎,导致面层形成反射裂缝或局部网裂,雨水下渗到基层冲刷二灰碎石表面的细料,在动水压力下从路面裂缝中唧出(唧浆〕
三是部分雨水下渗至上下基层的交界面,滞留在基层中,浸泡和冲刷二灰碎石混合料,造成混合料强度下降,形成面层龟裂、沉陷等病害
四是雨水、浇灌树木水下渗,部分水向下渗入路基.部分侧向渗入路面 结构层
2.4 内力作用下的破坏 一是温度应力作用下沥青面层出现横向裂缝
温度裂缝主要是横向裂缝,通常出现在大风降温天气
二是半刚性基层因干缩或温缩而引起的裂缝,并反射至面层形成裂缝
2.5 交通量大大超过预测交通量 随着高速公路的贯通和联网,促进了社会经济的快速增长
而社会经济的快速增长,又反过来刺激交通量飞速增长,部分高速公路通车5年左右,其实测交通量即已超过路面设计寿命期末预测交通量
3主要防治措施 3.1结合实际,加快理论创新步伐 一是《公路沥青路面设计规范》的结构设计以弹性层状理论为基础在设计结构厚度和验算沥青层底拉应力时,假设路面各层面之间的界面处于完全连续状态
二是按照《规范》中的弹性层状体系理论和完全连续状态的假设进行计算,沥青面层底部始终处于受压状态,其弯拉应力验算失去了意义,弯沉成为路面设计唯一指标,这不能正确的反映路面的使用状况
三是随着交通量的增长及路基路面各结构层剩余沉降量的变形积累,一般通车2至3年后,面层平整度值就会开始明显增大
四是随着土工织物类材料的广泛应用,为了防止半刚性基层产生反射裂缝,许多新建工程和大修工程常采用土工格珊等材料进行处理,这与规范中的层间界面接触条件不完全一致
五是superpave等新的路面结构形式已在国内部分高速公路上得到应用,并取得较好效果,但现行规范中却没有相应内容
六是由于设计时交通量的预测与通车后实际情况相比往往发生较大变化
3.2 改进沥青路面设计方案,分类指导 (l)在交通量较大,但重载交通较少基本无超载车,预计沥青路面使用寿命可达到设计年限(约10年后进行大修)的地区,可仍采用目前规范中推荐的路面结构形式,即半刚性基层+沥青面层结构
但半刚性基层要严格控制材料质量、级配、含水量、碾压及养生等各工序,并采用预切缝等措施,以尽可能减少干缩、温缩裂缝
(2)在交通量较大,超载车较多,重载车多的地区,根据经济条件可选择永久路面或常规三层式沥青面层+一层lsm基层(约12cm)+一层半刚性基层(12~16cm)路面形式
(3)在石料丰富及潮湿多雨地区,推荐采用级配碎石作为高速公路基层,但在重交通路段要注意验算其顶面弹性模量,确保基层强度;或与水稳类材料配合使用
3.3 解决水损坏问题 (1)加强表面防渗,采用密级配沥青砼上面层,或采用sma或superpave,使路面范围内的降水分散或集中排出路面,在平曲线超高段或纵曲线凹弯段,建议采用集中排水,且应根据具体情况适当加密泄水槽
(2)加强路面各结构层间结合处理,在半刚性基层上表面做好sbs改性沥青防水层,各沥青砼层间(含lsn基层)喷洒粘层油,确保层间结合力
(3)做好基层排水设计
从实践调查来看,进入面层的水在竖向的渗透程度要远大于横问,故进入路面中下面层的水大多会汇集于半刚性基层上表面
(4)设置中央分隔带防渗墙
为防止中央分隔降雨或浇灌水横向渗入路面层,可在中央分隔带两侧设置防渗墙
一般在中央分隔带路线石内5cm左右开槽,成槽宽度约2.5~3.5cm,深度不小于60cm,居中插入塑料膜,沿膜两侧均匀灌注防裂水泥浆密封即可
3.4 混编裂缝的防治 从路面温缩裂缝形成及受力机理来分析,完全杜绝面层裂缝是不可能的,目前常用的方法是在沥青面层中加入土工合成材料,采用优质改性沥青,或者加厚面层
3.5 积极采用新技术、新工艺 (1)再生技术的应用
一是发展热再生技术
在路基和基层无大的病害,而面层主要是大面积的疲劳损坏情况下,应用再生技术处理路面病害,可极大恢复路面技术状况,有效延缓大修期限,节约大量养护维修资金(与传统方法相比,可节约30%至50%的资金
(2)微表处(micro-surfacing)技术的应用
微表处即由改性乳化沥青、集料、矿粉、水和添加剂等按设计配比拌合并摊铺在原有沥青路面上形成的薄层罩面
3.6 建立路面养护管理系统动态管理,准确预测,科学决策 随着计算机智能化技术的发展,加快了路面管理系统的建设,可以建立由计算机管理的各项设施功能的评价与决策系统,采用先进的计算机多媒体技术和自动识别等技术,定期采集科学评价路面的原始数据并输入数据库,通过计算机产生路面状况评价各项指标,对路面 进行综合评价和预测,从而可以预先采取养护措施,延长路面使用寿命
3.7加强法治建设,严控超载车辆 保证路面处于其正常使用状态,延长路面维修时间的最经济、最有效的措施是限制车辆超载
4 结束语 高速公路的发展正从以前的建设新路为主向新旧并举方向转变,应积极吸收国内外的先进技术经验,大力提升公路养护的科技含量,积极推广和采用成熟的新技术、新材料、新工艺,加大现代化养护设备的投入,采用高效先进的技术和新型的机械化设备,逐步实现养护作业的机械化,推动养护由传统养护向现代化养护发展
参考文献: 1、《公路工程国内招标文件范本》(2003年版)人民交通出版社 2、《公路沥青路面施工技术规范》 3、《公路工程沥青沥青及沥青混合料试验规程》 注:文章内所有公式及图表请用pdf形式查看
提倡采用概念设计思想来促进结构工程师的创造性,推动结构设计的发展
所谓的概念设计一般指不经数值计算,尤其在一些难以作出精确力学分析或在规范中难以规定的问题中,从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制
关键词: 建筑设计 概念设计 在不断的结构设计研究与实践中,人们积累了大量有益的经验,并体现在设计规范、设计手册、标准图集等等
随着计算机技术和计算方法的发展,计算机及其结构程序在结构工程中得到大量地应用,每个设计单位都在为彻底甩掉图板而做努力
结果给部分结构工程师造成一种错觉,觉得结构设计很简单,只需遵循规范、手册、图集,等待建筑师给出一个空间形成的方案(非结构的),使用计算机,然后设法去完成它,自己只不过是一个东拼西凑的计算机画图匠而已
这不仅不能有效地运用他们的知识、精力和时间,而且还会与建筑师的交流中产生分歧与矛盾
我国结构计算理论经历了经验估算,容许应力法,破损阶段计算,极限状态计算,到目前普遍采用的概率极限状态理论等阶段
现行的《建筑结构设计统一标准》(GBJ68-84)则采用以概率理论为基础的结构极限状态设计准则,以使建筑结构的设计得以符合技术先进、经济合理、安全适用
概率极限状态设计法更科学、更合理
但该法在运算过程中还带有一定程度的近似,只能视作近似概率法
并且光凭极限状态设计也很难估计建筑物的真正承载力的
事实上,建筑物是一个空间结构,各种构件以相当复杂的方式共同工作,且都并非是脱离总的结构体系的单独构件
目前,人们在具体的空间结构体系整体研究上还有一定的局限性,在设计过程中采用了许多假定与简化
作为结构工程师不应盲目的照搬照抄规范,应该把它作为一种指南、参考,并在实际设计项目中作出正确的选择
这就要求结构工程师对整体结构体系与各基本分体系之间的力学关系有透彻的认识,把概念设计应用到实际工作中去
所谓的概念设计一般指不经数值计算,尤其在一些难以作出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中,依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想,从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制
运用概念性近似估算方法,可以在建筑设计的方案阶段迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择,易于手算
所得方案往往概念清晰、定性正确,避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算,具有较好的的经济可靠性能
同时,也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据
比如,有的设计人员用多、高层结构三维空间分析程序来计算底层框架,还人为的布置一些抗震墙,即不能满足楼层间的合理刚度比,也不能正确地反映底层框架在地震时受力状态
问题在于结构概念不明确,没考虑这两种结构体系的差异
软件的选择和使用不当,造成危害是不容忽视的
美国一些著名学者和专家曾警告工业界:“误用计算机造成结构破坏而引起灾难只是一个时间的问题
”然而避免这种情况,概念设计的思想不妨是个好方法
运用概念设计的思想,也使得结构设计的思路得到了拓宽
传统的结构计算理论的研究和结构设计似乎只关注如何提高结构抗力R,以至混凝土的等级越用越高,配筋量越来越大,造价越来越高
结构工程师往往只注意到不超过最大配筋率,结果肥梁、胖柱、深基础处处可见
以抗震设计为例,一般是根据初定的尺寸、砼等级算出结构的刚度,再由结构刚度算出地震力,然后算配筋
但是大家知道,结构刚度越大,地震作用效应越大,配筋越多,刚度越大,地震力就越强
这样为抵御地震而配的钢筋,增加了结构的刚度,反而使地震作用效应增强
其实,为什么不考虑降低作用效应S呢?目前在抗震设计中,隔震消能的研究就是一个很好的例子
隔震消能的一般作法是在基础与主体之间设柔性隔震层;加设消能支撑(类似于阻尼器的装置);有的在建筑物顶部装一个“反摆”,地震时它的位移方向与建筑物顶部的位移相反,从对建筑物的振动加大阻尼作用,降低加速度,减少建筑物的位移,来降低地震作用效应
合理设计可降低地震作用效应达60%,并提高屋内物品的安全性
这一研究在国内外正广泛地深入展开
在日本,研究成果已经广泛应用于实际工程中,取得良好的经济、适用效果
而我国由于经济、技术和人们认识的限制,在工程界还未被广泛地应用
同时,在目前建筑结构抗震鉴定及加固中,概念设计的思想也应得到延伸
在1976年唐山地震中,天津市加固的2万间民房无一倒塌,但天津第二毛纺厂三层的框架厂房,却因偏重于传统构部件的加固 ,忽视结构总体抗震性能的判断,造成不合理的加固使抗震薄弱层转移,仍然倒塌
概念设计的思想被越来越多的结构工程师所接受,并将在结构设计中发挥越来越大的作用
然而现在的高校教学中,往往只重视单独构件和孤立的分体系的力学概念讲解
尤其在专业课教学中,单项计算练习居多,综合练习偏少,并着重体现在考题中,使得相当部分学生养成只知套用公式解题的习惯
而且近年来强调计算机应用教育,比如,毕业设计用结构设计软件计算、出图
但由于计算机设计过程的屏蔽,手算过程训练程度的削弱,造成学生产生一定依赖性,结果综合运用能力下降,整体结构体系概念模糊
这些对于培养具有创造力、未来的工程师是相当不利的
随着社会经济的发展和人们生活水平的提高,对建筑结构设计也提出了更高的要求
发展先进计算理论,加强计算机的应用,加快新型高强、轻质、环保建材的研究与应用,使建筑结构设计更加安全、适用、可靠、经济是当务之急
其中,打破建筑结构设计中的墨守成规,充分发挥结构工程师的创新能力,是相当必要的
因为他们是结构设计革命的推动者和执行者
这则需要工程界和教育界进行共同的努力
推广概念设计思想是一种有效的办法
著名的美国工程院院士林同炎教授在《结构概念和体系》一书中为结构工程师提供了广泛而又有独特见解的结构概念设计基础知识和设计实例
该书着重介绍用整体概念来规划结果总体方案的方法,以及结构总体系和个分体系尖的相互力学关系和简化近似设计方法
为结构工程师和建筑师在设计中创造性地相互配合,设计出令人满意的建筑奠定基础
这本书第二版的出版,为我们更好的加深概念设计的理解,提供有益的帮助
总之,概念设计必然会成为今后结构设计的主流思想,这就让我们来共同学习、发展它吧,为结构设计的发展作出应有的贡献
参考文献: 1.高立人,王跃,结构设计的新思路——概念设计,工业建筑 ,1999(1) 2.戴国莹,李德虎,建筑结构抗震鉴定及加固的若干问题,建筑结构,1999(4) 3.林同炎,S.D.思多台斯伯利 ,结构概念和体系,中国建筑工业出版社
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