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1、第十六章 水泥混凝土路面设计第一节第一节 概述概述1设计理论设计理论n弹性地基上的小挠度薄板理论弹性地基上的小挠度薄板理论n水泥混凝土路面破坏的力学分析水泥混凝土路面破坏的力学分析n荷载的疲劳应力荷载的疲劳应力n温度翘曲应力温度翘曲应力n不均匀的基础变形使板底脱空而产生过大的弯拉应力不均匀的基础变形使板底脱空而产生过大的弯拉应力n水泥路面的破坏型式：断裂、唧泥、错台、拱起、接缝水泥路面的破坏型式：断裂、唧泥、错台、拱起、接缝挤碎等挤碎等n设计要求：荷载疲劳应力温度翘曲应力不超过混凝土设计要求：荷载疲劳应力温度翘曲应力不超过混凝土的抗弯拉强度即的抗弯拉强度即8/23/20242水泥混凝土路面设计
2、内容水泥混凝土路面设计内容n路面结构层组合设计路面结构层组合设计n混凝土面板厚度设计混凝土面板厚度设计n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n路肩设计路肩设计n路面排水设计路面排水设计n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8/23/20243第二节第二节 弹性地基板体系理论概述弹性地基板体系理论概述1.小挠度弹性薄板的基本假设小挠度弹性薄板的基本假设n薄板全厚度范围内的所有各点具有相同的竖向薄板全厚度范围内的所有各点具有相同的竖向位移。位移。n板内无横向剪切应变。板内无横向剪切应变。n中性面上各点无平行于中面的位移。中性面上各点无平行于中面的位移
3、。n在变形过程中，板与地基的接触面始终吻合，在变形过程中，板与地基的接触面始终吻合，即板面与地基表面的竖向位移是相同的。即板面与地基表面的竖向位移是相同的。n在板与地基的两接触面之间没有摩阻力（可以在板与地基的两接触面之间没有摩阻力（可以自由滑动），即接触面上的剪应力视为零。自由滑动），即接触面上的剪应力视为零。8/23/202442.板挠曲面微分方程板挠曲面微分方程8/23/20245板挠曲面微分方程板挠曲面微分方程n由力的平衡方程得：由力的平衡方程得：P板表面竖向荷载板表面竖向荷载q地基对板底面竖向反力地基对板底面竖向反力8/23/20246 1.1.精力充沛，能从容不迫地应付日常生活和工
4、作；精力充沛，能从容不迫地应付日常生活和工作； 2.2.处事乐观，态度积极，乐于承担任务，不挑剔；处事乐观，态度积极，乐于承担任务，不挑剔； 3.3.善于休息，睡眠良好；善于休息，睡眠良好； 4.4.应变能力强，能适应各种环境的变化；应变能力强，能适应各种环境的变化； 5.5.对一般感冒和传染病有一定抵抗力；对一般感冒和传染病有一定抵抗力； 6.6.体重适当，体态匀称，头、臂、臀比例协调；体重适当，体态匀称，头、臂、臀比例协调； 7.7.眼睛明亮，反映敏锐，眼睑不发炎；眼睛明亮，反映敏锐，眼睑不发炎； 8.8.牙齿清洁，无缺损，无疼痛，牙龈颜色正常，无出血；牙齿清洁，无缺损，无疼痛，牙龈颜色正
5、常，无出血； 9.9.头发光洁，无头屑；头发光洁，无头屑； 10.10.肌肉、皮肤富弹性，走路轻松。肌肉、皮肤富弹性，走路轻松。8/23/20247 具体可用具体可用“五快五快”( (肌体健康肌体健康) )和和“三良好三良好”( (精精神健康神健康) )来衡量。来衡量。 “ “五快五快”： 1 1、吃得快：进餐时，有良好的食欲，不挑剔食物，、吃得快：进餐时，有良好的食欲，不挑剔食物，并能很快吃完一顿饭。并能很快吃完一顿饭。 2 2、便得快：一旦有便意，能很快排泄完大小便，而、便得快：一旦有便意，能很快排泄完大小便，而且感觉良好。且感觉良好。 3 3、睡得快：上床后能很快入睡，且醒后头脑清醒，、
6、睡得快：上床后能很快入睡，且醒后头脑清醒，精神饱满。精神饱满。 4 4、说得快：思维敏捷，口齿伶俐。、说得快：思维敏捷，口齿伶俐。 5 5、走得快：行走自如，步履轻盈。、走得快：行走自如，步履轻盈。8/23/20248板中心挠曲面微分方程求解板中心挠曲面微分方程求解由上式由上式p、q、w、D知，知， P、D已知，如求得已知，如求得 的关系的关系 ，则可求出，则可求出W.进而可求出板应力进而可求出板应力 8/23/20249n两种地基模型：两种地基模型：n文克勒地基模型文克勒地基模型q(x,y)=kW(x,y)n弹性半空间地基模型弹性半空间地基模型 q(x,y)=fW(x,y)8/23/2024
7、10板内应力求解板内应力求解8/23/202411第三节第三节 水泥混凝土路面荷载应力分析水泥混凝土路面荷载应力分析1文克勒地基板的荷载应力分析无限大板文克勒地基板的荷载应力分析无限大板n文克勒地基模型文克勒地基模型q(x,y)=kW(x,y)n威斯特卡德威斯特卡德(H.M.S.Westergaard)求出三种荷位下无限求出三种荷位下无限大板的挠度、弯矩和板底的最大弯拉应力大板的挠度、弯矩和板底的最大弯拉应力8/23/202412第三节第三节 水泥混凝土路面荷载应力分析水泥混凝土路面荷载应力分析2弹性半空间体地基板的荷载应力分析弹性半空间体地基板的荷载应力分析n弹性半空间体地基弹性半空间体地基
8、q(x,y)=fW(x,y)n无限大板解析解无限大板解析解n有限尺寸矩形板有限尺寸矩形板n无解析解无解析解n可得到有限元解可得到有限元解8/23/202413第四节第四节 水泥混凝土路面温度应力分析水泥混凝土路面温度应力分析1.胀缩应力胀缩应力 混凝土面板设接缝划分为有限尺寸板后，混凝土面板设接缝划分为有限尺寸板后，因收缩而产生的应力很小，可不予考虑。因收缩而产生的应力很小，可不予考虑。2.翘曲应力翘曲应力n气温升降，板顶和板底产生温差，使板产生气温升降，板顶和板底产生温差，使板产生翘曲变形。翘曲变形。n翘曲应力公式（式翘曲应力公式（式1637、式、式1638）气温升高时气温升高时气温降低时气
9、温降低时8/23/202414第五节第五节 水泥混凝土路面板厚设计方法水泥混凝土路面板厚设计方法1设计依据结构可靠度设计方法设计依据结构可靠度设计方法1.可靠度设计标准可靠度设计标准公路等级公路等级高速高速一级一级二级二级三、四级三、四级安全等级安全等级一级一级二级二级三级三级四级四级设计基准期设计基准期30年年30年年20年年20年年目标可靠指标目标可靠指标1.641.281.040.84目标可靠度目标可靠度95%90%85%80%变异水平等级变异水平等级低低低低- -中中中中中中- -高高8/23/2024152.变异系数范围变异系数范围变异水平等级变异水平等级低低中中高高混凝土弯拉强度、
10、混凝土弯拉强度、弯拉弹性模量弯拉弹性模量0.050.100.100.15 0.150.20基层顶面当量模基层顶面当量模量量0.150.250.250.35 0.350.55面层厚度面层厚度0.020.040.040.06 0.060.088/23/2024163.可靠度设计表达式可靠度设计表达式n水泥混凝土路面结构设计以行车荷载和温度梯度水泥混凝土路面结构设计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，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：其表达式为：式中：式中： 可靠度系数，依所选目标可靠度及变异水平等级确定；可靠度系数，依所选目标可靠度及变异水平等级确定；
11、 行车荷载疲劳应力（行车荷载疲劳应力（MPa)，计算方法见后；计算方法见后； 温度梯度疲劳应力（温度梯度疲劳应力（MPa),计算方法见后；计算方法见后； 水泥混凝土弯拉强度标准值水泥混凝土弯拉强度标准值(MPa).8/23/202417可靠度系数可靠度系数变异变异水平水平等级等级目标可靠度目标可靠度(%)(%)95908580低低1.201.331.091.16 1.041.08-中中1.331.501.161.23 1.081.13 1.041.07高高-1.231.33 1.131.181.071.118/23/202418混凝土弯拉强度标准值混凝土弯拉强度标准值n水泥混凝土的强度以水泥混
12、凝土的强度以28天龄期的弯拉强度控制。当混凝天龄期的弯拉强度控制。当混凝土浇筑后土浇筑后90天内不开放交通时，可采用天内不开放交通时，可采用90天龄期的弯拉天龄期的弯拉强度。各交通等级要求的混凝土弯拉强度标准值不得低强度。各交通等级要求的混凝土弯拉强度标准值不得低于下表的规定：于下表的规定：交通等级交通等级特重特重重重中等中等轻轻水泥混凝土的弯拉强度标准值水泥混凝土的弯拉强度标准值(MPa)5.05.04.54.0钢纤维混凝土的弯拉强度标准值钢纤维混凝土的弯拉强度标准值(MPa)6.06.05.55.08/23/202419二、设计参数二、设计参数1.标准轴载：标准轴载：100KN的单轴双轮组
13、荷载的单轴双轮组荷载2.轴载换算：不同轴轮型和轴载的作用次数按下轴载换算：不同轴轮型和轴载的作用次数按下式换算为标准轴载的作用次数式换算为标准轴载的作用次数(P436式式16-1)：3.交通分级交通分级交通等级交通等级特重特重重重中等中等轻轻设计车道标准设计车道标准累计作用轴次累计作用轴次Ne(104)20001002000 31007m0.340.39行车道宽行车道宽7m0.540.628/23/2024235.水泥混凝土面层厚度的参考范围水泥混凝土面层厚度的参考范围交通等级交通等级特重特重重重公路等级公路等级高速高速一级一级二二级级高速高速一级一级二二级级变异水平等级变异水平等级低低中中低
14、低中中低低中中低低中中面层厚度面层厚度(mm)260250240240270230260220250交通等级交通等级中等中等轻轻公路等级公路等级二级二级三、四级三、四级三、四级三、四级三、四级三、四级变异水平等级变异水平等级高高中中高高中中高高中中面层厚度面层厚度(mm) 2402102302202202002302208/23/202424三、混凝土板荷载疲劳应力分析三、混凝土板荷载疲劳应力分析1.临界荷位：选取混凝土板的临界荷位：选取混凝土板的纵向边缘中部纵向边缘中部作为产生最大荷载和温度梯度综合疲劳损作为产生最大荷载和温度梯度综合疲劳损坏的临界荷位。坏的临界荷位。纵纵缝缝8/23/202
15、4252.标准轴载标准轴载 在临界荷位处产生的荷载疲劳应在临界荷位处产生的荷载疲劳应力力标准轴载标准轴载Ps在四边自由板的临界荷位在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力（处产生的荷载应力（MPa）考虑接缝传荷能力的应力折减系数考虑接缝传荷能力的应力折减系数考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作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用的疲劳应力系数考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数影响的综合系数标准轴载标准轴载Ps在临界荷位处产生的荷载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力（疲劳应力（MPa）8/23/202426四、温度疲劳应力分析四、温度疲劳应
16、力分析n在临界荷位处在临界荷位处的温度疲劳应力：的温度疲劳应力：最大温度梯度时混凝土板的最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力（温度翘曲应力（MPaMPa）考虑温度应力累计疲劳作用考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力系数的疲劳应力系数8/23/202427五、混凝土板厚度计算流程五、混凝土板厚度计算流程1.路面结构组合设计路面结构组合设计 根据相关的设计依据，进行行车道路面结构的组合设根据相关的设计依据，进行行车道路面结构的组合设计，即初拟路面结构，包括路床、垫层、基层和面层的计，即初拟路面结构，包括路床、垫层、基层和面层的材料类型和厚度。材料类型和厚度。2.初选混凝土路面层厚度初选混凝土路面层厚度 按混凝土面层厚度建议范围，依据交通等级、公路等按混凝土面层厚度建议范围，依据交通等级、公路等级和所选变异水平等级初选混凝土板厚。级和所选变异水平等级初选混凝土板厚。3.计算荷载疲劳应力和温度疲劳应力。计算荷载疲劳应力和温度疲劳应力。4.当当 时，则初选厚度可作为混凝土的计算板厚。否则，应改时，则初选厚度可作为混凝土的计算板厚。否则，应改选混凝土板厚，重新计算，直到满足上式要求。设计厚选混凝土板厚，重新计算，直到满足上式要求。设计厚度依计算厚度按度依计算厚度按10mm向上取整。向上取整。8/23/202428n ENDn 8/23/202429
