混凝土路面设计计算书终极版

1、2010级路面工程课程设计21课程设计题目2课程设计目的3课程设计主要内容4路面厚度计算4.1交通分析4.2初拟路面结构.4.3路面材料参数确定4.4荷载疲劳应力.4.5温度疲劳应力.4.6验算初拟路面结构5接缝设计5.1纵向接缝5.2横向接缝6混凝土面板钢筋设计6.1边缘补强钢筋6.2角隅钢筋.7材料用量计算7.1面层7.2基层7.3垫层8施工要求说明参考资料13.4.6.7.8.8.9.101.0.1111.11.12.131.3152010级路面工程课程设计17水泥混凝土路面设计计算书1课程设计题目水泥混凝土路面设计：公路自然区划n区拟建一条一级公路，路基为粘质土, 采用普通混凝土路面，

2、双向四车道，经交通调查得知，设计车道使用初期轴载日 作用次数为4500。试设计该路面结构。2课程设计目的通过课程设计巩固和加深所学的专业知识，熟悉相关的设计规范和施工规 范，掌握实际工程结构设计的全过程。使学生将所学的专业基础和专业课知识在 课程设计过程中有机的联系在一起， 为进行实际的工程设计奠定基础。要求学生 课程设计之后对相关的设计规范、施工和试验规范等有比较系统和全面的了解， 综合解决水泥混凝土路面结构设计中的实际问题， 深入理解水泥混凝土路面的设 计理论，掌握设计方法。3课程设计主要内容(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)结构组合设计； 材料组成设计； 混凝土板厚的

3、确定； 板的平面尺寸确定； 接缝设计； 配筋设计； 材料用量计算； 施工要求说明。设计图纸为A3路面结构详图一张(手工绘图)，要求整洁、规范, 图幅和数量符合要求。(10)附参考文献4路面厚度计算4.1交通分析根据公路水泥混凝土路面设计规范(JTJ012 94)，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如下表：公路技术等级高速公路一级公路二级公路三、四级公路安全等级一级二级三级四级设计基准期30302020目标可靠度（%）95908580目标可靠指标1.641.281.040.84变异水平等级低低-中中中高可靠度设计标准表4-1由表4-1知，一级公路的设计基

4、准期为30年，安全等级为二级。公路等级纵缝边缘处高速公路、一级公路、二级公路0.170.22行车道宽 7m0.340.39二级及二级以下公路行车道宽W 7m0.540.62混凝土路面临界荷位车辆轮迹横向分部系数表4-2由表4-2知，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.18。公路等级设计年限1015203040高速公路5947473624一级公路61149392624二级公路51238262413三级公路3242182131816交通量年平均增长率丫变化范围（%表4-3如表4-3,可取交通量年平均增长率为5%。则设计基准期内设计车道标准 荷载累计作用次数为：0.05Ne-W+gJ-叭36討 r

5、500""0.05）30 7365918gr=1963勺04（次）交通量相轴载大小是路面设计的基本依据。 随着交通量增大，对路面使用性 能和使用寿命的要求相应提高。由此，在使用年限内对混凝土强度、面板厚度、 基层类型和模量等方面提出了不同的技术要求。 为了区分各项要求在程度上的差 别，按使用初期设计车道每日通过的标准铀载作用次数，将水泥混凝土路面承受交通等级特重重中等轻设计车道标准轴载累计作用次数NeCMO4）> 200010020003100< 3表4-4由表4-4可得该公路属于重交通等级。的交通划分为特重、重、中等和轻四个等级，标准如下：公路混凝土路面交通分

6、级4.2初拟路面结构由上表4-1知，安全等级为二级的道路对应的变异水平等级为中级。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> 240270240260230250220交通等级中等轻公路等级二级三、四级三、四级三、四级变异水平等级咼中高中咼中面层厚度（mm）240210230200220200< 230< 220水泥混凝土面层厚度的参考范围表4-5根据一级公路、重交通等级和中级变异水平等级，由表4-5知，初拟普通混凝土面层厚度为260mm。基层类型厚度适宜的范围（mm）适宜交通等级贫混凝土或碾压

7、混凝土基层120200特重交通水泥稳疋粒料基层150250重交通沥青混凝土基层4060特重交通沥青稳定碎石基层80100重交通石灰粉煤灰稳疋粒料、级配粒料基层150200中等或轻交通多孔隙水泥稳定碎石排水基层100140咼速、一级、重交沥青稳疋碎石排水基层80100高速、一级、重交各类基层适宜交通等级与适宜厚度的范围表4-6如上表4-6，基层可选用水泥稳定粒料类，厚180mm，为保证模板和轨模式 摊铺机轨道的安装、滑模式摊铺机的施工，以及混凝土面板边缘的强度和稳定 性.当采用小型机具或轨模式摊铺机施工时，基层的宽度比混凝土面板每侧宽出25cm；。垫层选用150mm石灰粉煤灰稳定粒料，每侧比基层

8、宽出 25cm。普通混 凝土板的平面尺寸宽3.75m、长5m ;纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假 缝，中间带为3m，每幅路面宽7.5m。图4-1 路面结构图（单位：mm4.3路面材料参数确定混凝土面板在行车荷载和温度变化等因素的作用下，将产生压应力和弯拉应力。混凝土面板所受的压应力与混凝土的抗压强度相比很小，而所受的弯拉应力与抗弯拉强度相比则大得多，可能导致混凝土面板开裂破坏。 因此，在设计混 凝土面板厚度时，应以弯拉强度为其设计标准。混凝土的强度随龄期而增长，通常以 28日龄期的强度为标准。各级交通要 求的混凝土设计弯拉强度不得低于表 4-7的规定。当90日内不开放交通时，则 可采用90

9、日龄期的强度（为28日强度的1.1倍）。混凝土的强度对路面的使用寿命有重大影响， 强度的变化同路面容许的标准 铀载作用次数的对数成正比。增加混凝土的强度，可以大大延长路面的使用寿命， 取得十分显著的经济效益。因而，应尽可能提高混凝土的强度。结合我国的材料 情况和施工工艺水平，公路水泥混凝土路面设计规范（JTJ012- 94）规定了设计强度的最低值。条件许可时，应尽量采用高值，尤其是对于特重交通的公路。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）6.06.05.55.0混凝土弯拉强度标准值fr表4-7混凝土弯拉弹性模量的测

10、试工作，很费时而又不易准确，且其数值的变化对 荷载应力计算结果的影响不大。因而，在无条件测试时，直接采用表 4-7所列数 值，fr=5.0MPa。弯拉强度（MPa）1.01.52.02.53.0抗压强度（MPa）5.07.711.014.919.3弯拉弹性模量（GPa）1015182123弯拉强度（MPa）3.54.04.55.05.5抗压强度（MPa）24.219.735.841.848.4弯拉弹性模量（GPa）2527293133水泥混凝土弯拉弹性模量经验参考值表4-8按表4-8取普通混凝土面层的弯拉弹性模量标准值为E31GPa 。土组公路自然区划n出WV土质砂26424050395035

11、605060黏质土25453040254530453045粉质土22463254305027433045中湿路基路床顶面回弹模量经验参考值范围表4-9垫层和基层材料回弹模量经验参考值范围表 4-10材料类型回弹模量（MPa）中、粗砂80100天然砂砾150200未筛分碎石180220极配碎砾石（垫层）200250极配碎砾石 （基层）250350石灰土200700石灰粉煤灰土600900材料类型回弹模量（MPa）石灰粉煤灰稳定粒料13001700水泥稳定粒料13001700沥青碎石（粗粒式，20乜）600800沥青混凝土（粗粒式，20乜）8001200沥青混凝土 仲粒式，20乜）10001400

12、多孔隙水泥碎石（水泥剂量 9.5%11%）13001700多孔隙沥青碎石（20，沥青含量2.5%3.5%）600800按表4-9,路基土回弹模量取E。=35MPa。按表4-10,石灰粉煤灰稳定粒料 垫层回弹模量取E700MPa，水泥稳定粒料基层回弹模量取 巳=1400MPa。则有：基层顶面当量回弹模量计算如下：2 2 2 2= h_EJ40"0.18 + 70"0.15=1131.11m Pah1 +h2Ex0.182 +0.152_吋1 + E2h2 +(h +h2)(-12丄+ 岸山E2h2丿1400咒0.183 +700X0.153 丄(0.18+0.15)2=+4D

13、x12+11400X0.18700X0.15 丿= 2.7(MN m)i12Dx12咒2.7、hx =3 =3= 0.306( m)V Ex V1131.11,-0.45f/ 、Exa =6.22 X11.51x店0丿55=1 1.44 咒1l = 6.22x 11.51XJL/、一0.551131.11、I =0.787 k 35丿1400 广5= 4.25b =1 1.44 店0丿屮<113111V3= 4.25 咒 0.3060.787 咒35咒1I =186.558 MPaI 35丿式中：E。一路床顶面的回弹模量（MPa），查用表4-9的参考值； Ex 基层和底基层或垫层的当量回

14、弹模量（ E1、E2 基层和底基层或垫层的回弹模量（ hx 基层和底基层或垫层的当量厚度（m）；Dx 基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度（ 0、h2 基层和底基层或垫层的厚度（m）；MPa）；MPa ），查表4-10的参考值;MN E）；a、b 与Ex/E。有关的回归系数；Et 基层顶面当量回弹模量（ MPa），此为新建公路的基层顶面当量回弹模量。普通混凝土面层的相对刚度半径按下式计算为r =0.537h#Ec/Et =0.537咒 0.26咒 3/31OO0/186.558 = 0.768m ；r 混凝土板的相对刚度半径（ m）；h 混凝土板的厚度（m）；Ec 水泥混凝土的弯拉弹性模量（MPa

15、 ），可查用表4-8的参考值。4.4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:bp s =0.077宀丄=0.077x0.7680.6x 0.26, =0.972MPaCTpr = KrKfKcCT式中：b pr 标准轴载ps在临界荷位处产生的荷载疲劳应力（ MPa）；Kr =0.87 - 0.92，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:纵缝位不设拉杆平缝或自由边界：Kr =1.0，纵缝为设拉杆的企口缝：Kr =0.760.84 ；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，按下式计算确定。式中：Ne 设计基准期内标准轴载累计作用次数;v 与混合料

16、性质有关的指数，普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土 V = 0.057 ；因纵缝为设拉杆平缝，故取 Kr =0.90。考虑设计基准期内荷载应力疲劳作 用的疲劳应力系数Kf=（1.963咒107）0-057 =2.60。由于超过额定载重和载重在各侧车轮上分配的不均匀性，在行驶过程中因路表不平整和车辆自振所引起的变动，以及路面结构厚度和材料性质的变异等因素 对路面疲劳损坏的影响的综合系数。其数值是参照国内外资料确定。公路等级高速公路一级公路二级公路三、四级公路Kc1.301.251.201.10表 4-11综合系数Kc根据公路等级和表4-11，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合 系数

17、为Kc曰.25。则荷载疲劳应力为bp r =KrKf Kcb PS =0.88x2.60x1.25x0.972 =2.78M P a4.5温度疲劳应力混凝土面板顶面和底面的温度之差除以板的厚度， 即为板的温度梯度。在晴 天，混凝土面板的温度梯度经历了由零经正最大 （板顶高于板底）到零，再经负最 大（板顶低于板底）后回到零的周期性变化。混凝土面板的最大温度梯度计算值Tg，可根据公路所在地的公路自然区划按 表4-12选用。公路自然区划n、v出W最大温度梯度（ P / m）8388909586'929398表 4-12最大温度梯度标准值 Tg由表4-12, n区最大温度梯度为85（ 9/m

18、），板长为5m , l/r = 5/0.768 = 6.51。 则当混凝土板厚度为h=0.26m时，查下图5-1可得Bx =0.59。62I«0®QJCt. Si0.3n丁B910II图5-1温度应力系数,.I 06»0 7O.TC0.4则有最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力为%Bx 1宀 3100" 0.26> 85 259 二 2.02MPa系数公路自然区划n出WVWa0.8280.8550.8410.8710.8370.834b0.0410.0410.0580.0710.0380.052c1.3231.3551.3231.2871.3821

19、.270表 4-132 2回归系数a、 b和cB温度疲劳应力系数Kt，按下式计算，根据表4-13知，自然区划n区中,a =0.828 , b =0.041 , c=1.323 , Kt 为Kt btm广一 0.04115.0 丿=0.645则温度疲劳应力为CT tr = Ktbtm =0.645x2.02 =1.302 MPa4.6验算初拟路面结构变异水平等级目标可靠度（%）95908580低1.201.331.091.161.041.08一中1.331.501.161.231.081.131.041.07高一1.231.331.131.181.071.11可靠度系数表 4-14由表4-1知，

20、一级公路的安全等级为二级，相应于二级安全等级的变异水平 等级为中级，目标可靠度为90%。再据查得的目标可靠度和安全等级，由表4-14 知，可靠度系数为丫丫 = 1.20。贝化 0 pr +crtr） =1.20x（2.78+1.302） =4.898M Pa < fr =5.0M Pa因而，所选普通混凝土面层厚度（0.26mm）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。5接缝设计为避免混凝土面层因为热胀冷缩而引起的变形计破坏，在纵横两个方向设置 许多接缝，且做成垂直正交，把整个路面分割成许多板块。5.1纵向接缝原定平面尺寸宽3.75米，长5米，则应在纵向设置施工缝，纵向接缝

21、的布 设根据路面宽度和施工铺筑宽度而定。本段路面设计按一个车道施工，故采用拉 杆平缝形式。接缝拉杆采用螺纹钢筋，设置在板厚的中央，并对拉杆中部100mm 范围内作防锈处理。拉杆的直径、长度和间距查下表选用16x800x700。接缝布置如下表5-1所示：面层厚度（mm）到自由边或未设拉杆纵缝的距离(m)3.003.5013.754.506.007.520025014 X700 >90014 X700 X30014 X700 X0014 X700 X0014 X700 X50014 X700 >40026030016 X300 X90016 X300 X30016 X300 X0016

22、 X300 X0016 X300 X50016 X300 >400表5-1拉杆直径、长度和间距（mm）注：拉杆直径、长度和间距的数字为直径X长度X间距。缝的上部锯切槽口，深度为60mm，宽度为8mm，槽内灌塞填缝料，构造如 下图所示：图5-1 纵缝构造图（单位： mm5.2横向接缝每日施工结束或因临时原因中断施工时， 必须设置横向施工缝，其位置应尽 可能选在缩缝或胀缝处。且由于本路属于重交通等级，故施工缝采用加传力杆的 平缝形式。横向缩缝采用假缝等间距设置。缝的上部锯切槽口，深度为 60mm， 宽度为8mm，槽内灌塞填缝料。传力杆采用光圆钢筋，其尺寸和间距根据表5-2可选用传力杆直径为3

23、2mm， 长度为450mm，间距为300mm。最外侧传力杆距纵向接缝或自由边的距离为 150mm。面层厚度（mm传力杆直径传力杆最小长度传力杆最大间距2202840030024030400300260324503002803545030030038500300传力杆尺寸和间距（mm表5-2横向接缝的细部构造见下图:图5-2 横向接缝构造图（单位：mm6混凝土面板钢筋设计混凝土面板纵横自由边边缘下的基础，当有可能产生较大的塑性变形时, 宜在板边缘加设边缘补强钢筋，角隅加设发针形钢筋或钢筋网。6.1边缘补强钢筋混凝土面板边缘部分的补强，选用2根16mm的螺纹钢筋，布置在板的下部, 距板底约为板厚的

24、1/ 4即65mm，间距为100mm，钢筋两端应向上弯起，钢筋保 护层的厚度为50mm，如下图所示。-I rU：6.2角隅钢筋角隅补强部分的补强，选用2根直径为14mm的螺纹钢，布置在板的上部, 距板顶50mm，距板边为100mm，钢筋保护层的厚度为50mm，如下图所示。-S7材料用量计算7.1面层面层工程量表主要包括：面板混凝土数量；接缝数量表；接缝钢筋数 量角隅等处的钢筋数量，计算结果见表 7-1。取长度1000m为计算标准。材料普通混凝土面板长度（m）1000宽度（m）19.5厚度（cm）26体积（m3）19.5咒 1000X0.26 = 5330面层工程数量表表7-1混凝土面板数量（m

25、3）1000x19.5-3.75 子 5 = 1093接缝数量表（个）横缝4x1000子(5 +0.008)=798纵缝798子 2 =399接缝钢筋 数量（kg）横缝传力杆3 750 032798沁 x0.45x3.14x (5)2 x 7850 - 28324.660.32纵缝拉杆399x3.14X ( °016)2x 3.75x 0.8x 7850 = 2697.5920.7边缘补强钢筋0.016 21093x3.14x() X 4x5x7850 =34484.94水泥用量（kg）5330c 337=1796210砂和碎石（kg）237.08+131.36X1000% 9= 3

26、68440 1000钢筋用量（kg）18853.02 +2251.37 +11787.35 =22891.747.2基层W/C 般为0.3,水泥用量为220kg/m3。粗集料使用连续级配，集料的最大 粒径一般为15 mm。细浆料含砂率超过25%。利用粉煤灰掺量为30%。基层工 程数量表涵盖了基层的长度，宽度，厚度等一些基本的数据，为概预算设计作铺 垫。基层拟采用小型机具施工，依据规范知基层的宽度应比混凝土面层每侧至少 宽出250mm，取为0.25m,计算结果见表7-2所示。材料水泥稳定粒料基层长度（m）1000宽度（m）19.5+2x0.25=20厚度（m）0.18体积（m3）20X1000X0.18=3600水泥用量（kg）3600X220=792000砂和碎石（kg）0.25 792000X=3960001-0.25-0.25粉煤灰（kg）792000X 0.30/ 0.45 =528000基层工程数量表表7-27.3垫层垫层工程量表的内容和基层类似，垫层拟采用小型机具施工，垫层的宽度比 基层每侧宽出250mm，取为0.25m,详细内容见表7-3所示。材料石灰粉煤灰稳定粒料垫层长度（m）1000宽度（m）19.5+