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水泥混凝土路面结构设计,目录,1 概述 2 弹性地基板体系理论 3 水泥混凝土路面可靠度设计 4 混凝混凝土路面结构组合设计 5 我国水泥混凝土路面设计方法 6 外国混凝土路面设计方法介绍,第一节 概述,1.1 混凝土路面结构设计内容,1.2 混凝土路面结构设计原则,1.3 混凝土路面结构设计理论与方法,1.4混凝土交通等级,1.1.1路面结构层组合设计,水泥混凝土路面板要求具有较高的弯拉强度、表面平整度、抗滑、耐磨。常选用的面板类型： 1.普通混凝土路面 2.钢筋混凝土路面 3.连续配筋混凝土路面 4.钢纤维混凝土路面 5.混凝土块料路面 基层和垫层有粒料类（碎石、砂砾）、稳定类和贫水泥类三个类，分别具有不同的刚度、抗冲刷能力和透水性。,1.1路面结构设计内容,1.1.2混凝土面板厚度设计,混凝土面层板厚设计应按照设计标准要求，确定满足设计年限内使用要求所需的混凝土面层厚度。,1.1.3混凝土面板平面尺寸设计,根据混凝土面层板内产生的荷载应力和温度应力做出板的平面尺寸设计，确定接缝的位置和接缝的结构，并采用有效措施提高接缝的传荷能力。,1.1.4 路肩设计,高速公路和一级公路中间带和路肩路缘带的结构应于行车道的混凝土路面相同，并与行车道部分的混凝土板浇筑成整体。路肩可采用水泥混凝土面层或沥青混凝土料面层，其基（垫）层结构应满足行车道路面结构和排水的要求。一般公路的混凝土路面应设置路缘石或加固路肩，路肩加固可采用沥青混合料或者其他材料。,1.1.5 混凝土路面的配筋率设计,包括连续配筋与钢筋混凝土路面的配筋设计，当混凝土路面板较长或者交通量较大时、路基有不均匀沉降或者板的形状不规则时，可沿板的纵向假设钢筋，在角隅或者钢筋网，以阻止可能出现的裂缝,1.2 混凝土路面设计原则,1.应根据使用要求及气候、水文、土质等自然因素完成设计； 2.选择技术先进、经济合理、安全可靠的发方案； 3.应结合当地实践基础，积极推广成熟的科研成果； 4.充分考虑眼线环境的保护，自然生态平衡； 5.保证施工质量，尽可能使用机械化、工厂化施工。,1.3 混凝土路面结构设计原理,1.荷载图式：考虑荷载动力影响因素，考虑荷载振动与移动效应，在设计方法中掺入动力响应系数。 2.地基模型：一般采用温克乐地基模型和弹性半空间均值地基模型。 3.路面板形态：半空间弹性地基上的无限大原板求解方法。,1.4 混凝土路面交通等级,路面结构设计目的：混凝土路面结构在设计基准期被满足预测交通量累计标准轴载通行时，具有快速、安全、稳定的服务功能，路面结构具有相应的承载能力，路面板的弯拉应力满足疲劳极限应力的容许标准。,（1）混凝土路面设计基准期 混凝土路面设计基准期与公路等级有关，可根据公路在路网中的定位等因素论证后确定、通常参照下表：,（2）标准轴载即轴载当量换算 混凝土路面设计以100KN单轴-双轮组荷载为标准荷载。不同轴-轮型和轴载作用次数，应按下式换算为标准轴载作用次数。, = =1 100 16,式中： 100KN的单轴-双轮组标准轴载的通行次数； 各类轴-轮型i级轴载的重量（KN）； n轴型和轴载级维数； 各类轴-轮型i形轴载的通行次数； 轴-轮型系数。,（3）交通调查与轴载分析 通过当地的交通量观测站历年统计资料进行交通调查，用于分析并提出设计车道的年平均日货车交通量ADTT以及设计基准期内的交通量年平均增长率 公路通行车辆在横断面的分布是不均匀的，根据统计规律，车道数不同，分布概率不同，将分布概率集中的车道作为设计车道。因此上述调查获得的双向年平均日货车交通量，还应当乘以方向系数（0.5）和车道分布系数（下表）才能获得设计车道在设计基准期初期的年平均货车日交通量ADTT（单向）。,ADTT换算为当量标准轴载书，首先通过轴重称重站进行分轴型称中，各个轴型不同轴载级位的标准当量换算系数按下式计算。, ,ij = 100 16,由轴载谱和轴载当量换算系数 ,ij ，按下式计算得到设计车道在设计基准期初期的标准轴载日作用次数 。, = 1000 , ,（4）标准轴载累计当量作用次数 设计基准期内混凝土面板临界荷位出所承受的标准轴载累计当量作用次数Ne可以通过下式计算确定， 为横向分布系数, = 1+ 1 365,横向分布系数,（5）混凝土路面交通等级划分 水泥混凝土路面所承受的轴载作用，按照设计基准期内设计车道临界荷位承受的标准轴载当量累积作用次数分为4级，分级范围见表。,分级范围见表,第二节 弹性地基板体系理论介绍,2.1 小挠度弹性薄板的基本假设,水泥混凝土路面板的刚度远大于基层与路基的刚度。在车轮荷载作用下，它具有良好的扩散荷载能力，因此所产生的弯曲变形远小于其厚度，可以用小挠度薄板理论进行分析。,1.板的厚度h远小于中面的最小尺寸b（b/8-b/5）称为薄板； 2.垂直于中面方向的应变 极其微小可以忽略不计； 3.垂直于中面发现，在弯曲变形后均保持为直线并垂直于中 面； 4.中面上各点无平行于中面的位移； 5.变形过程中，板与地基接触面始终吻合； 6.板与地基的俩接触面没有摩擦，即接触面剪应力为0.,2.1 板挠曲面微分方程,依据单元平衡条件（ =0, =0, =0 ）可导出当板表面作用横向荷载p，地基对板底面作用竖向反力q时，板中心挠曲面的微分方程以及截面上的弯矩和扭矩方程：,微分方程： 2 2 W=p-q,弯矩和扭矩方程 = 2 2 + 2 2 = 2 2 + 2 2 =(1+ ) 2 ,第三节 可靠度设计,3.1 路面可靠度的定义和极限状态函数： 路面可靠度定义：在设计使用年限内，在将遇到的环境条件和荷载作用下，路面能够发挥其预期功能的概率。 我国现行的混凝土路面设计规范采用结构设计方法是以混凝土路面板在车辆荷载应力和配料应力综合作用下，在纵缝边缘中部出现纵向疲劳开裂作为临界损坏状态，设计时以荷载应力和疲劳温度应力的叠加小于等于混凝土疲劳强度作为设计标准。极限状态函数如下：, + = lg,混凝土路面结构可靠度定义:在设计使用年限内，在车辆荷载应力和温度应力综合作用下，路面板纵缝边缘中部不出现疲劳开裂的概率：,= + ,3.2 路面结构目标可靠度 我国公路工程结构可靠度设计统一标准规定了各级公路目标可靠度和相应的目标可靠度标值，如下表。,3.3 设计参数均值和变异系数范围,1.设计年限内累积当量标准轴载次数 累积轴载作用次数是有使用初期当量轴次、年增长率和横向分布系数三个随机变量决定的，他的变异系数见下表。,水泥混凝土路面结构可靠度设计的相关参数：设计年限内的累积轴载作用次数、混凝土的抗弯拉强度和弹性模量以及路面板厚度等。,2.混凝土的抗弯拉强度和弹性模量 路用混凝土设计强度以28d的弯拉强度为标准，各级交通要求的水泥混凝土设计弯拉强度和弹性模量以及其变异系数见下表。,3路面板厚度,3.4 路面结构可靠度设计,路面结构可靠度系数 定义：疲劳方程求得的最大允许应力 + 与实际最大应力 + 之比。它的倒数1/ 就是混凝土极限抗折强度的折减系数。 计算表面R一定， 的大小取决于个参数的变异水平，下图给出各参数的变异系数按变异水平低、中、高三级情况的R- 曲线,第四节 路面结构组合设计,4.1 面层混凝土板,水泥混凝土面层板应具有足够的强度、耐久性、表面抗滑、耐磨、平整等良好的路用性能，一般采用设接缝、不设配筋的普通混凝土路面板。其他面层类型及适用条件见下表。,4.2 基层结构,混凝土路面的基层应具有足够的抗冲刷能力和一定的刚度。各类基层的适宜交通等级与适宜厚度范围见下表。,4.3 垫层结构,混凝土路面垫层结构一般是对路基的特殊要求而设置，分为防冻垫层、排水垫层与加固垫层。,（1）在季节性冰冻地区修筑混凝土路面当路面结构总厚度不满足规范要求最小防冻要求时，应设置防冻垫层，保证总厚度满足最小防冻厚度要求。,（2）对于水文地质条件不良的土质路堑，路床土的湿度较大时，为防止地下水对路面结构的侵蚀，应设置排水垫层。,（3）当路基土特别软弱，经加固后，仍可能出现不均匀沉降、变形时，应设置加固垫层以增强路床的承载能力。,第五节 我国水泥混凝土路面设计方法,5.1目标可靠度与疲劳极限状态方程式,5.2弯拉应力分析及厚度设计,5.3接缝设计,5.4混凝土路面板厚度计算实例,5.1目标可靠度与疲劳极限状态方程式,我国水泥混凝土路面按可靠度方法进行设计，不同等级公路的路面结构设计安全等级及相应的设计基准期、可靠度指标和目标可靠度见下表。,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。极限状态方程如下：, + ,可靠度系数 ,混凝土弯拉强度标准值 ,5.2弯拉应力分析及厚度设计,（1）荷载应力分析 产生最大荷载和温度梯度综合疲劳损坏的临界荷位位于混凝土板的纵向边缘中部。标准轴载Ps在临界荷位处产生的荷载配料应力按下式计算确定。, pr = ,式中： pr -标准荷载Ps在临界荷位处产生的荷载疲劳应力； -考虑接缝传荷能力的应力折减系数； -设计基准期内荷载应力累积疲劳作用的疲劳应力系数, = ,式中： -设计基准期内标准轴载累计作用次数； -与混合料限制有关的系数。,综合系数 , p =0.077 0.60 2,=0.537 1/3,式中：-混凝土板的相对刚度半径（m）； -混凝土板的厚度（m）； -水泥混凝土的弯拉弹性模量（Mpa）,水泥混凝土弯拉弹性模量经验参考值, = 0 0 1/3,新建公路的基层顶面当量回弹模量值：, = 1 2 1 + 2 2 2 1 2 + 2 2, = 12 1/3, = 1 1 3 + 2 2 3 12 + 1 + 2 2 4 1 1 1 + 1 1 1 1,=6.22 11.51 0 0.45,=11.44 0 0.55,式中： 0 -路床顶面回弹模量； -基层和底基层或者垫层的当量回弹模量； 1 2 -基层和底基层或者垫层的回弹模量； -基层和底基层或者垫层的当量厚度； -基层和底基层或者垫层的当量弯曲刚度； a、b-与 / 0 有关的回归系数。,（1）温度应力分析 在临界荷位处的温度疲劳应力按下式计算：, tr = ,式中： tr -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； -考虑温度应力累积疲劳作用的疲劳应力系数。, = 2 ,式中： -混凝土的温度线膨胀系数； -最大温度梯度； -综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数,最大温度梯度标准值 ,温度应力系数Bx图,（3）混凝土路面厚度设计,5.3接缝设计,1.纵向接缝 纵向接缝的布设应根据路面宽度和施工铺筑宽度耳钉。因此铺筑宽度小于路面宽度时，应设置纵向施工缝，纵向施工缝采用平缝；一次铺筑宽度大于4.5m时，应设置纵向缩缝，纵向缩缝采用假缝形式。 纵向接缝的拉杆应采用螺纹钢筋，设置在板厚的中央，并应对拉杆中部100mm范围内做防锈处理。,2.横向接缝 （1）每日施工结束或临时中段施工设置横向施工缝； （2）横向缩缝可等距设置，采用假缝形式； （3）横向涨缝只在临近桥梁或者其他固定构造物处或与其他道路相交处设置； （4）传力杆采用光面钢筋，尺寸间距见下表。,5.4混凝土路面板厚度设计算例,公路自然区划II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。交通调查得知，设计车道使用初期标准轴日作用次数2100.试设计该路面厚度。,（1）交通分析 二级公路的设计基准期20年，安全等级为三级。临界荷位处的车辆轮机横向分布系数去0.39。取交通量年平均增长率为5%。计算得到设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数为, = 1+ 1 365 = 2100 1+0.05 20 1 365 0.05 0.39 =9.885 10 6 次,属重交通等级,（2）初拟路面结构 安全等级为三级的道路应对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等级，查表初拟普通混凝土面层厚度为0.22m。基层选用水泥稳定粒料（水泥用量5%），厚度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5.0m。纵缝为设拉杆平缝，横峰为设传力杆的假缝。,（3）路面材料参数确定 取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0Mpa，相应弯拉弹性模量标准值为31Gpa。 路基混谈模量取30Mpa。低剂量无机结合料稳定土垫层回弹模量取600Mpa，水泥稳定粒料基层回弹模量去1300Mpa。,计算基层顶面当量回弹模量如下：, = 1 2 1 + 2 2 2 1 2 + 2 2 = 1300 0.18 2 +600 0.15 2 0.18 2 + 0.15 2 =1013pa, = 1 1 3 + 2 2 3 12 + 1 + 2 2 4 1 1 1 + 1 1 1 1 =2,57, = 3 12 = 3 122.57/1013 =0.312,计算基层顶面当量回弹模量如下：,=6.22 11.51 0 0.45 =6.22 11.51 1013 30 0.45 =4.293,=11.44 0 0.55 =11.44 1013 30 0.55 =0.792, = 0 0 1/3 =4.293 0.312 0.792 30 1013 30 1/3 =165,（3）荷载疲劳应力 标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为, ps =0.777 0.6 2 =0.077 0.677 0.6 0.22 2 =1.259,纵缝设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数 =0.87。考虑设计基准期内荷载应力累积疲劳作用的疲劳应力系数 = = 9.885 10 6 0.057 =2.504。依据公路等级，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数 =1.20。 荷载疲劳应力计算为, pr = =0.872.5041.201.259=3.29,（4）温度疲劳应力 II区最大温度梯度去88（/m）。板长5m，l/r-5/0.677 =7.39，普通混凝土板厚h=0.22m， =0.71，所以最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为, tm = 2 = 1 10 5 310000.2288 2 0.71=2.13,温度疲劳应力系数 计算如下，其中a=0.828，b=0.041，c=1.323:, = = 5.0 2.13 0.828 2.13 5.0 1.323 0.041 =0.532,温度疲劳应力计算如下, tr = =0.5322.13=1.13,（5）疲劳应力验证 二级公路的安全等级为三级，相应对于三级安全等级的变异水平等级为中级，目标可靠度为85%。依据可靠度和变异水平等级，确定可靠度系数 =1.13。, + =1.13 3.29+1.13 =4.99pa =5.0,因此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。,第六节 国外水泥混凝土路面设计介绍,6.1 美国AASHTO设计方法3，4 美国各州公路及运输工作者协会（AASHTO）方法是以20世纪50年代后期至60年代初在渥太华等进行的AASHO道路试验所得到的大量试验成果为基础。1961年第一次出版了暂行指南，之后多次修订，与1986年出版了现版设计指南。,设计参数： （1）交通分析 （2）可靠度水平 （3）地基设计反应模量 （4）混凝土抗弯拉强度 （5）路面排水系数Cd （6）接缝传荷系数Cj,6.2 美国波特兰水泥协会（PCA）混凝土路面设计方法5,6 PCA法以温克乐地基上弹性薄板理论为基础，考虑了水泥混凝土路面使用年限、疲劳强度等多种因素，是一种比较完善的方法。,设计参数： 1.设计使用年限与交通分析：使用年限40年 2.荷载安全系数 3.基础强度特征 4.荷载应力 5.疲劳与安全系数,参考文献,1中华人民共和国行业标准.JTG B01-2003 公路工程技术标准.北京：人民交通出版社，2004. 2中华人民共和国行业标准.JTG D40-2011 公路水泥混凝土路面设计规范.北京：人民交通出版社，2012. 3American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO Guide for design of Pavement Structures, American Association of State Highway and Transportation Officials,1992 4 American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO Guide for design of Pavement Structures, American Association of State Highway and Transportation Officials,1998 5Mayhew, H.C. and Harding, H.M., Thickness Design of concrete Roads, Research Report 87, Transport and Road Research Laboratory, 1987 6The Highway Agency, Design Manual for Roads and Bridgeworks, vol. 7, Pavement Design, HD 26/01 Pavement Design.,