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刚性路面正交优化设计 王新岐天津市政工程设计研究院 【摘要】 针对现行水泥混凝土路面设计仅采用力学模型计算路面板厚的弊端，拳 I 文采用正交优化设计理论，建立合理的数学模型，提出相应的约束条件，以最小的造价设 计出满足要求的水泥混凝土路面。 【关键词J 正交，剐性路面，优化设计。 水泥混凝土路面设计中．板厚的设计至关重要，现行水泥混凝土路面是从材料的强度 参数出发，利用力学模型，通过求解路面板厚来完成目标设计。这势必忽视了工程及造价 的要求，而优化设计却是从经济及工程的角度出发，利用一合理的数学模型来表达目标设 计，通过求解数学模型来获得最小造价下满意的路面结构。 正交设计法大量应用于科学试验中，因此又称正交试验法，它是利用数理统计学和正 交性原理．从大量试验点中挑选适量的具有代表性、典型性的点，应用“正交表”台理安 排试验的一种科学试验设计法。在刚性路面优化设计中我们同样可以利用数理统计学和正 交性原理，从类似“网络法”所形成的大量路面厚度组合中挑选出适量的具有代表性、典 型性的厚度组合，应用“正交表”合理安排设计，通过计算而得到总费用最低的路面结 构。 ～刚性路面正交优化设计目标函数的建立 为了确定剐性路面结构优化设计的目标函数，和其它结构优化设计问题一样，需考虑 的关键问题是“效益”或“费用”问题，即“效益最大”、“费用最小”。一条道路的效益 相当复杂．包括政治、经济等多方面的因素，目前对于道路效益的综合研究国内所做的工 作尚少。为此，对于刚性路面结构的优化设计问题取费用最低的模型较为台适，且便于分 析问题的简单化。 水泥混凝土路面在设计使用年限内的总费用一般包括以下几项： (I)F1=初建投资费用； (2)F2=使用年限内养护维修费用； (3)F3=使用年限内重建费用： (4)F4=用户费用； (5)巧=使用年限末残值。 上述五项费用中．用户费用尚难确定，且没有统一标准，鉴于此，本文进行刚性路面 结构优化设计时，取如下目标函数： minF=FJ+F2+B+B+F， (卜～1) 3 Fi=∑C．++X (1～2) -=【 ·70· x。，葛，x3=面层，基层，底基层厚度(cm) C¨，cm c。3=面层，基层(或补强层) 和垫层单位面积每公分厚度的工程造价(元， cm)； F2=NAP(X) (1—3) 其中：x=某种路面结构。可由xj确定； NAP(x)=某种结构的路面在整个分析周期内养护维修费用的现时总值。 j F3=乏(吒Xj+c≈Xj) (1—4) 其中：xl，x2，x3=失效结构面层、基层及垫层厚度(CITI)； C21，C22，C23=翻修每m2·12rll失效结构的面层、基层及垫层清除费用(元／era)； C31，C32，C33=翻修每m2·cm失效结构的面层、基层及垫层重建费用(元／era)。 F5=吼7．P矸： (1—5) 其中：SV=路面在分析周期末的剩余值； PⅥ二=分析周期柬的票面折减系数。 针对《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTJOl2—94)对水泥混凝土路面结构组合设 计、荷载、温度和环境因素以及材料类型、施工工艺等方面的要求，满足上述目标函数 minF的各层厚度应满足如下约束条件： 1．各结构层厚度的约束 为了保征路面使用寿命，水泥混凝土路面最小板厚x，满足： X1=h。。