水泥混凝土路面结构设计.ppt

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1、【本章要求】,1.了解混凝土路面的损坏模式及其设计要求。2.建立弹性地基板理论的基本概念，学会混凝土板内荷载应力和温度应力的实用计算方法。3.能正确运用现行设计规范进行混凝土路面结构设计。4.懂得钢筋混凝土路面板和混凝土加铺层的设计原理。,第九章 水泥混凝土路面结构设计,水泥混凝土路面：包括普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土、预应力混凝土、装配式混凝土和钢纤维混凝土等面层板和基（垫）层所组成的路面。普通混凝土路面：是指除接缝区和局部范围（边缘和角隅）外不配置钢筋的混凝土路面。,基本概念,二、特点优点：强度高：稳定性好：耐久性好：能见度好：平整度和粗糙度好：养护费用少，运输成本低,缺点：水和

2、水泥用量大有接缝，舒适性差开放交通迟：修复困难：对超载敏感；,断裂；唧泥；拱起；错台；接缝挤碎等。,9.1 混凝土路面的损坏模式和设计要求,一、损坏模式,水泥混凝土路面的损坏模式,(1)断裂现象：路面板内的应力超过混凝土强度会出现横向、纵向、斜向或板角的拉断和折断裂缝，严重时，裂缝交叉而使路面板破裂成碎块(称破碎板)。原因：板太薄或轮载过重和作用次数过多，板的平面尺寸大大(使温度应力过大)，地基过量或不均匀下沉使板底脱空失去支承，施工养生期间收缩应力过大或混凝土强度不足，等等。,挤碎现象：在接缝(主要是胀缝)附近数十厘米范围内的板因受挤压而碎裂。原因：胀缝内的滑动传力杆排列不正或不能正常滑动，

3、缝隙内有混凝土搭连或落入坚硬的杂屑等，使路面板的伸张受到阻碍，在接缝处边缘部分产生较高的挤压应力而剪裂成碎决。,水泥混凝土路面的损坏模式,水泥混凝土路面的损坏模式,拱起现象：混凝土路面板在热膨胀受阻时，接缝两侧的板突然向上拱起。原因：板收缩时接缝缝隙张开，填缝料失效，硬物嵌满缝隙，致使板受热膨胀时产生较大的热压应力，从而出现这种纵向屈曲失稳现象。采用膨胀性较大的石料(如硅质岩石等)作粗集料，容易引起板块拱起。,水泥混凝土路面的损坏模式,唧泥现象：车辆行经接缝或裂缝时，由缝内喷溅出稀泥浆的现象。原因：在轮载的频繁作用下，基层(地基)产生塑性变形累积面同混凝土板脱离接触，水分沿缝隙下渗而积聚在脱空

4、的间隙内，又在轮载作用下积水变成有压水，并同基层内浸湿的细料混搅成泥浆，再沿缝隙喷溅出来，唧泥会使路面板边缘和角隅部分逐步失去支撑，而导致断裂。,水泥混凝土路面的损坏模式,原因：横缝处传荷能力不足，车轮经过时相邻板端部会出现挠度差，使沿缝隙下渗的水带着基层被冲蚀的碎屑向后方板下运动，把该板抬起。胀缝下部填缝板与上部缝槽未能对齐，或胀缝两侧混凝土壁面不垂直，使缝旁两板在伸胀持压过程中，会上下错位而形成错台。当交通量或地基承载力在横向各块板之间不一致时，纵缝止也会产生错台现象。错台的出现，降低了行车的平稳性和舒适性。,(5)错台现象：接缝或裂缝两侧路面板端部出现的竖向相对位移。,水泥路面的设计标准

5、,水泥路面结构设计的主要内容,路面结构层组合设计混凝土面板厚度设计混凝土面板的平面尺寸与接缝设计路肩设计混凝土路面的钢筋配筋设计,2.轴载当量换算,混凝土路面交通等级,1.设计基准期,3.交通调查和轴载分析,交通量车道分布系数,交通量调查可获得公路设计基准期初期的年平均日交通量（双向）和车辆组成数据，（轻型车对混凝土路面的疲劳损伤可以忽略不计）。考虑车辆在横断面上分布不均匀，且车道数不同，分布概率也不同。,NS=N1 方向系数（一般为0.5）车道分配系数 NS基准初年年平均日交通量AADT(单向)N1年平均日交通量（双向）,4.标准轴载累计当量作用次数,临界荷位车辆轮迹横向分布系数,交通分级,

6、5.交通等级划分,水泥混凝土路面所承受的轴载作用，按设计基准期内设计车道临界荷位承受的标准轴载当量累计作用次数分为下表所列四级。,水泥混凝土路面的力学特性,1、混凝土板的强度及模量基层和土基的强度及模量；2、水泥混凝土板本身的抗压强度抗折强度；3、板块厚度相对于平面尺寸较小，板块在荷载作用下的绕 度很小；4、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，如收到约束，会在板内产生翘曲应力；5、荷载重复作用，温度梯度反复作用，混凝土板出现疲劳 破坏。,9.2 弹性地基板的应力分析,弹性地基上的小挠度薄板模型 弹性地基：因为混凝土板下的基层与土基的应力应变很小，不超过材料的弹性区域

7、;弹性板：因为板的模量高，应力承受能力强，一般受力不超过弹性比例极限应力，挠度与板厚相比很小。水泥混凝土路面设计理论：弹性地基上的小挠度薄板理论,水泥混凝土路面的力学模式,水泥混凝土路面的工作及设计特点,1、抗弯拉强度抗压强度，决定路面板厚度的强度设计指标 是抗弯拉强度；2、车轮荷载作用主要的影响是疲劳效应；3、温度差造成板内有应力出现翘曲变形及翘曲应力，也有疲 劳特性；4、板的使用还受限于支承条件，不均匀支承或板底脱空对板 内应力的影响极大；,设计要求：,1.路基和基层设计：要求密实、均匀、稳定和防冻厚度及E大于规定值。,2.混凝土材料组成设计：配合比及材料要达到高强、耐磨和抗冻。,3.路面

8、板几何尺寸设计：平面尺寸、板厚设计，以使强度（p,t）满足要求。,4.接缝及配筋设计：选接缝类型、布置接缝位置、确定接缝构造，以提高接缝传荷能力。,公路水泥混凝土路面设计规范JTG D40-2002:以弹性半空间地基有限大矩形板模型为基础，以100KN单轴双轮标准轴载作用于矩形板纵向边缘中部产生的最大荷载应力控制设计。,设计理论与方法,弹性地基板体系理论简介,基本概念：在弹性力学里，两个平行面和垂直于这两个平行面所围成的柱面或棱柱面简称板；两个板面之间的距离h称厚度；平分厚度h的平面称为板的中面。如果板的厚度h远小于中面的最小边尺寸b（如b/8b/5），这种板称薄板。在薄板弯曲时，中面所形成的

9、称为薄板弹性曲面，而中面内各点在垂直方向的位移称为挠度。,弹性地基板体系理论简介,薄板下的地基有两种：文克勒地基弹性半无限地基 弹性地基小挠度薄板理论：混凝土路面板常做成等厚式，其厚度不到平面尺寸的1/10，在轮载作用下的竖向位移(称作挠度)又比厚度小两个数量级，可把混凝土板看作是均质、各向同性、无重量、等厚的小挠度弹性薄板。,采用此理论时三个基本假设：垂直于中面方向的应变及其微小，可以忽略不计；垂直于中面的法线，在弯曲变形后均保持为直线并垂直于中面，故无横向剪切应变；中面上各点无平行于中面的位移。板与基础之间始终保持接触，且面剪应力为零。,弹性地基板体系理论简介,基（垫）层、路基可看成弹性地

10、基，它对路面只有向上的竖向反力，且地基与板完全接触（不脱离），即挠度相同。,在研究竖向荷载作用下的小挠度板问题时，常采用下列三项基本假设：,1.z,z0,W为（x，y)的函数。,2.无横向剪应变，xz=yz=0。,3.中面上各点无x、y方向位移，u=v=0,只有W。,弹性地基板体系理论简介,板挠曲面微分方程,平衡方程：,板挠曲面微分方程,则板挠曲面微分方程为：,由几何方程和物理方程，得出应力应变位移方程：,采用圆柱坐标时：,变换,弯矩与扭矩,积分,推导得,同理,挠曲面微分方程推导：,要求解方程，必须建立地基反力与薄板挠度间的关系，因此，必须对地基变形进行假设。,一、文克勒地基,假设地基上任一点

11、的反力仅同该点的挠度成正比,以反应模量K表征的地基,2.Winkler地基解析解：,1）板中受荷时：,当0.5h时，偏差较大，用,代替。,2）板边部中受荷时：,当0.5h时，偏差较大，用b代替。,3）板角受荷时：,当板角脱开时：,下降。,在以上诸式中，l为板的相对刚度,例题：黄河JN-150型车后轴一侧双轮组，P=50.8KN，p=0.7MPa，h=0.22m,Ec=30000MPa，c=0.15,k=50MPa,求不同轮载位置时的最大应力值。,解：双轮组按单圆荷载考虑,查P197图得：C i=1.29，C e=1.92，C c=1.69，Cc=2.43,板中应力：,板边中部应力：,板角应力：

12、,二、弹性半无限地基,挠度计算公式,以弹性模量和泊松比表征的地基,当荷载作用于板中时,求解方法：应用弹性地基上无限大板轴对称课题的理论解进行计算。,轮下弯矩：,弹性半无限地基解析解,当荷载距计算点一定距离时,求解方法：视为集中荷载求解,M t M r,轮外弯矩：,对称多轮载,求解方法：取荷载最大的轮迹中心作为计算点，按圆形均布荷载计算板中最大弯矩；其它轮子按集中荷载计算其在主轮轮迹中心下成熟的附加弯矩和切向弯矩，然后转换为x和y向弯矩后叠加。,P199 例9.1,弹性地基板的有限元解,工程实践中采用的混凝土路面板基本上都属于有限尺寸的矩形板，并非无限大板。对于弹性半空间体地基上有限尺寸矩形板的

13、板中、板边和板角作用车轮荷载时，求解相应位置的挠度和弯矩在数学上遇到很大困难。而有限元方法是结构和连续介质应力分析中的一种较有效的计算方法。现行公路水泥混凝土路面设计规范（JTG D402002）用有限元法分析了荷载作用下板的极限应力值，由此给出了应力计算诺漠图。,可分析不规则板(交叉口的梯形板、三角板、缺口板)可计算有限尺寸的板（使得板边、板角的分析成为可能）可考虑各种实际的边界约束和支承状况（如传力捍、脱空等，非均匀支承）可分析各种荷位和载荷组合（找到最荷位及荷载组合）,有限元法比解析解的优越性：,弹性半空间地基板体系理论荷载应力分析（有限元法）,一、临界荷位 选取混凝土板的纵向边缘中部作

14、为产生荷载应力和温度梯度综合疲劳损伤的临界荷位。,二、荷载疲劳应力计算,水泥混凝土板为四边自由板时，标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力,r 混凝土板的相对刚度半径(m)；h 混凝土板厚度(m)；Ec 水泥混凝土的弯拉弹性模量（MPa）Et 基层顶面当量回弹模量（MPa）,单层水泥混凝土板路面荷载应力分析,考虑纵向和横向接缝传荷能力，修正后的荷载疲劳应力：,综合系数 kc,标准轴载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力（MPa）；标准轴载在四边自由板的临界荷位处产生的荷载疲劳应力（MPa）；Kr 考虑接缝传荷能力的应力折减系数。纵缝为设拉杆的平缝或缩缝时，可取为0.870.92（刚性和半刚性基层取低 值

15、，柔性基层取高值）；纵缝为不设拉杆的平缝或自由边时，取为1.0；Kf 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，V 与混合料性质有关的指数 普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土取0.057；碾压混凝土和贫混凝土，取0.065。Kc 考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数，按下表取用。,Kf=Nev,单层水泥混凝土板路面荷载应力分析,双层混凝土板的临界荷位仍为纵向边缘中部，标准轴载Ps在临界荷位处产生的上、下层混凝土板的荷载应力计算公式仍为：,双层水泥混凝土板路面荷载应力分析,等刚度法将不同接触状况的双层板转换为刚度相当的单层板，然后按弹性地基上的当量单层板计算荷载应力，再

16、根据上、下层板的刚度计算各层所分担的弯矩和应力。,h01、h02 上下层混凝土板厚度(m)；Ec1、Ec2上下层混凝土板的弯拉弹性模量（MPa）Ku层间结合系数，分离式Ku=0，结合式Ku=1；,双层水泥混凝土板路面荷载应力分析,双层水泥混凝土板路面荷载应力分析,Dg 双层混凝土板的截面总刚度(MN-m)；,hx 下层板中面至结合式双层板中性面的距离(m)；,rg 双层混凝土板的相对刚度半径；,基层顶面的当量回弹模量Et,混凝土面板下的地基包括路基和根据需要设置的垫层与基层，其整体路面结构为弹性多层体系。分析板内荷载应力时，应将多层体系换算为半无限体，以其顶面的当量回弹模量作为半无限地基的模量

17、值。1）新建公路基层顶面的当量回弹模量值,基层顶面的当量回弹模量,2）原有柔性路面顶面的当量回弹模量值,在原有柔性路面上铺筑水泥混凝土路面时，应通过承载板试验确定原有柔性路面顶面的当量回弹模量Et；如用汽车实测路段的回弹弯沉值，可按柔性路面旧路补强法中的计算方法确定计算回弹弯沉值l0后，确定其基层顶面的当量回弹模量Et：,l0以后轴重100kN的车辆测得的计算回弹弯沉值（1/100mm）。,1.胀缩应力膨胀：当气温缓慢变化时，板内温度均匀升降，则面板沿断面的深度均匀胀缩。由于板与基层之间的摩阻约束，在温度升降时板中部不能移动，得面板胀缩完全受阻时所产生的应力为：,对于板边缘中部或窄长板：,2)

18、收缩：板划分为有限尺寸块后，因收缩而产生的应力很小，可不予考虑。,三、温度应力,P204 例9.2,产生原因：由于板的自重、地基反力和相邻板的钳制作用，使部分翘曲变形受阻，从而使板内产生翘曲应力。由气温升高引起的板中部隆起受到限制时，板底面出现拉应力；而当气温降低引起的板四周翘起受阻时，板顶面出现拉应力。,混凝土板翘曲变形,2.翘曲应力,在临界荷位处的温度疲劳应力,最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力;c混凝土的线膨胀系数(1/)，通常可取110-5/；h 混凝土面板厚度(cm)；Tg 所在地混凝土面板的最大温度梯度(/cm)；Bx 综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数，按板长 L与板相

19、对刚度 半径r的比值 L/r 和板厚 h 由诺谟图确定。kt 考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力系数。,单层水泥混凝土板路面温度应力分析,水泥混凝土板路面温度应力分析,疲劳应力系数kt,单层水泥混凝土板路面温度应力分析,回归系数a、b、c,温度应力系数Bx,水泥混凝土面层的最大温度梯度标准值Tg，可按照公路所在地的公路自然区划，按下表 选用。,注：海拔高时，取高值；湿度大时，取低值。,最大温度梯度标准值Tg,最大温度梯度标准值Tg,双层水泥混凝土板路面温度应力分析,分离式双层混凝土板上层最大温度应力,式中：Bx1分离式双层混凝土板的温度应力系数；Bx 上层混凝土板的温度应力系数，按l/rg，h

20、01查图；Cx 混凝土板的温度翘曲应力系数，按l/rg查图；,温度应力系数Bx、Cx,结合式双层混凝土板下层最大温度应力,式中：Bx2结合式双层混凝土板的温度应力系数；Bx 下层混凝土板的温度应力系数，按l/rg，（h01+h02）查图；,混凝土路面板厚度设计示例,公路自然区划区拟建一条二级公路，路基为黏性土，采用普通混凝土路面，路面宽9m。交通调查得知，设计车道使用初期标准轴载日作用次数2 100。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

21、计车道标准荷载累计作用次数按公式计算。,属于重交通。,水泥混凝土路面可靠度设计标准,临界荷位车辆轮迹横向分布系数,交通分级,2、初拟路面结构,面层厚度参考范围,1300MPa,3、路面材料参数确定,混凝土弯拉强度标准值,路基和结构层参数,初拟路面结构方案,计算荷载疲劳应力和温度疲劳应力？,基层顶面当量回弹模量Et,荷载疲劳应力,温度疲劳应力,验算结果,1、结构可靠性的含义 结构可靠性是指结构在规定时间(设计基准期)内、规定条件下(正常设计、正常施工、正常使用和维护)完成预定功能的能力。其功能要求为:(1)安全性；(2)适用性；(3)耐久性。当结构或构件超过承载能力极限状态，就可能产生以下后果：

22、（1）由于材料强度不够而破坏，或因疲劳而破坏；（2）产生过大的塑性变形而不能继续承载，结构或构件丧失稳定；（3）结构转变为机动体系。超过这一极限状态，结构或其构件就不能满足其预定的安全性要求,路面结构的可靠度 了解,在规定的设计使用年限内，在环境条件和荷载作用下，路面能够发挥其预期功能的概率。我国水泥混凝土路面设计方法：路面板的车辆荷载疲劳应力及温度疲劳应力之和小于混凝土的极限抗折强度。,2、水泥混凝土路面可靠度的定义,1、设计基准期、目标可靠度和变异水平,目标可靠度是所设计路面结构应具有的可靠度水平。选定较高的目标可靠度，在各设计参数的变异水平不变时，所设计的路面厚度较大，初期建设费用较高，

23、但使用期间的养护费用和车辆运行费用较低；若选定较低的目标可靠度，则所设计的路面结构较薄，初期修建费用可以降低，但使用期间的养护费用和车辆运行费用将会提高。,水泥混凝土路面可靠度设计标准,水泥路面设计参数,2、结构设计参数的变异水平分级,结构设计参数的变异水平分级,水泥路面设计参数,可靠度系数rr,混凝土设计弯拉强度,3、可靠度系数,水泥路面设计参数,5、混凝土材料要求,交通分级,4、交通分级指标,水泥混凝土路面以弯拉强度作为设计控制指标，取28d龄期的151555cm的水泥混凝土梁式试件，用三分点加载试验方法确定。水泥混凝土的强度以28d龄期的弯拉强度控制。当混凝土浇筑后90d内不开放交通时，

24、可采用90d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于表中规定值。,混凝土弯拉强度标准值,5、混凝土材料要求,6.防冻厚度,在季节性冰冻地区，路面的总厚度不应小于表中规定的最小防冻厚度。,注：冻深小或填方路段，或者基、垫层为隔湿性能良好的材料，可采用低值；冻深大或挖方及地下水位高的路段，或者基、垫层为隔湿性能较差的材料，应采用高值；冻深小于0.50m的地区,一般不考虑结构层防冻厚度。,水泥混凝土路面最小防冻厚度（m）,组合设计内容：面层基层垫层路基,9.3 结构层组合设计,主要考虑交通等级、气候、路基及材料情况，与柔性路面不同。,一、面层应具有足够的强度、耐久性，表面抗滑、耐

25、磨、平整。选择方法：面层一般采用设接缝的普通混凝土；面层板的平面尺寸较大或形状不规则，路面结构下埋有地下设施，高填方、软土地基、填挖交界段的路等有可能产生不均匀沉降时，应采用设置接缝的钢筋混凝土面层。,其它面层类型选择,面层厚度参考范围,均匀、稳定的支承，防止唧泥、错台，延长寿命，施工方便。,要求有足够刚度、稳定性，断面正确、平整，耐冲蚀能力。,宽度比面板宽2535cm，或与路基同宽。,基层顶面当量回弹模量Et不小于规范规定的E值。由此定基层的厚度h。新建道路hmin=15cm，补强（在柔性路面上）时，h=8cm(砂、砾石),h=10cm（水稳类）,对岩石路基h=68cm。,二、基层,路基和结

26、构层参数,二、基层 基层应具有足够的抗冲刷能力和一定的刚度。基层类型宜依照交通等级按表选用。混凝土预制块面层应采用水泥稳定粒料基层,各类基层厚度的适宜范围,三、垫层：,1）改善路基水温状况；,2）阻止路基土挤入基层；,3）保证路面结构的稳定性，以减少路基顶面的应力和变形；,4）达到路面结构总厚度；(对季节性冰冻地区,路面有最小防冻厚度要求),5）具有一定的强度、好的水稳性、抗冻性。,三、垫层 遇有下述情况时，需在层基下设置垫层：季节性冰冻地区，路面总厚度小于规范规定最小防冻厚度要求时，其差值应以垫层厚度补足；水文地质条件不良的土质路堑，路床土湿度较大时，宜设置排水垫层；路基可能产生不均匀沉降或

27、不均匀变形时，可加设半刚性垫层。,注意事项：垫层的宽应与路基同宽，其最小厚度为150mm。防冻垫层和排水垫层宜采用砂、砂砾等颗粒材料。半刚性垫层可采用低剂量无机结合料稳定粒料或土。,四、路基 路基应稳定、密实、均质，对路面结构提供均匀的支承。,高液限粉土及塑性指数大于16或膨胀率大于3的低液限粘土，不能用做高速公路和一级公路的上路床填料。因条件限制而必须采用上述土做填料时，应掺加石灰或水泥等结合料改善。地下水位高时，宜提高路堤设计标高。路基压实度应符合公路路基设计规范的要求。岩石或填石路床顶面应铺设整平层。,路基：控制变形，如不均匀变形脱空现象应力增大破坏。,措施：按填筑规则填；压实时含水量

28、最佳；压实度、排水、加固、设垫层。,注意事项：高液限粘土及含有机质细粒土，不能用做高速公路和一级公 路的路床填料或二级及以下公路和上路床填料；,我国水泥混凝土路面设计方法,我国水泥混凝土路面设计方法采用单轴双轮组100KN标准轴载作用下的弹性半空间体系地基有限大矩形薄板理论有限元解为理论基础，以路面板纵缝边缘荷载与温度综合疲劳弯拉应力为设计指标进行路面板厚度计算。设计完成后，路面板的综合疲劳弯拉应力应满足以目标可靠度为依据的极限状态平衡方程式。,1、设计流程,我国水泥混凝土路面设计方法JTG D40-2002,设计内容与标准设计参数荷载疲劳应力计算温度疲劳应力计算板厚确定步骤,设计内容与标准,

29、（1）路面结构组合设计 根据该路的交通情况，结合当地环境气候条件和材料供应情况综合考虑。包括各层的结构类型、弹性模量和厚度的确定。（2）混凝土面板厚度设计 混凝土面板厚度设计，应按照设计标准的要求，确定满足设计年限内使用要求所需的混凝土面层的厚度。（3）混凝土面板的平面尺寸与接缝设计 根据混凝土面层板内产生的荷载应力和温度应力作出板的平面尺寸设计，布设各类接缝的位置，设计接缝的构造，并采取有效措施提高接缝的传荷能力。,设计内容与标准,（4）路肩设计 高速公路和一级公路中间带的路缘带和路肩的结构应与行车道的混凝土路面相同，并与行车道部分的混凝土面板浇筑成整体。路肩可采用水泥混凝土面层或沥青混合料

30、面层，其基（垫）层结构应满足行车道路面结构和排水的要求。（5）普通混凝土路面配筋设计 普通混凝土路面板较长或交通量较大、地基有不均匀沉降或板的形状不规则时，可沿板的自由边缘加设补强钢筋，在角隅处加设发针形钢筋或钢筋网，以阻止可能出现的裂缝。,设计参数,标准轴载与轴载换算交通分级和累计作用次数结构设计参数的变异性和路面结构的可靠度基层顶面的当量回弹模量水泥混凝土的设计强度,标准轴载与轴载换算,以轴重100kN的单轴-双轮组荷载作为标准轴载。不同轴-轮型和轴载的作用次数，可按等效疲劳损坏原则换算成标准轴载的作用次数。,交通分级和累计作用次数,设计使用年限内设计车道的标准轴载累计作用次数Ne：,临界

31、荷位车辆轮迹横向分布系数,交通分级,结构设计参数的变异性和路面结构的可靠度,结构设计参数的变异水平分级,基层顶面的当量回弹模量,将多层体系换算为半无限体，以其顶面的当量回弹模量作为半无限地基的模量值。1）新建公路基层顶面的当量回弹模量值,基层顶面的当量回弹模量,2）原有柔性路面顶面的当量回弹模量值,l0以后轴重100kN的车辆测得的计算回弹弯沉值（1/100mm）。,路基和结构层参数,E0,E1、E2,水泥混凝土的设计强度,水泥混凝土路面以弯拉强度作为设计控制指标，取28d龄期的151555cm的水泥混凝土梁式试件，用三分点加载试验方法确定。设计弯拉强度必须满足规范规定的弯拉强度标准的要求。同

32、时，为保证路面有较高的耐久性、耐磨性和抗冻性。混凝土的弯拉弹性模量不应低于下表值。,混凝土弯拉强度标准值,荷载疲劳应力,水泥混凝土板为四边自由板时，标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力,考虑纵向和横向接缝传荷能力，修正后的荷载疲劳应力,标准轴载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力（MPa）；考虑接缝传荷能力的应力折减系数。纵缝为设拉杆的平缝或缩缝时，可取为0.870.92（刚性和半刚性基层取低值，柔性基层取高值）；纵缝为不设拉杆的平缝或自由边时，取为1.0；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，v与混合料性质有关的指数，普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土取0.057；碾压混凝土和贫混

33、凝土，取0.065。考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数，按公路等级由表14-9取用。,温度疲劳应力,在临界荷位处的温度疲劳应力,最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力，c混凝土的线膨胀系数(1/)，通常可取110-5/；h 混凝土面板厚度(cm)；Tg 所在地混凝土面板的最大温度梯度(/cm)；Bx 综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数，按板长L与板相对刚度半径r的比值L/r和板厚h由诺谟图确定。kt 考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力系数。,水泥混凝土板厚确定,收集并分析交通参数收集日交通量和轴载组成数据，计算设计基准期内设计车道标准轴载累积作用次数，由此确定道路的交通等级

34、，并确定安全等级；初拟路面结构初选路面结构层次、类型和材料组成；拟定各层的厚度、面层板平面尺寸和接缝构造；确定材料参数确定混凝土的设计弯拉强度和弹性模量，基层、垫层和路基的回弹模量，基层顶面的当量回弹模量；,水泥混凝土板厚确定,计算荷载疲劳应力和温度应力；检验初拟路面结构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，根据可靠度系数，按下述条件检验 可靠度系数 上述检验条件如不符合，则重新拟定路面结构或板的尺寸，重新计算，直到满足为止。设计厚度依计算厚度按10mm向上取整。,一、接缝的设计1.设缝目的：防止温度变化引起的胀缩应力、翘曲应力和施工要求。,温度升

35、高时,温度降低时,9.5 接缝及配筋设计,2.接缝种类：从接缝的方向分：横缝、纵缝 横缝：垂直于行车方向的接缝 纵缝：平行于行车方向的接缝,从接缝的功能分：缩缝、胀缝、施工缝 缩缝：保证板因温度和湿度的降低而收缩时沿该薄弱断面缩裂，从而避免产生不规则的裂缝。胀缝：保证板在温度升高时能部分伸张，从而避免产生路面板在热天的拱胀和折断破坏，同时也能起到缩缝的作用。施工缝：每天完工或因雨天及其它原因不能继续施工时，应做到胀缝处或缩缝处，并做成施工缝的构造形式。,9.5 接缝及配筋设计,1）纵缝：有缩缝和施工缝；当一次铺筑小于路面宽度时，应设施工缝。,当一次铺筑宽度大于路面容许的板宽（4.04.5m)时

36、，应设纵向缩缝。,缩缝做成假缝形式，即铺筑时仅在板的上部设缝槽，而板的收缩和翘曲会使缝槽下的混凝土自行断裂。由于断裂表面凹凸不平、互相嵌锁，使这类接缝具有一定的传荷能力。缝槽深度要适中，过浅，混凝土截面的强度削弱得不够，从而不能保证以后的断裂发生在接缝的位置上；过深，不规则断裂面积过少，接缝的传荷能力就降低。一般缝槽深为1/41/5h。槽宽尽可能窄些，一般为38mm。纵向缩缝也应设拉杆，以避免板块横向位移并保证接缝的传荷能力。,纵缝设置的横向拉杆，一般采用螺纹钢筋，中部10cm范围内应刷防锈涂料。每延米纵缝所需的拉杆钢筋面积As(c)：,B、h混凝土板的宽度（m）和 厚度（cm）；s钢筋的容许

37、拉应力，螺纹钢筋取160MPa，光园钢筋取135MPa。,拉杆应具有足够的长度，使锚固在混凝土内的拉杆能发挥其抗拉能力。此外，还要考虑施工误差，应留有一定的余地（例如5cm），故拉杆的长度Ls(cm)，按下式确定：,ds拉杆钢筋直径（cm）;s钢筋同混凝土的容许粘结应力，螺纹钢筋取1.8MPa,光园钢筋取1.25MPa。拉杆的尺寸和间距可参见P217表9-12。,2）横缝：有缩缝、施工缝和胀缝。,为减小混凝土的收缩应力和温度翘曲应力而设置缩缝，横向缩缝一般采用假缝形式，重交通时设传力杆。传力杆采用光圆钢筋，一半以上长度涂以沥青或套上塑料膜套等，使之在混凝土收缩时能够滑动。,每天施工结束或混凝土

38、浇筑中断半小时以上时，需设置横向施工缝。其位置宜设在胀、缩缝处。设在缩缝处的横向施工缝采用平口加传力杆型，若施工缝设在两条缩缝中间，则做成企口加拉杆型。,设置胀缝的目的：使混凝土板有膨胀的余地，从而避免产生过大的热压应力。胀缝采用平缝形式，下部设接缝板，上部为填缝料，并设置传力杆。常用的胀缝缝隙宽度为2.02.5cm。详见P218图9-22。,2、接缝布置：,纵缝：车道线划分处（33.75m宽），避免纵缝设在轮迹上。,横缝：一般等间距垂直纵缝布设。两侧的横缝应对齐。4、4.5、5、5.5、6m等，也可与纵缝斜交，减少行车跳动。,胀缝：尽量不设，但与其他结构物（桥梁、隧道、柔性路面等）相接处、板

39、厚变化处、小半径弯道、纵坡变换处均应设置胀缝。,二、配筋设计：,1、普通砼板的补强钢筋：,边缘钢筋：纵、横向自由边设置1216mm螺纹筋或光圆钢筋，布设在板的下部，端部弯起，保护层5cm。,角隅钢筋：胀缝两侧板的角隅及板的锐角处，可选用两根1216mm的螺纹钢筋弯成发针型，布置在板的上部；板呈锐角形时，上下部都补强，双层钢筋网补强。,2、钢筋砼板：当混凝土板的屏幕尺寸较大或形状不规则、板下埋置地下设施或地基有不均匀沉陷时，为防止裂缝缝隙张开需配置钢筋网。,钢筋面积：,L为计算纵（横）向筋时横（纵）缝间距。,为使板内应力尽可能分散，宜用小直径钢筋。纵横向钢筋的直径宜相同。钢筋的最小直径为：6mm

40、(光圆筋）和10mm（螺纹筋）；钢筋的最小间距为集料的两倍。最大间距为：15cm（纵向，光圆筋）、35cm（纵向，螺纹筋）、30cm（横向，光圆筋）、75cm（横向，螺纹筋）。表9-14 钢筋设在距顶面1/31/4板厚处，搭接长度大于25d，不小于25cm。,钢筋混凝土板横缝间距一般为1020m，最大不宜超过30m，且需设置传力杆,3.连续配筋砼路面：不设横缝，一般用于高速公路和一级公路。,9.6 混凝土加铺层设计,混凝土路面加铺层指为提高原有混凝土路面的承载能力和改善表面功能而加，形成一种双层混凝土路面。,一、加铺层的结构型式：,混凝土加铺层可采用普通砼或钢纤维混凝土等。而钢纤维混凝土一般用

41、于路面标高受限制的地段。,1.结合式：新旧混凝土层牢固结合成整体。要求接缝必须与原板一致，但可不设拉杆（传力杆），适用于原板完整无裂缝，或有一些裂缝但不再发展并已修复的情况。,2.直接式：原路面直接浇筑混凝土加铺层。同样要求接缝对齐，但接缝形式或缝隙宽度可不一定完全相同。适用于旧路面的结构损坏不太严重并已修复时，可采用这种结构形式。,3.分离式：在原路面与加铺层间设沥青类材料等隔离层，以防下层板的接缝、裂缝反射到上层来，并使上、下板分别发挥其强度作用，加铺层与新建路面一样设计。适用于：当旧路面板严重破坏或道路标高和路拱坡度需作调整时。,二、双层板的应力分析：,旧混凝土路面加铺层结构的力学图式为

42、弹性地基上的双层板。其应力可用等刚度理论。按层间接触条件将双层砼板转换为等效的单层砼板设计。,1.中面位置：,1)结合式双层板：完全粘结。,2)分离式双层板：完全光滑。看作为各自具有中面的双层薄板。K=0,3)直接式：加铺层与旧砼路面间既有一定的粘结和摩阻力作用，但又不完全结合。K在01之间。,层间结合系数K=1,2.等效换算：只要以双层板的弯曲刚度Dd代替单层板的弯曲刚度D即可按单层板计算方法和公式确定双层板的应力。,d 1下层板底面至中面的距离：d 2上层板底面至中面的距离：,Ku层间结合系数。结合式：ku取1.0；直接式：ku=0.40.7；分离式：ku=0。,混凝土弯拉弹性模量与上层板

43、（加铺层）相同的等效单层混凝土板的厚度hd为：,3.应力计算：单层混凝土板的荷载疲劳应力和温度疲劳应力分别按下式计算：,9-43,9-45,三、加铺层设计：,1、原路面状况调查与评定：,1）原路概况调查：调查记录裂缝条数、位置、原因，算出路段内断裂板和其它损坏板的百分率，以此作为路面评定的依据。,2）结构强度评定：确定原有路面的承载能力，为加铺层厚度计算提供必要参数。,旧混凝土板的计算参数：旧混凝土板的弯拉强度（f1m)可采用钻孔取出的圆柱试件进行劈裂试验(得fsp)，按下式确定：,旧混凝土弯拉弹性模量：,地基（基层）顶面的回弹模量：,旧混凝土板厚h1（cm）：,旧路面板下基层顶面计算回弹模量

44、 承载板实验测定,旧混凝土路面板下基层顶面的当量回弹模量Et为：,计算行车荷载应力时，结合式加铺层：Es=n Et,直接式加铺层，还应乘以0.8的折减系数；分离式加铺层则根据厚度乘以相应的折减系数。,计算温度翘曲应力时，n=0.35。,2、加铺方式及厚度的确定：,根据原有路面的结构损坏状况、接缝布置和路拱坡度以及加铺层设计标高等条件，选用加铺层的种类和结构形式。,普通混凝土加铺层的厚度要通过试算来确定。先预估加铺层的厚度h2，按双层板应力分析方法和公式计算1、2，当0.9510cm；直接式h214cm；分离式h218cm。,钢纤维混凝土加铺层计算先按普通混凝土加铺层进行，然后按体积率取普通混凝土加铺层厚度的55%65%，但结合式不宜小于5cm；直接式不宜小于8cm；分离式不宜小于10cm。,分离式钢纤维混凝土加铺层的接缝设置与钢纤维混凝土路面一样。全幅摊铺时，可不设纵向缩缝，横向缩缝间距一般为1520cm.,P226 例题9.5,交通分析,