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1、路基路面工程HongxiaTAN第16章水泥混凝土路面设计7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN16.1 概述1、路面结构特征：、路面结构特征：1、混凝土的强度远大于基层和土基的强度；2 、水泥混凝土本身的抗压强度远大于抗折强度；3 、基层表面与路面板间摩擦力较小；4、 板块厚度相对与平面尺寸较小，板块在荷载作用下的挠度（竖向位移）很小；5、混凝土板在自然条件下，存在沿板厚方向的温度 梯度，会产生翘曲现象，如果受到约束，会在板中产生翘曲应力。 6 、荷载多次重复作用，温度梯度也反复变化，混凝土板有疲劳现象。 2、路面结构设计理论与方法：、路面结构设计理论与方法：结构体系: 弹性层状
2、体系设计指标: 抗弯拉强度设计标准: r(p+t )fcm 7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN3、路面结构设计原则：、路面结构设计原则：4、 路面结构设计内容：路面结构设计内容：1路面结构层组合设计路面结构层组合设计 2混凝土面板厚度设计混凝土面板厚度设计 3混凝土面板的平面尺寸与接缝设计混凝土面板的平面尺寸与接缝设计 4路肩设计路肩设计 5普通混凝土路面的钢筋配筋率设计普通混凝土路面的钢筋配筋率设计7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN16.2 弹性地基板力学模型7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN微
3、分单元受力图注意：上图中荷载p(x,y)dxdy和地基反力q(x,y)dxdy未标出。7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN2）板与地基接触条件假设（1）变形过程中板与地基始终紧密接触，因此板面、板底竖向位移与地基顶面位移相等。（2）接触面上只有竖向力，无水平摩阻力。 7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN假定地基是各向同性的弹性半空间体，这时地基在荷载作用范围内、外均产生变形和反力。7/22/2024路基路面工程Hong
4、xiaTAN16.3 Winkler地基无限大板解7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN 16.4 Westergaard荷载应力公式（Winkler地基）三个临界荷位： 1、 作用在板中； 2、 作用在板边缘中部； 3、 作用在板角。 最大弯拉应力位置：1 、荷载中心处板底；2 、荷位下板底；3、 板表面距板角点x1的分角线上7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN16.5
5、 弹性半空间地基无限大板解7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN16.6 弹性半空间地基双层板荷载应力分析1、7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN2、结合式：7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN 或用单层板的方法求解双层板的总弯矩，分别计算上、下层板底的弯拉或用单层板的方法求解双层板的总弯矩，分别计算上、下层板底的弯拉应力。应力。上层：上层：下层：下层：公式见书公式见书P468。7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN16.7 胀缩应力温度均匀升降所引起7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN7/22/2024路基路面工程Hongxi
6、aTAN16.8 翘曲应力顶、底面温差(温度梯度)引起原因：板的自重、地基负反力、邻板约束等。原因：板的自重、地基负反力、邻板约束等。大板板中面曲率：大板板中面曲率：7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN1)文克勒地基板:7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN对于较厚的板，应考虑由于温度的非线性分布而引起的内应力。 考虑温度沿板厚非线性分布引起的内应力后，板中：板边缘中点：式中， 温度应力系数，7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN 2) 弹性半空间体地基上板的翘曲应力，目前尚无解析解，可采用有限元法计算板内
7、翘曲应力。 按照文克勒地基板计算翘曲应力的假设，采用有限元法计算了弹性半空间体地基上板的翘曲应力。根据所得结果，绘出图16-10中的曲线1和2。此时板的刚性半径计算公式为：7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN例: 路面板长L=5m，板宽B=3.5m，厚24cm,Ec=2.8104，c=0.15，K=80MPa/m,=10-5，板的温度梯度为85m，求温度翘曲应力和考虑内应力的温度翘曲应力。解: 1、由板和地基参数得板的刚性半径为： 查图16-12中的曲线3，计算翘曲应力：由L/l=5/0.801=6.24 , B/l=3.5/0.801=4.37查图16-10曲线1得板中点的Cx
8、=0.948,Cy=0.544故板中温度翘曲应力t(中)：沿长边方向： tx= 沿短边方向： ty= m 7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN板边温度翘曲应力t(边)：短边中点：ty= 长边中点：tx= 2、考虑内应力的温度翘曲应力 采用同样的方法可得： 板中部：板边缘中点： 7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN16.9 国内水泥混凝土路面设计方法3）地基模型：弹性半空间地基有限大矩形板4）标准轴载：100kN单轴双轮5）设计方法：采用可靠度6）极限状态：行车荷载和温度荷载综合作用产生的疲劳断裂7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN16.10 设计参数
9、7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN二、交通分级、设计使用年限和累计作用次数 ：交通等级使用初期设计车道日标准轴载作用次数(n/d)设计使用年限(t)初估板厚(cm)普通混凝土碾压混凝土特重1500302526重20015003023252426中等52002021232224轻5202122交通分级与设计使用年限及初估板厚车轮轮迹横向分布系数 公路等级纵缝边缘横缝边缘高速、一级公路0.170.220.400.55二级、三级、四级公路行车道宽7m0.340.390.500.60行车道宽7m0.540.620.600.707/22/2024路基路面工程HongxiaTAN三、基层顶
10、面的当量回弹模量和计算回弹模量1）当量回弹模量：7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN7/22/2024路基路面工程HongxiaTANd、解析法：7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN基层顶面的当量回弹模量Et 交通等级特重重中等轻当量回弹模量Et(MPa)12010080602）计算回弹模量：7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN四、水泥混凝土的设计强度和弯拉弹性模量1）混凝土面板：以 小梁试件确定强度、模量值交通等级特重重中等轻fcm （MPa）5.05.04.54.0Ec （MPa）30000300002800027000Ec=1.44*104 混凝
11、土的设计弯拉强度与弹性模量 7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN五、最大温度梯度 各地区不相同的可能产生的沿板厚最大 的温度变化速率。用于考虑板块可能产 生的最大温度应力。 7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN六、可靠度设计标准7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN16.11 荷载疲劳应力1、7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN回归公式：7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN挠度传荷系数:应力2、接缝传荷能力：7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN7/22/2024路
12、基路面工程HongxiaTAN各类接缝的传荷系数 接缝类型挠度传荷系数Ew（%）应力传荷系数kj设传力杆胀缝600.82不设传力杆胀缝50550.840.86设传力杆缩缝750.75设拉杆平口纵缝35550.870.92设拉杆企口纵缝77820.760.847/22/2024路基路面工程HongxiaTAN3、疲劳应力系数7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN4、 综合影响系数Kc: 考虑偏载和动载等因素综合系数kc公路等级高速公路一级公路二级公路三、四级公路综合系数kc1.301.251.201.107/22/2024路基路面工程HongxiaTAN5、荷载疲劳应力：7/22/2
13、024路基路面工程HongxiaTAN16.12 温度疲劳应力7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN温度应力疲劳作用系数kt的解析法：a、b、c为各公路自然区划的回归系数。7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN温度应力疲劳作用系数kt7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN16.13 板厚设计7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN安全等级目标可靠度变异水平等级可靠度系数 r7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN16.14 路面厚度设计示例 公路自然区划区拟新建一条二级公 路，路基为粘质土，采用普通混凝土路 面，路面宽 9m，经交通调查得
14、知，设计车道使用初期标准轴载日作用次数为2100，试设计该路面厚度。1、 交通分析 二级公路的设计基准期查表为20年，其可靠度设计标准的安全等级查表为三级。临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数查表查表取0.39。取交通量年增长率为5。设计基准期内的设计车道标准荷载累计作用次数按公式计算：属重交通等级。7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN2 初拟路面结构 相应于安全等级三级的变异水平等级为 中级。根据二级公路、重交通等级和中 级变异水平，初拟普通混凝土面层厚度 0.22m 基层选用水泥稳定粒料（水泥 用量 5），厚 0.18m, 垫层为 0.15 m低剂 量无机结合料稳定土。普通混凝土
15、板的 平面尺寸为宽 4.5 m,长5 m,纵缝为设拉 杆平缝，横缝为不设传力杆的假缝。3 路面材料参数确定 取重交通等级的普通混凝土面层弯拉强度标准值查表为 5.0 MPa ,相应弯拉弹性模量标准值查 参考值表为 31 GP 。 根据中湿路基路床顶面回弹模量经验参考值 表，取路基回弹模量为30 MPa ，根据垫层、基 层材料回弹模量经验参考值表，取低剂量无机结合料稳定土垫层回弹模量为 600 MPa ，水泥稳 定粒料基层回弹模量为 1300 MPa 。 7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN4 计算基层顶面当量回弹模量7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN5 、普通混凝
16、土面层的刚度半径和荷载应力6、修正系数确定 因纵缝为设拉杆平缝，查表得到接缝传荷能力的应力折减系数Kj=0.87； 考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数 根据公路等级，查表得到考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数为1.20。7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN7、荷载疲劳应力 7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN8、温度疲劳应力参数 区最大温度梯度查表取 （88/m），板长5m，L/r=5/0.67=7.46，查图得普通混凝土板厚h=0.22m，Bx0.71，按公式计算最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力：9、温度疲劳应力系数10、温度疲劳
17、应力7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN 11、可靠度系数 二级公路的安全等级为三级，相应于三级安全等级的变异水平等级为中级，目标可靠度根据查表为85。由查得的目标可靠度和变异水平等级，查表确定可靠度系数为1.13。12、判断结构是否满足要求 因而，所选普通混凝土面层厚度（0.22m）可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN16.15 混凝土面板接缝设计和配筋设计1、接缝设计、接缝设计2、配筋设计：、配筋设计： 钢筋混凝土面层钢筋混凝土面层 连续配筋混凝土面层连续配筋混凝土面层7/22/2024路基路面工程Hongx
18、iaTAN16.16 水泥混凝土路面加铺层设计7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN由弯沉值计算确定：7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN（4）沥青混凝土罩面（5）破碎混凝土路面板加铺7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN4）理论设计法：荷载应力：层间结合系数：分离式结合式：7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN荷载疲劳应力：7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN最大温度翘曲应力：温度疲劳应力：7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN加铺层厚度设计：7/22/2024路基路
19、面工程HongxiaTAN加铺层(复合)路面结构设计例题:(见书P494)7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN16.17 其它设计方法简介 (1)(1)理论法：美国的理论法：美国的PCAPCA法及苏联的设计方法；法及苏联的设计方法；(2)(2)试验路法：美国的试验路法：美国的AASHTOAASHTO法；法；(3)(3)典型结构图表法：法国的设计方法。典型结构图表法：法国的设计方法。 7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN一、理论法：波特兰水泥协会(PCA)法 应用文克勒地基上弹性薄板理论 ，横缝边缘作为计算应力的临界荷载位置 ，采用荷载安全系数以考虑汽车的超载、轮载分
20、配的不均匀性和冲击作用等因素所引起的荷载增大。累加各级轴载对疲劳抗力的利用率来选定路面厚度. 11.25 7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN二、试验路法：美国各州公路工作者协会(AASHTO)法 以足尺试验路为基础，经过长期的观测，建立起轴载作用次数、路面结构厚度和使用性能之间的经验关系式： 以使用性能内路面耐用指数的总变化量为设计标准。7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN本章基本要求1.了解弹性地基板体系理论；2.掌握水泥混凝土路面荷载应力分析、水泥混凝土路面温度应力分析、水泥混凝土路面板厚设计方法、水泥混凝土路面平面尺寸和接缝设计；3.了解复合式混凝土路面厚度
21、设计、水泥混凝土路面上加铺层设计方法；4.了解国外有关设计方法。7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN思考题1.水泥混凝土路面的主要损坏现象有哪些？在设计中是如何考虑的？2.试比较小挠度弹性地基薄板理论弹性层状体系理论的不同处和适用性。3.计算水泥混凝土路面板的行车荷载应力有哪些方法？各适用于什么场合？4.如何分析计算路面板因温度变化而产生的胀缩应力和翘曲应力？5.水泥混凝土路面的结构组合特点如何？各层次的作用及考虑的主要因素与沥青路面有何不同？6.设计水泥混凝土路面时，对交通荷载的考虑与设计沥青路面时比较，有何异同？7.水泥混凝土路面板的厚度和平面尺寸是如何确定的？8.水泥混凝土
22、路面板为何要设置接缝？分块的原则是什么？9.路面板的接缝按其位置、作用和构造分为哪几种？10.如何考虑水泥混凝土路面的加铺设计？7/22/2024路基路面工程HongxiaTAN计算题2、广东某地新建高速公路水泥混凝土路面，设计车道使用初期， 拟定路面结构如下图所示，试确定混凝土面层厚度和板的平面尺寸。 水泥混凝土水泥稳定砂砾砂砾路基 1、某二级公路其中一段需要改建，拟在老路面上加铺水泥混凝土板。 现该路面属于中等交通等级，要求基层顶面的当量回弹模量Et=60MPa，用黄河JN-150型汽车在不利季节实测老路面的弯沉值经统计整理得到的计算弯沉值为l0=250（0.01mm）。问：老路现有强度是否满足Et的要求？若不满足，请计算补强层厚度（用石灰土补强，其弹性模量为E=300MPa）。7/22/2024
