水泥混凝土路面结构设计.

1、水泥混凝土路面结构设计水泥混凝土路面结构设计目录目录 1 概述概述 2 弹性地基板体系理论弹性地基板体系理论 3 水泥混凝土路面可靠度设计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外国混凝土路面设计方法介绍第一节第一节 概述概述1.1 混凝土路面结构设计内容混凝土路面结构设计内容1.2 混凝土路面结构设计原则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混凝土路面结构设计理论与方法1.4混凝土交通等级混凝土交通等级1.1.1路面结构路面结构层层组合设计组

2、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路面结构设计内容路面结构设计内容1.1.2混凝土混凝土面板厚度面板厚度设计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

3、采用有效措施提高接缝的传荷能力。1.1.4 路肩设计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混

4、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

5、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：公路技术等级公路技术等级设计基准期（年）设计基准期（年）公路技术等级公路技术等级 设计基准期（年）设计基准期（年）高速公路30二级公路20一级公路30三、四级公路20（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。单向车道数单向车道数1234车道分

6、配系数1.00.8-1.00.6-0.80.5-0.75ADTT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。公路等级公路等级纵缝边缘处纵缝边缘处高速公路、一级公路、收费站0.17-0.22二级以及以下公路行车道宽7m0.34-0.39行车道宽7m0.54-0.62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。交通等级交通等级特重特重重重中等中等轻轻2000100-20003-1003分级范围见表第二节第二节 弹性地基板体系

7、理论介绍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。2.1 板挠曲面微分方程板挠曲面微分方程第三第三节节 可靠度设计可靠度设计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

8、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：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。安全等级安全等级一级一级二级二级三级三级公路等级高速一级二级目标可靠度959085目标可靠指标1.6451.2821.0363.3 设计参数均值和变异系数范围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

9、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。公路等级公路等级高速高速一级一级二级二级三级三级设计基准期（年） 303020200.03850.03850.04700.07940.3040.2520.1970.2372.混凝土的抗弯拉强度和弹性模量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。交通等级交通等级特重特重重重中等中等轻轻设计弯拉强度（Mpa）5.0

10、5.04.54.030302827变异水平变异水平弯拉强度变异系数弯拉强度变异系数基层顶面回弹模量变异系数基层顶面回弹模量变异系数低0.05-0.100.15-0.25中0.10-0.150.25-0.35高0.15-0.200.35-0.553路面板厚度路面板厚度变异水平变异水平低低中中高高变异系数0.02-0.040.04-0.060.06-0.083.4 路面结构可靠度设计路面结构可靠度设计变异水平变异水平低0.060.02中0.100.05高0.150.09变异水平变异水平低0.100.15中0.150.30高0.220.50第第四四节节 路面结构组合设计路面结构组合设计4.1 面层混

11、凝土板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。面层类型面层类型适用条件适用条件连续配筋混凝土面层高速公路碾压混凝土面层二级以及二级以下公路、服务区停车场钢钎维混凝土面层高程受限的路段、收费站、混凝土加铺层和桥面铺装矩形预制块面层服务区停车场、二级和二级以下公路桥头引道等4.2 基层结构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。基层类型基层类型厚度适宜范围（厚度适宜范围（mm）适宜交通等级适宜交通等级贫混凝土或

12、碾压混凝土基层120-200特重交通水泥稳定粒料基层150-250重交通沥青混凝土基层40-60特重交通沥青稳定碎石基层80-100重交通石灰粉煤灰稳定粒料、级配粒料基层150-200中等或轻交通多孔隙水泥稳定碎石排水基层100-140高速、一级、重交沥青稳定碎石排水基层80-100高速、一级、重交4.3 垫层垫层结构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

13、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。第五节第五节 我国水泥混凝土路面设计方法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。公路技术等级公路技术等级高速公路高速公路一级公路一级公路二级公路二级公路三、四级公路三、四级公路

14、安全等级一级二级三级四级设计基准期（年）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-高变异水平等级变异水平等级低低中中高高混凝土弯拉强度基顶面当量回弹模量水泥混凝土面层厚度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：变异水平等级变异水平等级目标可靠度（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

15、.11交通等级交通等级特重特重重重中等中等轻轻水泥混凝土弯拉强度标准值（Mpa）5.05.04.54.0钢钎维混凝土弯拉强度标准值（Mpa）6.06.05.55.05.2弯拉应力分析及厚度设计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。公路等级公路等级高速公路高速公路一级公路一级公路二级公路二级公路三、四级公路三、四级公路1.301.251.201.10弯拉强度弯拉强度1.01.52.02.53.0抗压强度5.07.711.014.919.3弯拉弹性模量10151821

16、23水泥混凝土弯拉弹性模量经验参考值弯拉强度弯拉强度3.54.04.55.05.5抗压强度24.229.735.841.848.4弯拉弹性模量2527293144新建公路的基层顶面当量回弹模量值：（1）温度应力分析）温度应力分析在临界荷位处的温度疲劳应力按下式计算：公路自然区划公路自然区划II、VIIIIV、VIVII最大温度梯度83-8890-9586-9293-98温度应力系数Bx图（3）混凝土路面厚度设计5.3接缝设计接缝设计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

17、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。面层厚度（面层厚度（mm）传力杆直径传力杆直径传力杆最小长度传力杆最小长度传力杆最大间距传力杆最大间距22028400300240304003002603245030028035450300300385003005.4混凝土路面板厚度设计算例混凝土路面板厚度设计算例公路

18、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

19、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：计算基层顶面当量回弹模量如下：（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温度疲劳应力计算如下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。第第六六节节 国外水泥混凝土路面设计介绍国外水泥混凝土路面设计介绍

20、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Cj6.2 美国波特兰水泥协会（PCA）混凝土路面设计方法5,6PCA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