水泥路面结构设计的教学要点与教学方法

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,水泥路面结构设计的教学要点与教学方法,东南大学交通学院,李昶,2009-11-14,本次发言的定位,自我简介：,1、教学历史简介（3-4遍）,2、教学ppt每年一改,3、有时候被学生问题难倒,4、还有许多问题没有探索出答案,发言定位：,一个,初上,路基路面工程课程的新教师,谈自己怎么,理解,，怎么上，过程中有什么,问题,供批判,，向大家请教，提出问题供讨论。,教学目标,教学要求：,基本设计理论（重点掌握）,可靠度设计基本原理（掌握）,设计方法和步骤（熟练掌握）,其它设计方法（一般了解）,教学目标：,让学生掌握水泥混凝土路面设计理论的发展过程，掌握规范设计步骤与方法，可独立设计,难点：,理论演化发展过程及其与规范方法的关系,怎么上流程,1、衔接前一章，先谈病害，引出设计,指标,弯拉应力,2、介绍设计理论与方法发展简史，引出经典小挠度弹性薄板相关理论,切入理论,3、详细分析小挠度弹性薄板假定对应的力学公式，讨论三方程（几何、物理、平衡）的联立简化过程给出,挠度表达式,4、分析地基反力q(x,y)在两种地基（温克勒、弹性半空间体）情况下的应力解答了解各解答的,意义,5、温度应力的两种解答来源分析实际路面尺寸有限，均匀变温不考虑，主要是翘曲应力,6、可靠度理论简介为,可靠度系数引入,作铺垫,7、,规范方法,及细节讲解设计方法中各参数取值，背后的理论与方法,8、,概念,探讨加深对参数的理解,9、延伸,问题,引导思考，探索,病害引出设计指标弯拉应力,断板、角隅断裂是,常见的结构性病害,特征,主要,原因,是：板块裂缝处在重复弯拉疲劳作用下，材料力学指标（抗折强度）下降，最后单次荷载作用超出材料强度产生微裂缝，逐步发展成为上述病害。,水泥混凝土路面特点（1）,1 水泥混凝土本身的抗压强度远大于抗折强度以,抗折强度作为设计标准,；,2 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,温度翘曲应力,3 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要考虑交通量重复作用的,疲劳效应,水泥混凝土路面力学特点（2）,1 混凝土的强度远大于基层和土基模量和强度,地基被简化为单一体,2 基层表面与路面板间摩擦力较小,滑动假定，只传递竖向力,3 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,忽略z方向应力应变变化细节,发展出小挠度弹性薄板理论,水泥混凝土板的基本力学模型,为分析水泥混凝土板块受拉而发展：,1、起点：完全弹性问题（弹性力学经典三方程）,2、,简化,：力学特点,假定,具体公式,3、结果：,理论解析解q（x，y)不同,荷载应力：,1、Winkler温克勒地基特点（“浮板”）,2、Westergaard解温克勒地基上的小挠度弹性无限大板（板中）、半无限大（板边）、四分之一无限大（角隅）的解答，Kelly根据阿灵顿试验段结果进行修正,3、Hogg解弹性半空间体地基上的小挠度弹性无限大圆板（轴对称课题）,温度应力：,1、均匀降温应力板块尺寸有限而舍去,2、翘曲应力线性变温、板受到地基完全约束情况下的Westergaard解,理论还未解决的问题,1、弹性地基上有限尺寸板的解答；,2、规范中设计方法给出的计算诺模图采用了有限元计算方法，是一种数值方法。,水泥混凝土路面设计内容,1、结构组合设计结合规范,2、平面尺寸设计、配筋设计常用,3、厚度设计基于理论和设计计算,规范设计方法基本公式,分析公式构成,，各项物理意义。,其,标准,是：因荷载和温度产生的某最不利荷载作用位置处的疲劳应力，在一定可靠度保证的情况下，小于等于材料的抗折强度，不发生拉裂破坏。,第一项可靠度系数,来源：,材料不均匀、施工过程的不均匀、厚度的不均匀等造成实际路面与设计路面的差异，为保证设计路面的可靠性，需要引入该参数,实际采用的目标可靠度是,多因素,根据累积数据分析,综合,得到,反过来，可靠度可用于,控制施工,中的参数变异,不详细讲，示意规范可靠度要求表,右侧项抗折强度,由材料试验得到，或根据工程经验选取,试验方法：小梁试件，三分点加载，单次加载至破坏（,单次强度试验,）,应力项之一荷载应力,两个层次,单次,标准荷载作用下，最不利荷载作用位置处的拉应力；该处的荷载,疲劳,应力,荷载疲劳应力计算公式的构成,三修正系数,：传荷、疲劳、动偏载,修正单次应力,单次应力计算,标准荷载在,四边自由板,的临界荷位处产生的荷载应力,公式分析：,1、回归公式，通过有限元计算得到；,2、基层及其以下以E,t,简化表征，弹性半空间体；,3、无板与地基摩擦相关系数，滑动处理；,结论：,参考了经典解析解的一般原理,但,不同点在哪里,？有限尺寸板，但公式中无相关参数,临界荷载位置,定义：,其他条件相同，标准荷载移动在有限尺寸板上，如果在板体内某处（通常是板顶）出现了最大拉应力，则确定该位置为最不利荷载位置，由此引起的应力是单次应力计算的标准取值。,方法：,有限元内分布荷载进行搜索，寻找最大拉应力位置，比较拉应力大小，最终确定最不利荷位。,特点：,是一种极限（可能出现的最大）的情况,相对刚度半径,来源：,荷载单次作用应力计算过程中引入的一个组合参数，由地基当量回弹模量、水泥混凝土模量的比值及板厚确定,物理意义的理解,：可认为是荷载在板中引起的应力响应范围，水泥混凝土模量越高、地基模量越低，厚度越大，则在标准荷载作用下的板块承担的荷载效应越多，响应范围越大。,注意点,：相对刚度半径针对不同的地基模型有不同的计算公式。,传荷、动偏载与疲劳修正系数,传荷修正相邻板的分担作用，,小于1,动偏载修正动力冲击与偏载，,大于1,疲劳修正考虑了疲劳效应，往往两种方式，一种是放大单次应力（乘以大于1的系数），一种是减小材料强度（乘以小于1的系数）,观察公式发现，这里考虑了荷载重复作用次数,设计基准期内标准轴载累计作用次数,特点：,1、实际交通荷载（轴载）变化很大；,2、需要考虑板块的累积疲劳效应；,3、计算单次应力往往只能针对一种特定的荷载（标准轴载）,4、引出轴载换算和交通量分布概念,5、给出换算与车道分配系数取值方法,轮迹横向分布,车道分配系数,指交通量在道路横向各车道上的分布规律。设计时,按交通量分配最多的车道上的交通量,作为设计路面结构时的参数（,再一次的最不利,）。如果满足要求，则横向其它位置也,应,满足结构要求。,应力项之二翘曲应力,两个层次,根据自然区划确定的温度梯度确定的单次翘曲应力，长期的翘曲重复作用的影响,温度疲劳应力计算公式的构成,公式分析：单次应力计算公式与Westergaard解,形式相似而应力系数取值不同,（理论解、数值解回归）,翘曲应力疲劳修正,特点：,1、与路面所处自然区划有关，不同自然区划的可能最大温度梯度不同,2、修正系数一般小于1,原因：,考虑了单次应力为板完全受地基约束，而实际不可能，且长期重复后，有应力松弛，对单次应力进行折减。,实践性教学,1、给出,算例,，给出设计流程,2、按步骤教学设计方法,3、,课程实习,安排相关设计内容,问题1,板和地基到底是,滑动还是约束,？,1、实际的情况可认为偏滑动；,2、在计算荷载应力时滑动，在计算翘曲应力时约束，都是按最不利去考虑。,问题2,水泥路面、沥青路面中有,两个概念,车道分配系数、横向分布系数（车道系数）有什么关系？,本质上是一回事，都是考虑最不利位置处（一般行车道轮迹带）可能作用的最大次数，叫法不同。,问题3,温克勒地基和半空间体地基到底,哪个更好,？能否发展出弹性层状体系地基，与沥青路面设计理论,统一,。,两种地基都是求取解析解过程中的合理简化（地基相对于板块刚度很低），如果直接按层状体系解析解难以得到。,另外，,按层状体系地基计算的荷载应力往往与现有计算结果差异较大,。,问题4,温度翘曲应力的最大应力位置出现在哪里？,有限尺寸板，翘曲应力最大位置出现在板边。,谢谢！请批评指正！,YmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1z-w*t!qYmVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4C1z-w&t!qYmVmVjRgOdL9I6F3B0y(v%s#oXlUiQfNbK8H5D2A+x*u$qZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A-x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z)w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+y(u%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-w*t*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1A-w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUiRfNcK9H5E2A+x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5E2A+x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z-w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+y(v