公路水泥道路设计软件的功能

作者：陈恺 张宁 黄卫 单位：东南大学交通学院

水泥混凝土路面是采用水泥混凝土作为面层材料的一种路面结构。这种路面结构具有刚度大、强度高、使用耐久和日常养护工作量小的优点,是目前常用的路面类型之一。2003年6月1日起正式施行了《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTGD40-2002)(以下简称新规范),原《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTJ012-94)(以下简称原规范)同时废止。新规范采用了可靠度的设计方法,同原规范相比,又新增了几种面层设计方法,设计和计算上都发生了一些改变。笔者以新规范为设计依据,采用面向对象的设计思路和相关的程序设计方法,开发出水泥混凝土路面设计计算的软件。本文重点将介绍该软件的主要功能、设计的基本原理和流程设计和界面设计等要素。希望能够给同类软件的设计提供一点参考。

1软件主要功能

1.1路面设计计算路面设计的软件,当然首先必须能够完成路面结构的设计以及相关参数的计算。本软件遵照新规范进行路面结构设计,在已知基层和垫层的结构设计的基础上,最终计算出面层最小厚度,以及对应的应力状况。当然,计算过程中还需要用户手动输入交通量状况、所选材料模量、强度和面层板面尺寸等必要的参数。软件是以设计向导的方式,引导用户以自然的设计思路逐步输入各参数。

1.2数据库管理功能软件通过链接一个MicrosoftAccess数据库,将计算过程中所有可能用到的数据存储在一个数据库文件中,并提供了基本的数据库操作,包括查询、新增、删减、更改记录条。这一数据库管理功能主要对应两类数据:一是基层、垫层所选用的材料的相关数据,即材料名称、材料模量等。之所以需要对材料相关数据进行管理,是因为设计过程中很难对工程中实际使用的材料进行限定,因此有必要赋予用户修改材料数据的权限。二是用户在一次设计过程中,所输入的所有参数以及软件各步的计算结果的相关数据。这也作为一条记录存储在数据库文件中。这样,用户在进行新一次的路面设计过程中,就可以通过引入典型结构而很方便地借鉴已有的设计经验,大大提高了工作效率。

1.3其他辅助功能软件编制了用户在线帮助文档,对设计过程中的每一步骤、每一窗口都有详细的说明,用户可以方便地查询。软件最终的设计计算结果包含:交通量,各结构层的当量回弹模量,面层的荷载疲劳应力和温度疲劳应力,面层的设计厚度(对于双层混凝土板设计,计算结果分开显示)等。用户可以选择3种方式显示这些设计结果:将这些结果直接打印,直观明了;或者作为文本文件保存到本地硬盘上,便于稍后查看;也可以作为一条记录保存在数据库文件中,这样方便以后做设计更改。

2设计基本原理

新规范进行水泥混凝土路面结构设计,采用可靠度的设计方法,以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为设计的极限状态,其表达式为（公式略）式中,!r为可靠度系数,是根据公路等级,依照规范选用的;"pr为行车荷载疲劳应力,MPa;"ps是在荷载应力的基础上,综合考虑接缝传荷能力、累积疲劳作用、偏载和动载等因素修正之后得到的荷载作用综合应力;"tf为温度梯度疲劳应力,MPa,是在最大温度梯度时的混凝土板翘曲应力"tm的基础上,考虑温度累积疲劳作用的因素修正之后得到的温度作用综合应力;fr为混凝土弯拉强度标准值,MPa,是根据交通量等级严格按照规范选取的。而其中的行车荷载应力"ps和"tm温度翘曲应力,都是计算的临界荷位处的最大应力。具体的计算方法是采用有限元分析法进行回归,并考虑实际应力情况与理论模型的差异而对材料模量进行适当修正后得到。

3路面设计主要流程

软件以设计向导的方式,按照正常的设计思路,逐步引导用户输入设计过程中所必须的各个参数,并都加以了必要的提示,直到设计结束,得出最终的设计结果。对于本软件有一定使用经验的用户,还可以直接调用数据库中的设计记录,引入到设计向导中。这样对于相似的路面设计工程,只需通过细微的改变,就可以完成设计过程。下面主要以最为常见的普通混凝土面层设计为例,简要介绍设计的主要流程。

3.1路面设计向导

3.1.1可靠度指标设计新规范与原规范最大的不同之处就在于可靠度的设计方法,这一方法直接体现在最终的应力关系式上,即可靠度系数与综合疲劳应力的乘积小于混凝土设计弯拉强度。由此可以看出可靠度指标会直接影响最终的面层设计厚度。由于可靠度系数需要由公路等级和材料变异水平等级查规范相应表格得到。因此用户在此首先选定公路等级后,按照规范依次输入材料变异水平等级和可靠度系数。

3.1.2交通量计算交通量计算即计算使用期末标准轴载累计作用次数,并由此确定交通量等级。一般是由使用初期标准轴载作用次数,交通量年平均增长率和横向分布系数计算得到;但由于规范提供了各级轴载的换算公式,因此软件也可以实现输入非标准轴载的多级轴载,经软件自动计算得到累计标准轴载作用次数;另外,当然也不排除用户直接输入累计标准轴载作用次数。因此,交通量的计算中,参数的输入共提供了上述3种方式。

3.1.3结构层组合设计结构层由下至上依次为土基层、垫层、基层。对于某工程实例,可能某一结构层并不需要;当然也可能有用户需要增加结构层,例如把基层细分为底基层和上基层。这些在参数输入过程中都不作限制,因为最终影响面层设计厚度的只是经计算得到的基层顶面当量回弹模量,因此设计者可以方便进行面层以下各结构层的组合。另外,如果公路处于季节性冰冻地区,还需要控制最小防冻层厚度,这也由用户输入,在面层厚度设计完成之后作验证。对于各结构层所采用的材料,以及材料的弹性模量都取自新规范的附录。实际工程中用到的材料很有可能不限于此,为了使软件具备一定的可扩展性,允许用户添加新材料,并对材料进行简单的管理,这些都在软件的数据库管理中可以实现。

3.1.4面层设计以普通混凝土面层为例,需要输入的参数可大致分为两类。包括混凝土弯拉强度、模量和应力折减系数,由此可以得到行车荷载疲劳应力;另外需要输入板面尺寸、最大温度梯度和线膨胀系数,由此可以得到温度梯度疲劳应力。除此之外,规范中其他面层设计还包括:钢筋混凝土路面、碾压混凝土路面、钢纤维混凝土路面、连续配筋混凝土路面、具有沥青上面层和带拉杆的普通混凝土下面层或连续配筋混凝土下面层的复合型路面、旧混凝土路面加铺层等,其中,旧混凝土路面加铺层可细分为分离式、结合式和沥青加铺层。不同的面层设计,其输入的参数有所差异,在此不一一阐述。输入完成后,点击完成键,软件输出最终设计结果。

3.2选用典型结构软件引入了一些较为简单的数据库管理,使用户可以选用典型结构帮助设计。这样做主要是考虑到,在公路路面的设计过程中,经常需要调整某些参数,而如果只是因为某一个参数发生改变就必须从头开始进行设计,这显然是极为不方便的。因此构思把一次工程的所有相关数据作为一条记录,保存在数据库中,需要修改某一设计环节时,只需要将该条记录引入到设计向导中,到对应处修改即可。由此又衍生出另一功能,即用户能够对数据库中的所有记录进行简单的查询、查看和删除操作。

4软件编制的几个原则

4.1流程设计完成一次工程设计,需要由用户输入的参数非常多,一次性输入显然是不可能的。软件采用设计向导的方式,用直观的界面,逐步提示用户输入。自然引出这样一个问题:如此多的参数,哪些先输入,哪些后输入,哪些参数归在一个窗体中输入。即如何安排软件的流程,才不会给用户的输入造成不便,不会让用户在输入时有唐突的感觉。软件流程将尽量遵循以下几个原则:(1)以自然的设计思路为主体,尽量将同属于一个范畴的参数作为一个对象,放在一个窗体中。例如,所有跟计算交通量有关的参数可作为一个对象,面层厚度设计时所有计算荷载疲劳应力和温度疲劳应力的参数可作为一个对象,诸如此类。各对象的先后顺序也是按照人的自然设计思路。例如,结构组合设计时,依照由下至上的顺序,顺次为土基层、垫层、基层、面层。(2)某些参数的确定需要以另外某些变量为前提的。比如说,路面面层类型的选择需要参考公路等级和交通量等级,对于特重交通量或是高速公路某些面层就不合适。因此,面层类型的选择显然就应该在选择公路技术等级和计算交通量之后。其实,这一顺序也是符合一般的设计思路的。即首先确定公路等级和交通量等级,然后由下至上进行结构组合设计。(3)对于不同面层类型设计,共同的参数优先输入,尽量把流程的分支放到设计的末尾。例如,可靠度指标设计和交通量计算就是所有的面层设计都必须的步骤,应该在先;而各种面层类型的荷载应力指标和温度应力指标则是各有差异的,应该在后。这样的流程安排,可以让用户总是在一种熟悉、亲切的环境中开始设计,会很容易地产生驾轻就熟的感觉,建立起使用软件的信心。可以看到,其实以上几个原则并不会产生什么矛盾,这使得整个流程有一种内在的和谐和统一。4.2界面设计良好的界面无疑是一个优秀软件必不可少的要素。作为一个较为简单的工程软件,不一定对控件的布局、颜色的搭配等画面要素作太多讲究,但必须具备简洁、整齐、统一这几个优秀软件共有的界面特性。本文不打算对这些一般性的界面设计原则作过多的阐述,而主要介绍本软件在界面设计上的几个特点:(1)文本框的默认值设定。文本框是接受数据最常用的一个控件,一般把文本框内容预设为空,等待用户输入,这也未尝不可;但如果在文本框中预填入一个默认值,使得用户能够稍作修改,甚至不需要修改就能完成数据的输入,则是更加方便用户的做法。比如说,在输入混凝土弯拉强度标准值时,需要用户根据交通量等级,查新规范中相应表格,在符合规定要求的前提下选定一值。而默认值就可以设定为是对应交通量等级所要求的最小弯拉强度值。这样既能给用户一定的提示,又极大可能地避免了用户的非经验性修改。(2)文本框数据检验。在本例中,文本框所要接受的数据全部为数字。试想,如果输入时不慎输入一个字母,或是输入多个小数点,在计算时都可能使得程序发生错误而中断。因此,程序首先强制性地只接受数字键和小数点键;然后在输入完成,下一个窗体显示之前,对所有文本框中的内容进行检验,包括是否输入多个小数点、数据是否满足一定的大小要求等。最大程度地避免因用户输入不当而造成的程序中断。(3)提供简单的键盘操作。鼠标虽然是使用软件必不可少的外设,但仍有用户偏爱使用键盘,尤其是当需要输入大量的数据时,更是较为依赖键盘。在设计过程中,因为是采用向导的方式,所以可能要频繁地进行“进入下一步”或是“退回上一步”的操作,将它们分别设定为回车键和Esc键就比较方便了。窗体中如何在多个文本框中切换,可以通过按Tab键,使得光标从左至右、由上至下地移往下一个文本框。有了这两个键盘操作,相信大部分的操作都可以脱离鼠标了。(4)利用线性插值和曲线拟合等数学手段,将用户输入操作简化到最小。在手工设计过程中,经常需要用户查表格或是诺模图,操作繁琐,极为不方便,而且误差较大,影响了最终计算结果的准确性。软件利用线性插值和曲线拟合等数学手段,省去了这一繁琐操作,而由软件自动计算得到。既提高了设计效率,又保证了结果的准确性。其中曲线的拟合,综合考虑执行效率和相对误差后,确定采用3次多项式拟合,拟合结果经笔者取点验证,证明误差极小,精度满足要

5实例计算分析

笔者实际运行软件,计算新规范上已有的路面设计实例。将软件计算结果同新规范所列结果进行横向比较。列表（表略）可以看到,软件的计算结果同规范的计算结果相同,能够作为水泥混凝土路面的快速设计工具进行推广使用。

6结语

水泥混凝土路面设计的软件,和其他工程软件一样,首先要明确软件的功能需求和用户群体,做好功能分析,搭好框架流程,界面力求简洁、方便。总之,一个总体的原则是:以用户为主体、贴近用户的设计思路为指导,最大可能地方便用户的使用。