摘 要 随着道路等级和车速的提高、交通量的增长、轴载的加重，路面的损坏也越发严重。这说明高速交通的发展正冲击着原有路面结构的设计理论、原则与方法，因为已有的理论、原则和方法是以非高速交通下路面工程的经验总结和层状弹性理论分析为基础建立的。越来越多的实践表明，按照以往纯粹基于力学理论设计的沥青路面结构已不能满足目前对路面性能以及经济性的要求，也不能有效避免路面的早期损坏。文中针对这一状况，提出一种新的基于使用性能和技术经济分析的、包括新建和改建沥青路面结构设计在内的全寿命路面结构厚度优化设计新方法。该法以使用性能指标为控制指标，将寿命周期费用分析引入沥青路面结构设计，在对不同结构厚度组合进行使用性能分析和力学分析的基础上，分别以寿命周期内的最低总造价和最低总费用为经济优化标准，在实现路面结构、材料、荷载、环境与经济因素一体化并以性能为中心的基础上，给出不同等级公路新建沥青路面惟一的、最优的结构厚度组合，文中给出了设计示例。
关键词 沥青路面全寿命结构设计使用性能寿命周期费用分析
1. 引言
长期以来，路面的结构厚度设计都是路面设计的核心组成部分。合理的厚度设计可以使路面在特定的环境条件下承受预期的交通荷载而不发生过早的结构损坏，而且还应当是经济的。而目前，随着道路等级和车速的提高、交通量的增长、轴载的加重，路面的早期损坏越发严重。除了反思施工、材料等方面的因素外，人们逐渐意识到目前用于高等级公路的路面设计方法仅是低等级道路的简单延伸，并没有考虑到高等级道路的特点；而且，几乎所有的结构设计方法都只是给出从力学上满足交通要求的路面结构厚度，即保证路面具有足够的整体强度。
而有关研究表明，目前路面的许多损坏现象都是局部的损坏，与结构的整体强度之间的关系不大；路面的力学特性虽然保证了结构的整体抗力，但与使用性能之间缺乏明确的联系，无法把握设计的结构组合和力学强度所能提供的路面使用性能。而且，仅从力学角度考虑路面结构厚度选择，不能指导路面结构组合的定量设计，因此，很难优化设计路面的结构组合。为此，本研究拟从使用性能指标和力学指标两方面入手，构造一个新的路面结构设计方法———基于使用性能和技术—经济分析的全寿命沥青路面结构设计方法。该法从“结构、材料、荷载、环境、经济”等几方面考虑，借助于全寿命结构行为方程并通过寿命周期费用分析来选择既能满足力学指标又能满足使用性能指标的最经济合理的结构厚度组合，为不同等级公路的沥青路面的结构厚度设计提供理论指导。
2. 设计方法要点
2.1全寿命结构行为方程
全寿命结构行为方程是沥青路面结构厚度优化设计的理论基础。通过大量的数据分析以及长时间的积累，同济大学的孙立军教授等人建立了下列包括新建和改建沥青路面在内的全寿命结构行为方程。 
式中：PCI———路面损坏状况指数；
PCIO———初始损坏状况指数；
Y———使用年数；
A———寿命指数；
B———形状指数；
ESAL———分布日标准轴次（100kN）；
Lo———初始弯沉（0.01mm）；
a,b,c,d———回归系数或指数；
kA、kB———地区修正系数；
W———潮湿系数；
T———年均气温℃；
H———路面面层厚度（cm），罩面后，等效h=zmh+he；其中：
式中：he———有效厚度；
PCIt———罩面前路况指数；
Zmh———罩面厚度；
Hold———原沥青路面面层厚；
Λ,μ,ν———回归系数或指数。
有了该方程，就可以由工程所在地区、路面结构组成、基层类型、土基模量、交通轴载及预定的使用性能可接受标准等预测分析期内任一年的使用性能或达到要求性能时的使用年限，从而为整个寿命期内的路面结构厚度优化奠定可行的、良好的基础。
2.2 设计标准
1）性能控制标准
基于性能的设计方法是以路况指数PCI（百分制）为设计指标的，其控制标准就是指使用性能末期道路用户所能接受的路况最低水平。其值应根据道路等级、交通轴载、当地经济发展水平和人们对道路服务水平的接受能力等因素来定。根据目前的情况，拟采用三级典型标准：（1）高标准适用于高等级、高速、重交通道路路面的结构厚度设计，本文取PCh=70；（2）中标准适用于次高级、重交通道路路面的结构厚度设计，本文取PCh=65；（3）低标准适用于一般道路路面的结构厚度设计，本文取PCh=60。
2）经济优化标准
从管理部门角度考虑为道路的总造价（初期修建费、养护费、改建费、残值），从整个社会效益角度考虑为道路的总费用（初期修建费、养护费、改建费、用户费用、残值等）。为满足不同方面的需求及便于比较，本方法提供了这两种经济优化标准的优化结果。
2.3 寿命周期费用组成及模型
路面从设计开始到寿命期或分析期末，可能包含的费用有设计费、初期修建费、养护费、改建费等管理部门费用和车辆运营费、延误费、行程时间费、事故费等用户费用。考虑到路面设计和路面管理系统所关注的是由于路面使用性能的差异所带来的费用和效益上的差别，所以，费用分析时应着重考虑受使用性能影响的那些费用组成，而不必考虑所有费用项。本研究中考虑的费用有：初期修建费、养护费、改建费、用户费用（主要指车辆运营费）和残值（负的费用），车辆运营费用主要包括：燃油消耗、轮胎消耗和保修材料消耗费。各项费用计算模型详见文献
2.4寿命周期费用分析方法
费用分析的方法很多，如：现值法、年费用法、收益率法、效益-费用比法等。本研究根据分析的目的和路面工程的特点采用费用现值法，即把分析期内发生在不同时间的费用按某一预定的贴现率转换为现在的费用，以便于在共同的基础上进行比较。
3. 设计考虑因素
1）分析期分析期选择的长短对路面结构厚度优化结果有显著影响。分析期选择得长，许多参数的选择误差就大，如：各种维修和改建措施的组合、交通量的预估等；而分析期选择得短，某些因素的影响难以体现。一般情况下，分析期内应至少包含一次罩面或改建活动。
2）环境因素环境因素主要用当地的潮湿系数和年平均温度来反映，环境因素对结构设计结果的影响通过对使用性能的影响得以体现。
3）交通因素交通轴载对路面结构的影响非常复杂。为简便计，本方法主要考虑两个交通指标：年平均日交通量（AADT）和当量日标准轴次（ESAL）。
4）材料因素目前对材料因素的考虑主要体现在路面各结构层类型和模量的选取上。
5）土基状况本方法仅用土基模量来反映土基状况，而土基模量对结构设计结果的影响是通过弯沉的影响得以体现的。
6）结构组合这里主要指结构层数和基层类型。为使研究结果具有较强的适用性，本方法考虑了各种结构层数并可实现半刚性基层和碎砾石柔性基层两类基层类型的优化设计。
7）价格因素由于本方法考虑了经济因素，所以，材料价格不可避免地将对设计结果产生影响。本方法并不强求采用强基薄面或弱基厚面的结构组合方式，而是在满足力学性能和使用性能要求的前提下，根据各结构层材料的价格状况，寻求一种均衡的结构组合方式，使路面的总造价或总费用最低。
8）罩面或改建方案分析期内路面可能要经过几次罩面或改建活动，这些措施的不同组合对路面性能会产生不同影响，从而对最终设计结果产生影响。本方法并不限制具体的罩面厚度，而是给定一个范围，通过计算机搜索来寻求最佳的罩面厚度。所以，最后的输出结果不仅为各结构层的厚度组合，还包括不同性能期的罩面厚度组合。
9）折现率折现率是方案经济评价中的一个重要参数，它的选择对于比较方案在经济上的优劣次序有重要影响。一般规则是所选取的折现率不应低于资金的机会成本或最低回收率。实际应用中，一般多采用国家计委、建设部定期公布的行业基准收益率。
4. 设计软件功能
为实现该方法的设计思想，本研究研制了基于WINDOWS下的设计软件，该软件的主要特点和功能如下：
1）设计参数输入简便、直观，设计结果显示清晰、明了；
2）适用于不同道路等级、不同结构层数、不同环境地区、不同交通轴载和组成、不同基层类型（半刚性基层和碎砾石柔性基层）等的沥青路面结构厚度优化和最佳罩面时机与最佳罩面厚度的选择；
3）可根据需要选择不同的设计标准、不同的分析期、不同的折现率、不同的材料类型和模量等参数；
4）对于新建沥青路面结构厚度优化设计，可根据需要选择不同的结构厚度搜索范围和步距以及寿命期内罩面厚度搜索范围和步距等；
5）确定最佳罩面或改建方案时，可根据需要和使用经验选择不同的罩面时机和罩面厚度搜索范围和步距；
6）可实现任何给定结构在给定条件下的性能分析和寿命周期费用分析；
7）可同时给出不同经济优化标准下的优化结果，并绘出分析期内使用性能衰变曲线对比图。
5. 设计示例
为说明该方法的应用，本文举一个四层结构半刚性基层沥青路面厚度优化设计的例子。
为便于对比，在限定其它条件的基础上给出两种设计条件（见下文）、三级设计标准（低、中、高）和两种经济优化标准下的优化结果。
5.1 设计资料
沥青路面结构厚度优化基本设计资料示例（标准轴载为BZZ-100） 表1
面层厚度优化搜索范围为：8~30cm；基层厚度优化搜索范围为：15~45cm；垫层厚度优化搜索范围为：15~30cm；罩面厚度优化搜索范围为：2.0~8.0cm。
5.2 优化设计结果及分析
路面结构的全寿命设计结果不仅仅为不同结构层的厚度组合，还包括不同性能期的罩面厚度组合。由表2和表2可以得知：
优化设计结果举例 表2
不同设计结果下的寿命周期费用（单位：万元/公里） 表3
1）当其它条件相同时，设计条件不同（限制与不限制y1）对优化设计结果影响很大，限制第一性能期长度比不限制优化的结构厚度要大，总造价和总费用都要高；
2）随设计标准的提高，面层厚度的优化结果明显增加，结构增强，导致总造价增加；而又由于性能水平的提高，导致分析期内的养护费用和用户费用降低，从而总费用降低；
3）不同经济优化标准的差别有时不很明显，但总体来说，按总费用优化的结构要强于按总造价优化的结构，而且二者的差别更多地体现在未来的罩面或改建活动上。设计程序同时给出了两种经济优化标准的优化结果在分析期内的性能衰变曲线对比图，限于篇幅，这里仅提供按高标准优化的结果，见图1和图2。由这两图可以看出，限制与不限制y1对设计结果的影响很大，而不同经济优化标准的差别不很明显。
6. 结语
针对目前国内外有关沥青路面结构设计方法的不足，本文提出一种新的基于使用性能和寿命周期费用分析的、包括新建和改建沥青路面结构设计在内的全寿命沥青路面结构厚度优化设计方法。该法是在考虑结构、材料、荷载、环境、经济等因素的基础上，分别以寿命周期内的最低总造价和最低总费用为经济优化标准得出既能满足力学指标又能满足使用性能指标的经济合理的结构厚度组合以及罩面厚度组合，可实现给定条件下（如：分析期、折现率、不同结构层厚度和罩面厚度的搜索范围和步距、交通量大小和交通组成等）并满足不同设计要求的沥青路面结构厚度的优化设计。该设计方法的得出，可弥补长期以来我国沥青路面结构设计方法中对使用性能和经济因素考虑的不足，真正实现路面结构厚度组合的定量设计及解的惟一，对沥青路面结构厚度组成设计具有理论参考意义。
参考文献
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(刘黎萍 孙立军)
