B05第十六章 水泥混凝土路面设计B

1、第十六章 水泥混凝土路面设计 16-1 概述16-2 弹性地基板体系理论简介16-3 水泥砼路面应力分析16-4 水泥砼路面可靠度设计16-5 水泥砼路面结构组合设计16-6 国内水泥砼路面设计方法16-7 国外水泥砼路面设计方法（自学）上页 下页16-1 概述P453-458 一、结构特征面板具有弹性板的变形特性面板有板体弯折破坏的破坏特征 下部结构基本上工作在弹性范围 面板与基层之间的摩擦力小 上级 上页 下页16-1 概述P453-458 二、结构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混凝土路面的钢筋配筋设计上级 上页 下页16-1 概述P45

2、3-458 三、结构设计原则根据使用要求及气候、水文、土质等自然因素，密切结合本地区实践经验；遵循因地制宜、合理选材、方便施工、利于养护、节约投资；积极推广成熟的科研成果；注意环境保护；尽可能机械化、工程化；处理好地基不良地段。上级 上页 下页16-1 概述P453-458 四、设计理论与方法世界各国： 以弹性地基板的荷载应力、温度应力分析方法为基本理论，以混凝土路面板的弯拉应力作为极限状态和设计控制指标。上级 上页 下页16-1 概述P453-458 中国：公路水泥混凝土路面设计规范JTG D40-2002: 以弹性半空间地基有限大矩形板模型为基础，以100KN单轴双轮标准轴载作用于矩形板纵

3、向边缘中部产生的最大荷载应力控制设计。上级 上页 下页16-1 概述P453-458 五、混凝土路面交通等级1.设计基准期上级 上页 下页公路技术等级高速公路一级公路二级公路三、四级公路设计基准期（a）303020202.轴载当量换算16-1 概述P453-458 上级 上页 下页3.轴载分析交通量车道分布系数单向车道数1234及4车道分布系数1.00.8-1.00.6-0.80.5-0.754.标准轴载累计当量作用次数16-1 概述P453-458 上级 上页 下页交通等级特重重中等轻设计车道标准轴载累计作用次数Ne（104）2000100200031003交通分级5.交通等级划分公路等级纵

4、缝边缘处高速公路、一级公路0.17-0.22二级、二级以下公路行车道宽7m0.34-0.39行车道宽7m0.54-0.62临界荷位车辆轮迹横向分布系数16-2 弹性地基板体系理论简介P458-460 一、基本概念： 在弹性力学里，两个平行面和垂直于这两个平行面所围成的柱面或棱柱面简称板；两个板面之间的距离h称厚度；平分厚度h的平面称为板的中面。如果板的厚度h远小于中面的最小边尺寸b（如b/8b/5），这种板称薄板。在薄板弯曲时，中面所形成的称为薄板弹性曲面，而中面内各点在横向的位移称为挠度。上级 上页 下页16-2 弹性地基板体系理论简介P458-460 弹性地基小挠度薄板理论： 混凝土路面板

5、常做成等厚式，其厚度不到平面尺寸的1/10，在轮载作用下的竖向位移(称作挠度)又比厚度小两个数量级，可把混凝土板看作是均质、各向同性、无重量、等厚的小挠度弹性薄板。薄板下的地基有两种：文克勒地基（）弹性半空间体地基 上级 上页 下页16-3 水泥砼路面应力分析P460-471 一、文克勒地基上级 上页 下页假设地基上任一点的反力仅同该点的挠度成正比以反应模量K表征的地基 16-3 水泥砼路面应力分析P460-471 二、弹性半空间体地基上级 上页 下页挠度计算公式以弹性模量和泊松比表征的地基 16-3 水泥砼路面应力分析P460-471 当荷载作用于板中时:上级 上页 下页求解方法：应用弹性地

6、基上无限大板轴对称课题的理论解进行计算。轮下弯矩：16-3 水泥砼路面应力分析P460-471 当荷载距计算点一定距离时:上级 上页 下页求解方法：视为集中荷载求解轮外弯矩：A、B为系数 P46316-3 水泥砼路面应力分析P460-471 上级 上页 下页对称多轮载:求解方法：以一组轮子为主轮，按圆形均布荷载计算板中最大弯矩；其它轮子按集中荷载计算其在主轮轮迹中心下产生的附加弯矩和切向弯矩，然后转换为x和y向弯矩后叠加。16-3 水泥砼路面应力分析P460-471 上级 上页 下页叠加多轮载:例题：已知四轮同时作用于水泥混凝土路面板中,如假设各轮对路面的作用为圆域内的均布荷载,可算得各轮在A

7、点产生的径向弯矩分别为Mra、Mrb、Mrc、Mrd,周向弯矩分别为Moa、Mob、Moc、Mod,试求四轮联合作用下A点下部板底的弯拉应力x、y。 16-3 水泥砼路面应力分析P460-471 三、弹性地基板的有限元解上级 上页 下页对于弹性半空间体地基上有限尺寸矩形板的板中、板边和板角作用车轮荷载时，求解相应位置的挠度和弯矩在数学上遇到很大困难。而有限元方法是结构和连续介质应力分析中的一种较有效的计算方法。现行公路水泥混凝土路面设计规范（JTJ01294）用有限元法分析了荷载作用下板的极限应力值，由此给出了应力计算诺漠图。 以弹性半空间地基上度剪板理论为力学模型，用有限元方法计算载荷应力和

8、疲劳强度设计法 16-3 水泥砼路面应力分析P460-471 特点：可分析不规则板(发交叉口的梯形板、三角板、缺口板)可计算有限尺寸的板（使得板边、板角的分析成为可能）可考虑各种实际的边界约束和支承状况（如传力捍、脱空等，非均匀支承）可分析各种荷位和载荷组合（找到最荷位及荷载组合）上级 上页 下页16-3 水泥砼路面应力分析P460-471 四、温度应力1.胀缩应力1) 膨胀：当气温缓慢变化时，板内温度均匀升降，则面板沿断面的深度均匀胀缩。由于板与基层之间的摩阻约束，在温度升降时板中部不能移动，得面板胀缩完全受阻时所产生的应力为：上级 上页 下页对于板边缘中部或窄长板 ：16-3 水泥砼路面应

9、力分析P460-471 2) 收缩：板划分为有限尺寸块后，因收缩而产生的应力很小，可不予考虑。2.翘曲应力产生原因：由于板的自重、地基反力和相邻板的钳制作用，使部分翘曲变形受阻，从而使板内产生翘曲应力。由气温升高引起的板中部隆起受到限制时，板底面出现拉应力；而当气温降低引起的板四周翘起受阻时，板顶面出现拉应力。上级 上页 下页16-3 水泥砼路面应力分析P460-471 上级 上页 下页16-5 水泥砼路面结构组合设计P475-478 组合设计内容：面层基层垫层路基接缝设计混凝土面板配筋设计上级 上页 下页16-5 水泥砼路面结构组合设计P475-478 一、面层应具有足够的强度、耐久性，表面

10、抗滑、耐磨、平整。选择方法： 面层一般采用设接缝的普通混凝土；面层板的平面尺寸较大或形状不规则，路面结构下埋有地下设施，高填方、软土地基、填挖交界段的路等有可能产生不均匀沉降时，应采用设置接缝的钢筋混凝土面层。 上级 上页 下页16-5 水泥砼路面结构组合设计P475-478 上级 上页 下页面层类型适用条件连续配筋混凝土面层高速公路沥青上面层与连续配筋混凝土或横缝设传力杆的普通混凝土下面层组成的复合式路面特重交通的高速公路碾压混凝土面层二级及二级以下公路、服务区停车场钢纤维混凝土面层标高受限制路段、收费站、混凝土加铺层和桥面铺装矩形或异形混凝土预制块面层服务区停车场、二级及二级以下公路桥头引

11、道沉降未稳定段其它面层类型选择16-5 水泥砼路面结构组合设计P475-478 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）260250240270240260230250220上级 上页 下页面层厚度参考范围16-5 水泥砼路面结构组合设计P475-478 上级 上页 下页面层构造深度要求/mm公路等级高速公路、一级公路二、三、四级公路一般路段0.701.100.500.90特殊路段0.801.200.601.0016-5 水泥砼路面结构组合设计P475-478 二、基层 基层应具有足够的抗冲刷能力和一定的刚度。 基层类型宜依照交通等级按表选用。

12、混凝土预制块面层应采用水泥稳定粒料基层 上级 上页 下页交通等级基层类型特重交通贫混凝土、碾压混凝土或沥青混凝土基层重交通水泥稳定粒料或沥青稳定碎石基层中等或轻交通水泥稳定粒料、石灰粉煤灰稳定粒料或级配粒料基层16-5 水泥砼路面结构组合设计P475-478 上级 上页 下页基层类型厚度适宜的范围（mm）贫混凝土或碾压混凝土基层120200水泥或石灰粉煤灰稳定粒料基层150250沥青混凝土基层4060沥青稳定碎石基层80100级配粒料基层150200多孔隙水泥稳定碎石排水基层100140沥青稳定碎石排水基层80100各类基层厚度的适宜范围 16-5 水泥砼路面结构组合设计P475-478 三、

13、垫层 遇有下述情况时，需在层基下设置垫层：季节性冰冻地区，路面总厚度小于最小防冻厚度要求时，其差值应以垫层厚度补足；水文地质条件不良的土质路堑，路床土湿度较大时，宜设置排水垫层；路基可能产生不均匀沉降或不均匀变形时，可加设半刚性垫层。上级 上页 下页16-5 水泥砼路面结构组合设计P475-478 注意事项：垫层的宽应与路基同宽，其最小厚度为150mm。防冻垫层和排水垫层宜采用砂、砂砾等颗粒材料。半刚性垫层可采用低剂量无机结合料稳定粒料或土。上级 上页 下页16-5 水泥砼路面结构组合设计P475-478 四、路基 路基应稳定、密实、均质，对路面结构提供均匀的支承。 注意事项：高液限粘土及含有

14、机质细粒土，不能用做高速公路和一级公路的路床填料或二级 和二级以下公路和上路床填料；上级 上页 下页16-5 水泥砼路面结构组合设计P475-478 高液限粉土及塑性指数大于16或膨胀率大于3的低液限粘土，不能用做高速公路和一级公路的上路床填料。因条件限制而必须采用上述土做填料时，应掺加石灰或水泥等结合料改善。地下水位高时，宜提高路堤设计标高。 路基压实度应符合公路路基设计规范的要求。岩石或填石路床顶面应铺设整平层。 上级 上页 下页16-5 水泥砼路面结构组合设计P475-478 五、接缝纵向接缝 纵向接缝的布设应路面宽度和施工铺筑宽度而定 ；纵缝应与路线中缝平行 ；拉杆应采用螺纹钢筋，设在

15、板后中央，并应对拉杆中部100mm范围内进行防锈处理。连续配筋混凝土面层的纵缝拉杆可由板内横向钢筋延伸穿过接缝代替 上级 上页 下页16-5 水泥砼路面结构组合设计P475-478 面层厚度（mm）到自由边或未设拉杆纵缝的距离（m）3.003.503.754.506.007.520025014*700*90014*700*80014*700*70014*700*60014*700*50014*700*40026030016*800*90016*800*80016*800*70016*800*60016*800*50016*800*400纵缝拉杆直径、长度和间距（mm） 上级 上页 下页16-5

16、 水泥砼路面结构组合设计P475-478 五、接缝横向接缝 设在缩缝处的施工缝，应采用传力杆的平缝形式 ；设在胀缝处的施工缝,其构造与胀缝相同.遇有困难需设在缩缝之间时 ；横向缩缝可等间距或变间距布置，采用假缝形式 ；横向缩缝顶部应锯切槽口，深度为面层厚度的1/51/4 ；上级 上页 下页16-5 水泥砼路面结构组合设计P475-478 在邻近桥梁或其他固定构造物处或其他道路相交处应设置横向胀缝；传力杆应采用光面钢筋，其尺寸和间距可按表选用。 面层厚度（mm）传力杆直径传力杆最小长度传力杆最大间距2202840030024030400300260324503002803545030030038

17、500300上级 上页 下页16-5 水泥砼路面结构组合设计P475-478 六、混凝土面板配筋设计特殊部位配筋混凝土面层自由边缘下基础薄弱或接缝为未设传力杆的平缝时，可在面层边缘的下部配置钢筋；承受特重交通的胀缝、施工缝和自由边的面层角隅及锐角面层角隅，宜配置角隅钢筋；混凝土面层下有箱形构造物横向穿越 ，混凝土面层内应布设双层钢筋网；有圆形管状构造物横向穿越， 内应布设单层钢筋网。 上级 上页 下页16-5 水泥砼路面结构组合设计P475-478 六、混凝土面板配筋设计钢筋混凝土面层配筋 配筋量 ：纵向和横向钢筋宜采用相同或相近的直径，其直径差不应大于4mm。钢筋的最小直径和最大间距，应符合

18、表16-32的规定。钢筋的最小间距为集料最大粒径的2 倍。 上级 上页 下页16-5 水泥砼路面结构组合设计P475-478 上级 上页 下页纵向和横向钢筋宜采用相同或相近的直径，其直径差不应大于4mm。钢筋的最小直径和最大间距，应符合表16-32的规定。钢筋的最小间距为集料最大粒径的2 倍。 钢 筋 类 型最 小 直 径纵向最大间距横向最大间距光面钢筋8150300螺纹钢筋1235075016-5 水泥砼路面结构组合设计P475-478 钢筋布置应符合下列要求： 纵向钢筋设在面层顶面下1/31/2厚度范围内，横向钢筋位于纵向钢筋之下； 纵向钢筋的搭接长度一般不小于35倍钢筋直径，搭接位置应错

19、开，各搭接端接线与纵向钢筋的夹角应小于60；边缘钢筋至纵缝或自由边的距离一般为100150mm。 上级 上页 下页16-5 水泥砼路面结构组合设计P475-478 六、混凝土面板配筋设计连续配筋混凝土面层配筋 纵向配筋率按允许的裂缝间距（）、缝隙宽度 (1mm)和钢筋屈服强度确定，通常为0.6%0.8%。最小纵向配筋率，冰冻地区为0.7%，一般地区为0.6%。纵向和横向钢筋均应采用螺纹钢筋，其直径为1220mm 上级 上页 下页16-5 水泥砼路面结构组合设计P475-478 钢筋布置应符合下列要求 ：纵向钢筋设在面层表面下1/21/3厚度范围内，横向钢筋位于纵向钢筋之下；纵向钢筋的间距不大于

20、250mm，不小于100mm或集料最大粒径的倍； 横向钢筋的间距不大于800mm； 纵向钢筋的焊接长度一般不小于10倍（单面焊）或5倍（双面焊）钢筋直径，焊接位置应错开，各焊接端连线与纵向钢筋的夹角应小于60；边缘钢筋至纵缝或自由边的距离一般为100150mm。 上级 上页 下页16-6 国内水泥砼路面设计方法P478-497 上级 上页 下页一、设计参数1. 标准轴载与轴载换算 设计标准轴载：汽车车轴重为100kN的单轴荷载。轴载换算原则：等效疲劳损伤原则。换算方法：凡是前、后轴载大于40kN的轴载的作用次数，均换算成标准轴载的作用次数，并根据标准轴载的作用次数判断道路的交通繁重程度。轴载换

21、算公式： 单轴时：i=l；双轴时： 小于40kN的单轴和80kN双轴可略去不计。 16-6 国内水泥砼路面设计方法P478-497 上级 上页 下页2. 交通分级、设计使用年限和累计作用次数 交通分级 水泥混凝土路面按使用初期设计车道每日通过的标准轴载作用次数Ns划分为四个等级：特重交通、重交通、中等交通、轻交通。 交通等级特重重中等轻设计车道标准轴载累计作用次数Ne（104）2000100200031003 设计使用年限 路面设计使用年限：路面达到预定损坏标准时所能使用的年限。 可根据交通等级确定。16-6 国内水泥砼路面设计方法P478-497 上级 上页 下页按下式计算确定设计使用年限内

22、设计车道的标准轴载累计作用次数Ne 标准轴载累计作用次数 3. 基层顶面的当量回弹模量和计算回弹模量 换算目的：混凝土面层板下的基础包括路基、基层（垫层），其整体路面结构为弹性多层体系。分析板内荷载应力时，应将其换算为半无限体，以基层顶面的当量回弹模量作为半无限地基的模量值。 新建公路的基层顶面模量值 查图方法：由E1/E0的比值，作竖线垂直向上交于h1后，据此作水平线得到Et/E0的比值，即得到当量回弹模量Et1。上述方法得到垫层顶面的当量回弹模量后，把它当作匀质体，再重复上述步骤确定基层顶面的当量回弹模量值Et。 16-6 国内水泥砼路面设计方法P478-497 上级 上页 下页 原有路面

23、的顶面当量回弹模量值 应通过承载板试验或弯沉测定法确定原有路面顶面的当量回弹模量Et。如用汽车实测路段的回弹弯沉值，可按沥青路面旧路补强法中的计算方法确定计算回弹弯沉值l0后，按下式转换成基层顶面的当量回弹模量Et： 我国规范规定：水泥混凝土路面的基层顶面的当量回弹模量Et值不应低于规范规定值。 计算回弹模量Etc 修正原因：由于进行荷载应力分析时，水泥混凝土路面板下基层应力状况与沥青路面的应力状况的区别。16-6 国内水泥砼路面设计方法P478-497 上级 上页 下页修正公式： 式中：n为模量修正系数。 计算荷载应力时： 计算温度应力时：n = 0.35 4. 水泥混凝土的设计强度与弯拉弹

24、性模量 设计弯拉强度 水泥混凝土路面以设计弯拉强度作为设计控制指标。其设计弯拉强度fcm按下式计算： 混凝土路面施工时，应按水泥混凝土路面施工及验收规范（GBJ97-87）提出按下式确定混凝土的试配强度R： 16-6 国内水泥砼路面设计方法P478-497 上级 上页 下页 弯拉弹性模量 在设计混凝土路面时，采用的混凝土弯拉弹性模量应以试验实测为准。如无实测条件，可参照表16-8选用各级交通等级要求的混凝土设计弯拉强度和弹性模量，或按下式计算： 二、荷载疲劳应力 轴载在混凝土面层内产生的应力，采用半无限大地基上弹性小挠度薄板的力学模型和有限元法进行分析计算。 1. 临界荷位：是指使路面产生最大综合疲劳损伤的荷载作用位置。16-6 国内水泥砼路面设计方