C16混凝土路面設(shè)計(jì)

2023/9/216.1概述1、路面結(jié)構(gòu)特征：1、混凝土的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于基層和土基的強(qiáng)度；2、水泥混凝土本身的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗折強(qiáng)度；3、基層表面與路面板間摩擦力較??；4、板塊厚度相對(duì)與平面尺寸較小，板塊在荷載作用下的撓度（豎向位移）很??；5、混凝土板在自然條件下，存在沿板厚方向的溫度梯度，會(huì)產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象，如果受到約束，會(huì)在板中產(chǎn)生翹曲應(yīng)力。6、荷載多次重復(fù)作用，溫度梯度也反復(fù)變化，混凝土板有疲勞現(xiàn)象。

2、路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法：結(jié)構(gòu)體系:彈性層狀體系設(shè)計(jì)指標(biāo):抗彎拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):r(σp+σt)≤fcm

2023/9/23、路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則：4、路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容：1．路面結(jié)構(gòu)層組合設(shè)計(jì)2．混凝土面板厚度設(shè)計(jì)3．混凝土面板的平面尺寸與接縫設(shè)計(jì)4．路肩設(shè)計(jì)5．普通混凝土路面的鋼筋配筋率設(shè)計(jì)2023/9/216.2彈性地基板力學(xué)模型2023/9/22023/9/2微分單元受力圖注意：上圖中荷載p(x,y)dxdy和地基反力q(x,y)dxdy未標(biāo)出。2023/9/22023/9/22023/9/22023/9/22）板與地基接觸條件假設(shè)（1）變形過(guò)程中板與地基始終緊密接觸，因此板面、板底豎向位移與地基頂面位移相等。（2）接觸面上只有豎向力，無(wú)水平摩阻力。2023/9/2假定地基是各向同性的彈性半空間體，這時(shí)地基在荷載作用范圍內(nèi)、外均產(chǎn)生變形和反力。2023/9/216.3Winkler地基無(wú)限大板解2023/9/22023/9/216.4Westergaard荷載應(yīng)力公式（Winkler地基）三個(gè)臨界荷位：

1、作用在板中；

2、作用在板邊緣中部；

3、作用在板角。最大彎拉應(yīng)力位置：1、荷載中心處板底；2、荷位下板底；3、板表面距板角點(diǎn)x1的分角線上2023/9/22023/9/22023/9/22023/9/216.5彈性半空間地基無(wú)限大板解2023/9/216.6彈性半空間地基雙層板荷載應(yīng)力分析1、2023/9/22、結(jié)合式：2023/9/2

或用單層板的方法求解雙層板的總彎矩，分別計(jì)算上、下層板底的彎拉應(yīng)力。上層：下層：公式見(jiàn)書(shū)P468。2023/9/216.7脹縮應(yīng)力——溫度均勻升降所引起2023/9/22023/9/216.8翹曲應(yīng)力——頂、底面溫差(溫度梯度)引起原因：板的自重、地基負(fù)反力、鄰板約束等。大板板中面曲率：2023/9/21)文克勒地基板:2023/9/2對(duì)于較厚的板，應(yīng)考慮由于溫度的非線性分布而引起的內(nèi)應(yīng)力。

考慮溫度沿板厚非線性分布引起的內(nèi)應(yīng)力后，板中：板邊緣中點(diǎn)：式中，——

溫度應(yīng)力系數(shù)，2023/9/22023/9/22)彈性半空間體地基上板的翹曲應(yīng)力，目前尚無(wú)解析解，可采用有限元法計(jì)算板內(nèi)翹曲應(yīng)力。按照文克勒地基板計(jì)算翹曲應(yīng)力的假設(shè)，采用有限元法計(jì)算了彈性半空間體地基上板的翹曲應(yīng)力。根據(jù)所得結(jié)果，繪出圖16-10中的曲線1和2。此時(shí)板的剛性半徑計(jì)算公式為：2023/9/2例:路面板長(zhǎng)L=5m，板寬B=3.5m，厚24cm,Ec=2.8×104，μc=0.15，K=80MPa/m,α=10-5／℃，板的溫度梯度為85℃／m，求溫度翹曲應(yīng)力和考慮內(nèi)應(yīng)力的溫度翹曲應(yīng)力。解:1、由板和地基參數(shù)得板的剛性半徑為：

查圖16-12中的曲線3，計(jì)算翹曲應(yīng)力：由L/l=5/0.801=6.24,B/l=3.5/0.801=4.37查圖16-10曲線1得板中點(diǎn)的Cx=0.948,Cy=0.544故板中溫度翹曲應(yīng)力σt(中)：沿長(zhǎng)邊方向：σtx=沿短邊方向：σty=m

2023/9/2板邊溫度翹曲應(yīng)力σt(邊)：短邊中點(diǎn)：σty=

長(zhǎng)邊中點(diǎn)：σtx=2、考慮內(nèi)應(yīng)力的溫度翹曲應(yīng)力

采用同樣的方法可得：板中部：板邊緣中點(diǎn)：

2023/9/216.9國(guó)內(nèi)水泥混凝土路面設(shè)計(jì)方法3）地基模型：彈性半空間地基有限大矩形板4）標(biāo)準(zhǔn)軸載：100kN單軸雙輪5）設(shè)計(jì)方法：采用可靠度6）極限狀態(tài)：行車(chē)荷載和溫度荷載綜合作用產(chǎn)生的疲勞斷裂2023/9/216.10設(shè)計(jì)參數(shù)2023/9/2二、交通分級(jí)、設(shè)計(jì)使用年限和累計(jì)作用次數(shù)：交通等級(jí)使用初期設(shè)計(jì)車(chē)道日標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)(n/d)設(shè)計(jì)使用年限(t)初估板厚(cm)普通混凝土碾壓混凝土特重＞150030＞25＞26重200～15003023~2524~26中等5～2002021~2322~24輕

520＜21＜22交通分級(jí)與設(shè)計(jì)使用年限及初估板厚車(chē)輪輪跡橫向分布系數(shù)η

公路等級(jí)縱縫邊緣橫縫邊緣高速、一級(jí)公路0.17~0.220.40~0.55二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)公路行車(chē)道寬>7m0.34~0.390.50~0.60行車(chē)道寬≤7m0.54~0.620.60~0.702023/9/2三、基層頂面的當(dāng)量回彈模量和計(jì)算回彈模量1）當(dāng)量回彈模量：2023/9/22023/9/2d、解析法：2023/9/2基層頂面的當(dāng)量回彈模量Et交通等級(jí)特重重中等輕當(dāng)量回彈模量Et(MPa)12010080602）計(jì)算回彈模量：2023/9/2四、水泥混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和彎拉彈性模量1）混凝土面板：以小梁試件確定強(qiáng)度、模量值交通等級(jí)特重重中等輕fcm（MPa）5.05.04.54.0Ec（MPa）30000300002800027000Ec=1.44*104

混凝土的設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度與彈性模量

2023/9/2五、最大溫度梯度各地區(qū)不相同的可能產(chǎn)生的沿板厚最大的溫度變化速率。用于考慮板塊可能產(chǎn)生的最大溫度應(yīng)力。2023/9/2六、可靠度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)2023/9/22023/9/216.11荷載疲勞應(yīng)力1、2023/9/2回歸公式：2023/9/2撓度傳荷系數(shù):應(yīng)力2、接縫傳荷能力：2023/9/22023/9/2各類(lèi)接縫的傳荷系數(shù)

接縫類(lèi)型撓度傳荷系數(shù)Ew（%）應(yīng)力傳荷系數(shù)kj設(shè)傳力桿脹縫

60

0.82不設(shè)傳力桿脹縫50~550.84~0.86設(shè)傳力桿縮縫

75

0.75設(shè)拉桿平口縱縫35~550.87~0.92設(shè)拉桿企口縱縫77~820.76~0.842023/9/23、疲勞應(yīng)力系數(shù)2023/9/24、綜合影響系數(shù)Kc:考慮偏載和動(dòng)載等因素綜合系數(shù)kc公路等級(jí)高速公路一級(jí)公路二級(jí)公路三、四級(jí)公路綜合系數(shù)kc1.301.251.201.102023/9/25、荷載疲勞應(yīng)力：2023/9/216.12溫度疲勞應(yīng)力2023/9/2溫度應(yīng)力疲勞作用系數(shù)kt的解析法：a、b、c為各公路自然區(qū)劃的回歸系數(shù)。2023/9/2溫度應(yīng)力疲勞作用系數(shù)kt2023/9/216.13板厚設(shè)計(jì)2023/9/2安全等級(jí)目標(biāo)可靠度變異水平等級(jí)可靠度系數(shù)r2023/9/216.14路面厚度設(shè)計(jì)示例

公路自然區(qū)劃Ⅱ區(qū)擬新建一條二級(jí)公路，路基為粘質(zhì)土，采用普通混凝土路面，路面寬9m，，經(jīng)交通調(diào)查得知，設(shè)計(jì)車(chē)道使用初期標(biāo)準(zhǔn)軸載日作用次數(shù)為2100，試設(shè)計(jì)該路面厚度。1、交通分析二級(jí)公路的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期查表為20年，其可靠度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的安全等級(jí)查表為三級(jí)。臨界荷位處的車(chē)輛輪跡橫向分布系數(shù)查表查表取0.39。取交通量年增長(zhǎng)率為5％。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的設(shè)計(jì)車(chē)道標(biāo)準(zhǔn)荷載累計(jì)作用次數(shù)按公式計(jì)算：屬重交通等級(jí)。2023/9/22初擬路面結(jié)構(gòu)相應(yīng)于安全等級(jí)三級(jí)的變異水平等級(jí)為中級(jí)。根據(jù)二級(jí)公路、重交通等級(jí)和中級(jí)變異水平，初擬普通混凝土面層厚度0.22m基層選用水泥穩(wěn)定粒料（水泥用量5％），厚0.18m,墊層為0.15m低劑量無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土。普通混凝土板的平面尺寸為寬4.5m,長(zhǎng)5m,縱縫為設(shè)拉桿平縫，橫縫為不設(shè)傳力桿的假縫。3路面材料參數(shù)確定取重交通等級(jí)的普通混凝土面層彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值查表為5.0MPa,相應(yīng)彎拉彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值查參考值表為31GP。根據(jù)中濕路基路床頂面回彈模量經(jīng)驗(yàn)參考值表，取路基回彈模量為30MPa，根據(jù)墊層、基層材料回彈模量經(jīng)驗(yàn)參考值表，取低劑量無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土墊層回彈模量為600MPa，水泥穩(wěn)定粒料基層回彈模量為1300MPa。2023/9/24計(jì)算基層頂面當(dāng)量回彈模量2023/9/25、普通混凝土面層的剛度半徑和荷載應(yīng)力6、修正系數(shù)確定因縱縫為設(shè)拉桿平縫，查表得到接縫傳荷能力的應(yīng)力折減系數(shù)Kj=0.87；考慮設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)荷載應(yīng)力累計(jì)疲勞作用的疲勞應(yīng)力系數(shù)

根據(jù)公路等級(jí)，查表得到考慮偏載和動(dòng)載等因素對(duì)路面疲勞損壞影響的綜合系數(shù)為1.20。2023/9/27、荷載疲勞應(yīng)力

2023/9/28、溫度疲勞應(yīng)力參數(shù)

Ⅱ區(qū)最大溫度梯度查表?。?8℃/m），板長(zhǎng)5m，L/r=5/0.67=7.46，查圖得普通混凝土板厚h=0.22m，Bx＝＝0.71，按公式計(jì)算最大溫度梯度時(shí)混凝土板的溫度翹曲應(yīng)力：9、溫度疲勞應(yīng)力系數(shù)10、溫度疲勞應(yīng)力2023/9/2

11、可靠度系數(shù)二級(jí)公路的安全等級(jí)為三級(jí)，相應(yīng)于三級(jí)安全等級(jí)的變異水平等級(jí)為中級(jí)，目標(biāo)可靠度根據(jù)查表為85％。由查得的目標(biāo)可靠度和變異水平等級(jí)，查表確定可靠度系數(shù)為1.13。12、判斷結(jié)構(gòu)是否滿(mǎn)足要求因而，所選普通混凝土面層厚度（0.22m））可以承受設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力的綜合疲勞作用。2023/9/216.15混凝土面板接縫設(shè)計(jì)和配筋設(shè)計(jì)1、接縫設(shè)計(jì)2、配筋設(shè)計(jì)：鋼筋混凝土面層連續(xù)配筋混凝土面層2023/9/216.16水泥混凝土路面加鋪層設(shè)計(jì)2023/9/2由彎沉值計(jì)算確定：2023/9/2（4）瀝青混凝土罩面（5）破碎混凝土路面板加鋪2023/9/22023/9/24）理論設(shè)計(jì)法：荷載應(yīng)力：層間結(jié)合系數(shù)：分離式結(jié)合式：2023/9/2荷載疲勞應(yīng)力：2023/9/2最大溫度翹曲應(yīng)力：溫度疲勞應(yīng)力：2023/9/2加鋪層厚度設(shè)計(jì)：2023/9/2加鋪層(復(fù)合)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)例題:(見(jiàn)書(shū)P494)2023/9/216.17其它設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介(1)理論法：美國(guó)的PCA法及蘇聯(lián)的設(shè)計(jì)方法；(2)試驗(yàn)路法：美國(guó)的AASHTO法；(3)典型結(jié)構(gòu)圖表法：法國(guó)的設(shè)計(jì)方法。2023/9/2一、理論法：波特蘭水泥協(xié)會(huì)(PCA)法應(yīng)用文克勒地基上彈性薄板理論，橫縫邊緣作為計(jì)算應(yīng)力的臨界荷載位置，采用荷載安全系數(shù)以考慮汽車(chē)的超載、輪載分配的不均勻性和沖擊作用等因素所引起的荷載增大。累加各級(jí)軸載對(duì)疲勞抗力的利用率來(lái)選定路面厚度.≤1～1.252023/9/2二、試驗(yàn)路法：美國(guó)各州公路工作者協(xié)會(huì)(AASHTO)法

以足尺試驗(yàn)路為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的觀測(cè)，建立起軸載作用次數(shù)、路面結(jié)構(gòu)厚度和使用性能之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：以使用性能內(nèi)路面耐用指數(shù)的總變化量為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。2023/9/2本章基本要求了解彈性地基板體系理論；掌握水泥混凝土路面荷載應(yīng)力分析、水泥混凝土路面溫度應(yīng)力分析、水泥混凝土路面板厚設(shè)計(jì)方法、水泥混凝土路面平面尺寸和接縫設(shè)計(jì)；了解復(fù)合式混凝土路面厚度設(shè)計(jì)、水泥混凝土路面上加鋪層設(shè)計(jì)方法；了解國(guó)外有關(guān)設(shè)計(jì)方法。2023/9/