第十二章 公路水泥混凝土路面设计方法

1、第十二章 公路水泥混凝土路面设计方法v第一节 水泥混凝土路面损坏的极限状态及设计原则v第二节 水泥混凝土路面平面及接缝设计v第三节 美国水泥混凝土路面设计方法v第四节 我国水泥混凝土路面设计方法第一节 水泥混凝土路面损坏的极限状态及设计原则v水泥混凝土路面在行车荷载和环境因素的作用下可能出现的破坏类型有：断裂、唧泥、错台、拱起和接缝挤碎。v考虑到混凝土面板的疲劳断裂是水泥混凝土路面损坏的主要模式，所以把疲劳开裂作为确定混凝土板厚时考虑的临界损坏状态。在设计混凝土板时，以混凝土材料的弯拉强度作为其设计技术指标。v在考虑可靠度因素因素影响情况下不超过混凝土的抗折强度，如下式所示：v以最重轴载和最大

2、温度梯度综合作用下，混凝土板不产生极rprtrrfv限断裂为验算标准，如下式所示：rp,maxt,maxrf第二节 水泥混凝土路面平面及接缝设计v 设置原因：由于大气温度周期性的变化，致使水泥混凝土路面产生各种形式的温度变形。由年温差引起的温度变形周期较长，温度变化缓慢，因此路面板的胀缩在厚度范围内呈均匀分布，这种变形一旦受到约束，将转变为温度内应力，若内应力超出容许范围，路面板即产生裂缝或被挤碎。在冬季和夏季，日温差较大，由于日温差变化周期短，在路面板厚度范围内呈现不均匀分布，造成上下底面的温度坡差，这种坡差将促使面板向上或向下翘曲。以纵向与横向接缝将路面板分割成规则的性质，对于消除温度内应

3、力，保持路面整齐的外观是有效的措施。v一 按均匀收缩应力控制缩缝间距v按照均匀收缩变形受到地基摩擦阻力约束所产生的应力不超过混凝土容许拉应力的原则确定缩缝间距，是最基本的方法之一，计算公式如下：v二 按翘曲应力控制缩缝间距v路面板在日温差影响之下产生的翘曲变形受到阻止时，引起的翘曲应力超过混凝土路面的弯拉强度，路面板将断裂成平面尺寸较小的板块，因此缩缝间距L必须保证路面板在当地最大日温差影响下产生的翘曲应力与荷载应力的共同作用小于容许范围。通过验算后，缩缝间距一般为46m。122f LLfv三 钢筋混凝土路面的缩缝间距v缩缝间距L可以按下式计算：v四 机场混凝土道面的缩缝间距v由于机场跑道与滑

4、行道的宽度远大于道路路面的宽度，所以在机场道面设置缩缝时，要同时考虑纵向与横向的接缝设置。在机场设计中称为平面分仓。机场道面板块一般可采用正方形，取厚度的2025倍作为边长。v五 胀缝的间距与胀缝宽度v冬季施工季节施工时，胀缝一般每100150m设置一道；夏季施工时，如板厚大于等于20cm，可不设胀缝，其它情况施工时一般每100200m设置一道。 ss2=ALfv六 纵缝间距与平面布置v纵缝的布置形式很多,归结起来,可分为:(1)垂直纵缝；(2)错缝；(3)斜缝。由于施工方法不同，国外目前有采用双车道全宽混凝土摊铺机，则纵缝可以采用锯缝方法设置；如果在一个车道宽度内铺筑路面，则纵缝多设置上下贯

5、穿的真缝，并加设拉杆。道路混凝土路面在交叉口广场或弯道上的布置应尽量不用锐角 v七 传力杆系的布置与荷载分配v在接缝端部的横断面上，布置一组传力杆，形成一个体系，共同承担着由邻板传来的荷载。在车轮荷载作用下，体系内各个传力杆承担的荷载是不同的，直接在车轮下的传力杆承受的荷载最大，远离车轮的传力杆承受的荷载逐渐减少。弗雷伯格根据威斯特卡德提出的理论分析，在角隅荷载作用下，最大负弯矩发生在离开角隅1.8l处，因此，认为传力杆的受力有效范围为1.8l。v传力杆承受的荷载应该等于邻板传递过来的一部分车轮荷载。假设传力杆的效率达到100%，则最大的传递荷载为车轮重量的50%，也就是相邻两块路面板各承担一

6、半轮重。v传力杆的直径、长度与间隔距离与路面厚度及荷载等级有关，一般可以根据规定选用，然后验算各项应力是否符合规定。我国公路水泥混凝土路面设计规范（JTG D40-2011)建议按下表选用。板厚(cm)直径（cm)长度（cm)间距（cm)板厚(cm)直径(cm)长度(cm)间距(cm)15194630253246301825463028324630202546303132463023324630v八 水泥混凝土路面接缝的传荷能力v定义：混凝土路面板接缝所具有的，将车轮荷载由接缝一侧直接承受的板块向接缝另一侧非直接承受荷载的板块进行传递的能力，称为接缝的传荷能力。表征传荷能力的指标是接缝两侧所承

7、受的荷载之比值，即：vP1与P2之和为车轮施加于路面板接缝位置的外力总荷载P。根据接缝传荷能力的不同，可分为三种情况。v接缝完全不具备传荷能力v接缝具有最佳的传荷能力21=PP12,00P PP，v接缝具有一定的传荷能力，但是达不到最佳状况v间接指标：v以挠度比值作为评定接缝传荷能力的指标。v当车轮P作用与缝边，直接承重板承受的荷载为P1，板边产生的挠度为1；非直接承重板承受了由接缝传过来的荷载P2，板边产生的挠度2，传荷系数为：2121,1.02PPPPP2121,1.0PPPP21=v以路面板边缘最大应变比值作为评定指标v当车轮作用于缝边，直接承重板承受的荷载为P1，板边产生最大应变为1，

8、非直接承重板承受由接缝传过来的P2，板边产生最大应变2，传荷系数为：v提高水泥混凝土路面接缝传荷能力的途径：v合理的平面分块与接缝布置。平面分块要严格按规定划分，避免错缝、锐角等不规则布置方法。对胀缝的设置要十分慎重，因为胀缝的传荷能力差、病害多，而且胀缝的存在会引起缩缝的松弛，不能紧密接触，结果使其他缩缝的传荷能力也下降。因此，不设胀缝或少设胀缝是提高接缝传荷能力的有效措施12=v改进接缝构造、提高施工质量，使接缝长期保持良好的传荷能力。接缝的形式、构造、尺寸、材料以及施工养护方法等都可以进一步研究改进，使之更加合理，更加有利于提高接缝的传荷能力。v修筑稳定性良好的基层。实践证明，基层的稳定

9、性和强度对接缝传荷能力由明显影响。因此，世界各国对于干线公路水泥混凝土路面一般都修筑稳定性良好的基层。第三节 美国水泥混凝土路面设计方法v一 AASHTO水泥混凝土路面设计方法vAASHTO试验路采用“服务功能指数”的概念来表征路面对行车荷载的耐用程度。对于刚性路面，根据试验结果的统计分析，采用下式确定现有服务功能指数（PSI）。v板厚、轴载、荷载重复作用次数和服务功能指数之间存在如下关系：PSI=5.41 1.8lg 1 SV0.09 C P001PSI=NCCCPv1.设计使用年限与车辆换算vAASHTO法规定，混凝土路面的设计使用年限通常为20年，届时的服务功能指数为2.5（干线道路）或

10、2.0（非干线道路）。路上通行的各类车辆均换算成标准车数量。标准车规定为后轴重18klb的单后轴车，在使用年限内通过的最大次数为v采用下式将各类轴载换算为标准轴载：v2.板厚设计v根据设计使用年限内标准轴载的总通行次数、基础反力模量和混凝土的允许弯拉应力，可求得板厚71 10。112122112lglglg3NNv3.罩面层厚度设计v长期以来，混凝土罩面层设计都是基于这样的基本假定的，即旧路面板与罩面层的综合强度与一个厚度等于这两层板平方和的开方根的单层板所具有的强度相当，以公式表示： 220220 rrTTTaTTTb或 ：v如果罩面层直接铺筑在现有路面之上，能保证两层之间有一定程度的结合，

11、则上式计算的厚度偏于保守。根据试验结果，又提出了适用于两层之间具有部分结合力时罩面层厚度T的计算公式，即：v若将现有路面的状况以结构条件系数C表示，则用于计算罩面层厚度的公式可分为三种情况分别表示：v罩面层与缘由路面之间完全隔离v层间部分结合v层间完全结合形成整体结构0rTTT220rTTCT0rTTCT0rTTTv二 美国波特兰水泥协会设计方法v1.设计使用年限vPCA取混凝土路面设计使用年限为40年。v2.荷载安全系数v（1）对于承受少量货车交通的道路、居住区街道和其他道路，采用1.0；v（2）对于承受中等货车交通量的道路主要街道，采用1.1；v（3）对

12、于连续交通量和大量货车交通的州级道路和其他多车道路面，采用1.2。v3.基础强度特征v基础的强度特征以地基反力模量k表征。K值通过承载板试验确定，它随材料的形状、承载板的直径和挠度（或压力）的取值不同而异。由于k值的变动对混凝土板内应力值的影响不大，在无试验条件时，可按路基土类别参考选用。v4.荷载应力vPCA采用横缝边缘作为计算临界应力的荷载位置。应用威斯特卡德理论，下图所示分别为单轴与双轴荷载应力计算图。v5.疲劳与安全系数v总疲劳利用率：v用允许重复作用次数 同实际 重复作用次数 相比，即得各级轴载对疲劳抗力的利用率。叠加各级轴载的利用率，得总的疲劳利用率。ii=1i11.25nNNiN

13、iN第四节 我国水泥混凝土路面设计方法v一 设计内容v水泥混凝土路面结构设计包括下述内容。v1.路面结构层组合设计；2.混凝土面板厚度设计；3.混凝土面板的平面尺寸与接缝设计；4.路肩设计；5.普通混凝土路面的钢筋配筋设计。v二 设计参数v1.标准轴载与轴载换算v我国公路水泥混凝土路面设计规范以汽车轴重100kN的单轴荷载作为设计标准轴载，凡是前、后轴载大于40kN的轴数均应换算成标准轴数。v轴载换算公式为：v2.交通分级和累计作用次数v根据所得交通资料，按下式计算设计使用年限内设计车道的标准轴载累计作用次数Ne:16s1niiisPNNP11365tsrerNgNgv 的取值根据公路等级而定

14、，见下表所示：v3.基层顶面的当量回弹模量v1）新建公路的基层顶面模量值v在设计新建公路时，可根据土基状态拟定基层、垫层结构类型和厚度，采用规范建议的材料回弹模量值来计算基层顶面的当量回弹模量。同时建立下列基层顶面回弹模量计算公式：00221110 . 8 60 . 2 6l n/xtxnnxiiiiinxiiEEEEhEhEhhhv2）原有路面的顶面当量回弹模量值v如下式公式表示：01.040018621137391.04ttwEwEwwwsv4.水泥混凝土的设计强度与弯拉弹性模量v水泥混凝土面层的设计强度是以弯拉强度作为设计控制指标，在进行路面设计时，应取尺寸为15cm15cm55cm的水

15、泥混凝土小梁试件通过三分点加载试验确定弯拉强度，并以其28d龄期的计算弯拉强度作为设计标准。v三 荷载疲劳应力v1.临界荷位v为了简化计算工作，通常选取使面层板内产生最大应力或最大疲劳损坏的一个荷载位置作为应力计算时的临界荷位。由于现行设计方法采用疲劳断裂作为设计标准，应以产生最大疲劳损耗的荷载位置作为临界荷位。利用可考虑荷载应力和温度应力综合疲劳作用下的疲劳方程，分析不同接缝传荷能力的路面疲劳损耗，得出下表所示不同情况下的临界荷位：v2.荷载应力计算v设计轴载在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力应按下式计算：30.7020.94pss13e1321.47101.2112 1cccccrhpD

16、rEE hDv最重轴载在面层板临界荷位处产生的最大荷载应力，按下式计算：v3.接缝传荷能力v混凝土路面接缝的荷载传递机构分为三类：v（1）集料嵌锁：依靠接缝处断裂面上集料的啮合作用传递剪力。v（2）传力杆：依靠埋设在接缝处的传力杆传递剪力、弯矩和扭矩。v（3）传力杆和集料嵌锁：上述两种类型的综合。v4.荷载疲劳应力v计算公式为：,m axprepmk kp rrcfp sk k kv四 温度疲劳应力分析v经计算分析，在弹性地基单层板临界荷位处产生的温度疲劳应力可用下式表示：v其中最大温度梯度标准值Tg和a、b、c三个回归系数均差规范表格取值。t rtt mcct mL4 .4 8LLLLct

17、mrtt mr21 .7 70 .1 3 11s i n hc o sc o s hs i n1c o ss i ns i n hc o s h 3cghkEh TBBeCCttttCttttfLtkabrfv五 设计过程v1.收集并分析交通参数；v2.初拟路面结构；v3.确定材料参数；v4.计算荷载疲劳效应；v5.计算温度应力；v6.检验初拟路面结构。其中可靠度系数按下表取值。v六 连续配筋混凝土路面v1.厚度设计vAASHTO设计方法v计算公式：v我国规范（JTG D40-2011)设计方法v控制连续配筋混凝土面层配筋率的指标有以下三个：v1.混凝土面层横向裂缝的平均间距1.8m;v2.裂

18、缝缝隙的最大宽度为0.5mm;v3.钢筋拉应力不超过钢筋的屈服强度。v横向裂缝平均间距计算公式：20.25 0.75R0.045362.610.1612lg8.682 3.513lg1JaLM hzht0dcg1s212ccfChLc dv纵向钢筋埋置深度处的横向裂缝缝隙平均宽度应按下式计算确定：v纵向钢筋应力按下式计算：v纵向配筋率的计算步骤：v1.初拟配筋率，计算裂缝间距；v2.计算裂缝缝隙宽度；v3.计算钢筋应力；v4.综合上述三项计算结果，最终确定配筋率，并进一步确定钢筋根数。在满足纵向钢筋间距要求的前提下，宜选用直径较小的钢筋。tjdshc1000cc fbLTEsc dstscsshcs 10.2342EfLfETEdc v端部锚固设计步骤：v1.根据地区的最大年温差和温度变化程度计算确定最大应变v2.确定路面端部最大容许纵向位移量v3.地基的各种参数确定v4.混凝土的各种参数确定v5.锚固的深度、厚度等几何尺寸v6.计算锚固件之间的最佳距离v7.计