16 水泥混凝土路面设计

第十六章水泥混凝土路面设计22020/2/23第一节概述一．设计理论弹性地基上的小挠度薄板理论水泥混凝土路面破坏的力学分析荷载的疲劳应力温度翘曲应力不均匀的基础变形使板底脱空而产生过大的弯拉应力水泥路面的破坏型式：断裂、唧泥、错台、拱起、接缝挤碎等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fcmtp32020/2/23水泥混凝土路面设计内容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路面排水设计普通混凝土路面的钢筋配筋率设计42020/2/23第二节弹性地基板体系理论概述1.小挠度弹性薄板的基本假设薄板全厚度范围内的所有各点具有相同的竖向位移。板内无横向剪切应变。中性面上各点无平行于中面的位移。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。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。52020/2/232.板挠曲面微分方程62020/2/23板挠曲面微分方程由力的平衡方程得：P－－板表面竖向荷载q－－地基对板底面竖向反力72020/2/23板中心挠曲面微分方程求解由上式p、q、w、D知，P、D已知，如求得的关系，则可求出W.进而可求出板应力σqWyxyx),(),~（82020/2/23qWyxyx),(),~（两种地基模型：文克勒地基模型q(x,y)=kW(x,y)弹性半空间地基模型q(x,y)=f[W(x,y)]92020/2/23板内应力求解102020/2/23第三节水泥混凝土路面荷载应力分析一．文克勒地基板的荷载应力分析－无限大板文克勒地基模型q(x,y)=kW(x,y)威斯特卡德(H.M.S.Westergaard)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112020/2/23第三节水泥混凝土路面荷载应力分析二．弹性半空间体地基板的荷载应力分析弹性半空间体地基q(x,y)=f{W(x,y)}无限大板－解析解有限尺寸矩形板无解析解可得到有限元解122020/2/23第四节水泥混凝土路面温度应力分析1.胀缩应力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。2.翘曲应力气温升降，板顶和板底产生温差，使板产生翘曲变形。翘曲应力公式（式16－37、式16－38）气温升高时气温降低时132020/2/23第五节水泥混凝土路面板厚设计方法一．设计依据－结构可靠度设计方法1.可靠度设计标准公路等级高速一级二级三、四级安全等级一级二级三级四级设计基准期30年30年20年20年目标可靠指标1.641.281.040.84目标可靠度95%90%85%80%变异水平等级低低-中中中-高142020/2/232.变异系数范围变异水平等级低中高混凝土弯拉强度、弯拉弹性模量0.05~0.100.10~0.150.15~0.20基层顶面当量模量0.15~0.250.25~0.350.35~0.55面层厚度0.02~0.040.04~0.060.06~0.08152020/2/233.可靠度设计表达式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，其表达式为：)(rtrprrf式中：－可靠度系数，依所选目标可靠度及变异水平等级确定；－行车荷载疲劳应力（MPa)，计算方法见后；－温度梯度疲劳应力（MPa),计算方法见后；－水泥混凝土弯拉强度标准值(MPa).rprtrfr162020/2/23可靠度系数变异水平等级目标可靠度(%)95908580低1.20~1.331.09~1.161.04~1.08--中1.33~1.501.16~1.231.08~1.131.04~1.07高--1.23~1.331.13~1.181.07~1.11172020/2/23混凝土弯拉强度标准值水泥混凝土的强度以28天龄期的弯拉强度控制。当混凝土浇筑后90天内不开放交通时，可采用90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于下表的规定：交通等级特重重中等轻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(MPa)6.06.05.55.0182020/2/23二、设计参数1.标准轴载：100KN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式换算为标准轴载的作用次数(P436式16-1)：3.交通分级交通等级特重重中等轻设计车道标准累计作用轴次Ne(104)2000100~20003~1003192020/2/23）计算。－（三轴－双轮组时，按式）计算；－（双轴－双轮组时，按式）计算；－单轴－单轮时，按式（；＝单轴－双轮组时，轴－轮型系数，级轴载的作用次数；各类轴型轴型和轴载级位数；）；级轴载的总重（或三轴－双轮组轴型轮组、双轴－双轮组单轴－单轮、单轴－双载的作用次数；的单轴－双轮组标准轴式中：44.0.334.0.324.0.31KN100KN4)-(3.0.424.23)-(3.0.407.12)-(3.0.422.21)-(3.0.422.0822.0543.03161101010100iiiisiiiiiiiniisiniiNPNPPPPNN202020/2/234.设计基准期内设计车道的累计标准轴载作用次数212020/2/23车轮轮迹横向分布系数公路等级纵缝边缘处高速、一级公路0.17~0.22二、三、四级公路行车道宽7m0.34~0.39行车道宽≤7m0.54~0.62222020/2/235.水泥混凝土面层厚度的参考范围交通等级特重重公路等级高速一级二级高速一级二级变异水平等级低中低中低中低中面层厚度(mm)≥260≥250≥240240～270230～260220～250交通等级中等轻公路等级二级三、四级三、四级三、四级变异水平等级高中高中高中面层厚度(mm)240～210230～220220～200≤230≤220232020/2/23三、混凝土板荷载疲劳应力分析1.临界荷位：选取混凝土板的纵向边缘中部作为产生最大荷载和温度梯度综合疲劳损坏的临界荷位。纵缝242020/2/232.标准轴载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力PspscfrprKKK标准轴载Ps在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力（MPa）考虑接缝传荷能力的应力折减系数考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作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影响的综合系数标准轴载Ps在临界荷位处产生的荷载疲劳应力（MPa）252020/2/23四、温度疲劳应力分析在临界荷位处的温度疲劳应力：tmttrK最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力（MPa）考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力系数262020/2/23五、混凝土板厚度计算流程1.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。2.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。4.当时，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。设计厚度依计算厚度按10mm向上取整。)(rtrprrf272020/2/23END