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1、2024/7/253、路面结构设计原则(yunz)：4、路面结构设计内容：1路面结构层组合设计2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4路肩设计5普通混凝土路面的钢筋配筋率设计第1页/共76页第一页，共77页。2024/7/2516.2弹性地基板力学(lxu)模型第2页/共76页第二页，共77页。2024/7/25第3页/共76页第三页，共77页。2024/7/25微分(wifn)单元受力图注意(zh y)：上图中荷载p(x,y)dxdy和地基反力q(x,y)dxdy未标出。第4页/共76页第四页，共77页。2024/7/25第5页/共76页第五页，共77页。2024/7/25第6
2、页/共76页第六页，共77页。2024/7/25第7页/共76页第七页，共77页。2024/7/252）板与地基接触条件假设(jish)（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。 第8页/共76页第八页，共77页。2024/7/25假定(jidng)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。第9页/共76页第九页，共77页。2024/7/2516.3Winkler地基(dj)无限大板解第10页/共76页第十页，共77页。2024/7/25第11页/共76页第十一页，共77页。2024
3、/7/2516.4Westergaard荷载(hzi)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(binyun)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的分角线上第12页/共76页第十二页，共77页。2024/7/25第13页/共76页第十三页，共77页。2024/7/25第14页/共76页第十四页，共77页。2024/7/25第15页/共76页第十五页，共77页。2024/7/2516.5弹性(tnxng)半空间地基无限大板解第16页/共76页第十六页，共77页。2024/7/2516.6弹性半空间(
4、kngjin)地基双层板荷载应力分析1、第17页/共76页第十七页，共77页。2024/7/252、结合(jih)式：第18页/共76页第十八页，共77页。2024/7/25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。上层(shngcng)：下层：公式见书P468。第19页/共76页第十九页，共77页。2024/7/2516.7胀缩应力温度均匀(jnyn)升降所引起第20页/共76页第二十页，共77页。2024/7/25第21页/共76页第二十一页，共77页。2024/7/2516.8翘曲(qioq)应力顶、底面温差(温度梯度)引起原因：板的自重、地基负反力、邻板约束原
5、因：板的自重、地基负反力、邻板约束(yush)等。等。大板板中面曲率：大板板中面曲率：第22页/共76页第二十二页，共77页。2024/7/251)文克勒(k l)地基板:第23页/共76页第二十三页，共77页。2024/7/25对于较厚的板，应考虑由于温度(wnd)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(fnb)引起的内应力后，板中：板边缘中点：式中， 温度应力系数，第24页/共76页第二十四页，共77页。2024/7/25第25页/共76页第二十五页，共77页。2024/7/25 2) 弹性半空间体地基(dj)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翘曲应力。
6、 按照文克勒地基(dj)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(dj)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：第26页/共76页第二十六页，共77页。2024/7/25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(bnjng)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
7、线1得板中点的Cx=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 第27页/共76页第二十七页，共77页。2024/7/25板边温度(wnd)翘曲应力t(边)：短边中点(zhn din)：ty= 长边中点(zhn din)：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： 第28页/共76页第二十八页，共77页。2024/7/2516.9国内水泥混凝土路面(lmin)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(z
8、uyng)产生的疲劳断裂第29页/共76页第二十九页，共77页。2024/7/2516.10设计(shj)参数第30页/共76页第三十页，共77页。2024/7/25二、交通分级、设计使用年限和累计(lij)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(jiotng)分级与设计使用年限及初估板厚车轮轮迹横向(hn xin)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、
9、四级公路行车道宽7m0.340.390.500.60行车道宽7m0.540.620.600.70第31页/共76页第三十一页，共77页。2024/7/25三、基层顶面的当量回弹(hu dn)模量和计算回弹(hu dn)模量1）当量(dngling)回弹模量：第32页/共76页第三十二页，共77页。2024/7/25第33页/共76页第三十三页，共77页。2024/7/25d、解析( jix)法：第34页/共76页第三十四页，共77页。2024/7/25基层顶面的当量(dngling)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(j sun)回弹模量：
10、第35页/共76页第三十五页，共77页。2024/7/25四、水泥混凝土的设计强度和弯拉弹性模量1）混凝土面板(min bn)：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 混凝土的设计(shj)弯拉强度与弹性模量 第36页/共76页第三十六页，共77页。2024/7/25五、最大温度梯度各地区不相同的可能产生(chnshng)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。第37页/共76页第三十七页，共77页。2024/7/25六、可靠(kko)度设计
11、标准第38页/共76页第三十八页，共77页。2024/7/25第39页/共76页第三十九页，共77页。2024/7/2516.11荷载疲劳(plo)应力1、第40页/共76页第四十页，共77页。2024/7/25回归(hugu)公式：第41页/共76页第四十一页，共77页。2024/7/25挠度(nod)传荷系数:应力(yngl)2、接缝(ji fn)传荷能力：第42页/共76页第四十二页，共77页。2024/7/25第43页/共76页第四十三页，共77页。2024/7/25各类接缝(ji fn)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5
12、0550.840.86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77820.760.84第44页/共76页第四十四页，共77页。2024/7/253、疲劳(plo)应力系数第45页/共76页第四十五页，共77页。2024/7/254、 综合影响(yngxing)系数Kc: 考虑偏载和动载等因素综合(zngh)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kc1.301.251.201.10第46页/共76页第四十六页，共77页。2024/7/255、荷载疲劳(plo)应力：第47页/共76页第四十七页，共77页。2024/7/2516.12温度(
13、wnd)疲劳应力第48页/共76页第四十八页，共77页。2024/7/25温度(wnd)应力疲劳作用系数kt的解析法：a、b、c为各公路(gngl)自然区划的回归系数。第49页/共76页第四十九页，共77页。2024/7/25温度应力疲劳作用(zuyng)系数kt第50页/共76页第五十页，共77页。2024/7/2516.13板厚设计(shj)第51页/共76页第五十一页，共77页。2024/7/25安全等级目标(mbio)可靠度变异(biny)水平等级可靠(kko)度系数 r第52页/共76页第五十二页，共77页。2024/7/2516.14路面(lmin)厚度设计示例公路自然区划区拟新建
14、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(hzi)累计作用次数按公式计算：属重交通(jiotng)等级。第53页/共76页第五十三页，共77页。2024/7/252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( jcng)选用水
15、泥稳定粒料（水泥用量5），厚0.18m,垫层为0.15m低剂量无机结合料稳定土。普通混凝土板的平面尺寸为宽4.5m,长5m,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5.0MPa,相应弯拉弹性模量标准值查参考值表为31GP。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30MPa，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600MPa，水泥稳定粒料基层( jcng)回弹模量为1300MPa。第54页/共76页第五十四页，共77页。2024/7/254计算( jsun)基层顶面当量回
16、弹模量第55页/共76页第五十五页，共77页。2024/7/255、普通混凝土面层的刚度半径(bnjng)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。第56页/共76页第五十六页，共77页。2024/7/257、荷载疲劳(plo)应力第57页/共76页第五十七页，共77页。2024/7/258、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(ptng)混凝土
17、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、温度疲劳应力第58页/共76页第五十八页，共77页。2024/7/2511、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(ynr)，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。第59页/共76页第五十九页，共77页。2024/7/2516.15混凝土面板(minbn)接缝设计和配筋设计1、接缝
18、(jifn)设计2、配筋设计：钢筋混凝土面层连续配筋混凝土面层第60页/共76页第六十页，共77页。2024/7/2516.16水泥混凝土路面(lmin)加铺层设计第61页/共76页第六十一页，共77页。2024/7/25由弯沉值计算(j sun)确定：第62页/共76页第六十二页，共77页。2024/7/25（4）沥青(lqng)混凝土罩面（5）破碎混凝土路面板加铺第63页/共76页第六十三页，共77页。2024/7/25第64页/共76页第六十四页，共77页。2024/7/254）理论(lln)设计法：荷载应力：层间结合(jih)系数：分离式结合(jih)式：第65页/共76页第六十五页，
19、共77页。2024/7/25荷载(hzi)疲劳应力：第66页/共76页第六十六页，共77页。2024/7/25最大温度(wnd)翘曲应力：温度(wnd)疲劳应力：第67页/共76页第六十七页，共77页。2024/7/25加铺层厚度(hud)设计：第68页/共76页第六十八页，共77页。2024/7/25加铺层(复合)路面(lmin)结构设计例题:(见书P494)第69页/共76页第六十九页，共77页。2024/7/2516.17其它设计方法(fngf)简介(1)(1)理论法：美国的PCAPCA法及苏联的设计方法；(2)(2)试验(shyn)(shyn)路法：美国的AASHTOAASHTO法；(
20、3)(3)典型结构图表法：法国的设计方法。 第70页/共76页第七十页，共77页。2024/7/25一、理论法：波特兰水泥协会(PCA)法 应用文克勒(k l)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 第71页/共76页第七十一页，共77页。2024/7/25二、试验(shyn)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(zuyng)次数、路面结构厚度和使用性能之间的经验关系式
21、： 以使用性能内路面(lmin)耐用指数的总变化量为设计标准。第72页/共76页第七十二页，共77页。2024/7/25本章(bnzhn)基本要求了解弹性地基板体系理论；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(chcun)和接缝设计；了解复合式混凝土路面厚度设计、水泥混凝土路面上加铺层设计方法；了解国外有关设计方法。第73页/共76页第七十三页，共77页。2024/7/25思考题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？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。计算水泥混凝土路面板的行车
22、荷载应力有哪些方法？各适用于什么场合？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？水泥混凝土路面的结构组合特点如何？各层次的作用(zuyng)及考虑的主要因素与沥青路面有何不同？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？水泥混凝土路面板的厚度和平面尺寸是如何确定的？水泥混凝土路面板为何要设置接缝？分块的原则是什么？路面板的接缝按其位置、作用(zuyng)和构造分为哪几种？如何考虑水泥混凝土路面的加铺设计？第74页/共76页第七十四页，共77页。2024/7/25计算题2、广东某地新建高速公路(osnl)水泥混凝土路面，设计车道使用初期，拟定路面结构如下图
23、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(lol)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(lol)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(lol)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）。第75页/共76页第七十五页，共77页。2024/7/25感谢您的欣赏(xnshng)！第76页/共76页第七十六页，共77页。内容(nirng)总结2021/11/10。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。查图16-10曲线1得板中点的Cx=0.948,Cy=0.544。故板中温度翘曲应力t(中)：。6）极限(jxin)状态：行车荷载和温度荷载综合作用产生的疲劳断裂。三、基层顶面的当量回弹模量和计算回弹模量。临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数查表查表取0.39。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第七十七页，共77页。
