第十六章水泥混凝土路面设计

第十六章水泥混凝土路面设计第一页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计水泥混凝土路面的破坏类型主要有：断裂、唧泥、错台、拱起、接缝挤碎等。影响使用性能的因素是多方面的，混凝土路面结构设计应以防止面层断裂为主要设计标准。二、混凝土路面结构设计内容1、路面结构层组合设计——应根据路的交通繁重程度，结合当地环境条件和材料供应情况来进行。选择安排混凝土路面的结构层次，包括土基、垫层、基层和面层的结构层位，各层的结构类型、弹性模量和厚度。2、混凝土面板厚度设计——应按照设计标准的要求，确定满足设计年限内使用要求所需的混凝土面层的厚度。第二页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计3、混凝土面板的平面尺寸与接缝设计4、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与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为整体。5、混凝土路面的钢筋配筋率设计——当混凝土面板较长或交通量较大时，发基有不均匀沉降或板的形状不规则时，可沿板的纵向加设钢筋，在角隅处加设角隅钢筋或钢筋网，以阻止可能出现的裂缝。三、混凝土路面结构设计原则1、根据使用要求及气候、水文、土质等自然因素，密切结合本地区的实践经验，应保证工程的质量与耐久性。第三页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计2、在满足交通与使用要求的前提下，应遵循因地制宜、合理选材、方便施工、利于养护、节约投资的原则进行混凝土路面设计方案的比较，选择技术先进、经济合理、安全可靠的方案。3、积极推广成熟的科研成果、积极慎重地运用行之有效的新材料、新工艺、新技术，以达到确保工程质量与耐久性的目的。4、路面设计方案应充分考虑沿线环境的保护，自然生态平衡，有利于施工、养护工作人员的健康安全。5、为确保工程质量，应尽可能选择有利于机械化、工厂化施工的设计方案。6、对于地处不良地基的路段，应采取有效措施加快稳定第四页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计路基沉降，路基沉降速率达不到限定要求时，决不能仓促施工提前铺筑路面板。四、混凝土路面结构设计理论与方法把水泥混凝土路面板看作是支撑弹性地基上的小挠度弹性板，用弹性地基板理论进行分析计算。对地基采用不同的力学模型：1、温克勒地基模型——地基如同由许多竖向紧密排列而互不关联的线性弹簧所组成，地基顶面任一点的挠度仅同作用于该点的压力成正比，而与其他点上的压力无关。2、弹性固体地基模型——地基看作是均质的半无限连续介质。地基顶面上任一点的挠度不仅同作用于该点的压力有关，也同顶面其他点的压力有关。3、巴斯特纳克地基模型——假设文克勒地基的弹簧单元之间存在一定程度的剪切阻尼作用，类似于弹簧顶部与第五页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计由不可压缩的梁或板单元组成的剪切层相联结，层内各单元间由于横向剪切而变形。弹性地基板在承受局部荷载作用时的挠度和应力分析，可以采用数值法或解析法（主要是有限元法）。五、混凝土路面交通等级1、混凝土路面设计基准期是计算路面结构可靠度时，考虑各项基本度量与时间关系所取用的基准时间，也可理解为保证路面结构达到规定可靠度指标的有效期间。通常参照表16-1选定。2、标准轴载及轴载当量换算不同轴－轮型和轴载的作用次数，应根据（16-1）换算第六页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计成标准轴载的作用次数。3、交通调查与轴载分析通过分析调查交通量资料，提出设计车道的年平均日货车交通量ADTT以及设计基准期内的交通量年平均增长率。设计车道在设计基准期初期的标准轴载日作用次数按式（16-3）计算。4、标准轴载累计当量作用次数通过式（16-4）确定；5、混凝土路面交通等级划分按设计基准期内设计车道临界荷位承受的标准轴载当量累计作用次数分为4级，见表16-4。第七页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计第二节弹性地基板体系理论简介一、小挠度弹性薄板的基本假设研究弹性小挠度薄板在垂直于中面的荷载作用下的弯曲时,通常采用下述三项基本假设：A、垂直于中面方向的应变极其微小，可以忽略不计；B、垂直于中面的法线，在弯曲变形前后均保持为直线并垂直于中面，因而无横向剪切应变；C、中面上各点无平行于中面的位移。对于弹性地基薄板，板与地基的联系又采用如下假设：1、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；2、在板与地基的接触面之间没有摩阻力，即接触面上的第八页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计剪应力视为零。二、挠曲面微分方程按弹性力学知识，见式（16-8）～（16-10）第九页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计第三节水泥混凝土路面应力分析一、温克勒地基板的荷载应力分析威斯特卡德采用文克勒地基模型，分析了三种车轮荷载位置下板的挠度和弯矩：1、轮载作用于无限大板中央，分布于半径为R的圆面积内，荷载中心处板底最大弯拉应力——计算公式（16-11）2、荷载作用于板边缘中部，荷位下板底的最大弯拉应力——计算公式（16-12）3、荷载作用于板角隅，最大拉应力产生在板的表面离荷载圆中心为X1的分角线上——计算公式（16-13）第十页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计二、弹性半空间地基板的荷载应力分析是以弹性模量和泊松比表征的弹性地基。它假设地基为一各向同性的弹性半无限体。按上述方法所算得的弯矩，只是板中部受荷时所产生的弯矩。弹性半无限地基的荷载应力计算理论对于苛载作用于板边、板角隅处，以及有限尺寸的矩形板，在不同组合的轮载作用于板上任何位置时，均无法解决。三、弹性半空间地基双层板混凝土路面荷载应力分析可分为两类：1、上下层完全分离，接触面假定为完全光滑；2、上下层密切结合，接触面假定为完全连续；第十一页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计1、弹性地基上分离式双层板计算公式（16-27），可见弹性地基分离式双层板的两层板间的弯矩分配与两层板的刚度分配有关。2、弹性地基上结合式双层板其求解比分离式的复杂，由于上下层完全紧密结合，如同单层板一样工作时，两层板只有一个中面，该中面的位置可根据作用于两板横断面上内力之和为零的条件求得。上下层弯拉应力计算公式见（16-32）四、水泥混凝土路面温度应力分析1、胀缩应力当气温缓慢变化时,板内温度均匀升降，则面板沿断面的深度均匀胀缩，任一点的应变为式（16-33），则由边界条件，应力为式（16-34）；板被划分为有限尺寸的板块，板因变形受阻而产生的板内最大应力出现于板长的中央，其值按公式（16-36）计算；第十二页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计2、翘曲应力由于板的自重、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。为分析该应力，作如下假设：温度沿板断面呈直线变化、板和地基始终保持接触，不计板重，从而导出了板仅受地基约束时的翘曲应力计算公式。计算公式见（16-37）、（16-38）为方便计算，工程中采用有限元计算。第十三页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计第四节水泥混凝土路面可靠度设计一、路面可靠度的定义和极限状态函数路面可靠度广义定义：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的结构设计方法是以混凝土路面板在车辆荷载应力和温度应力综合作用下，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。路面可靠度定义：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，路面板纵缝中部不出现疲劳开第十四页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计裂的概率。路面极限状态的函数为式（16-40）。在保持控制失效模式的实质不变的前提下，也可采用路面结构疲劳寿命大于等于累计当量标准轴载作用次数作为路面结构极限状态函数。路面结构的可靠度可表示为（16-43）二、路面结构的目标可靠度是在满足高等级公路行驶安全和舒适性要求的前提下，考虑道路初期费用，养护费用与用户费用对目标可靠度的影响后综合确定的，通常采用校准法来确定目标可靠度。所谓校准法是对按现行规范设计方法所设计的路面进行路面隐含可靠度的分析，以这些隐含可靠度作为目标可靠度，则所设计的路面结构具有与原确定型设计方法相同的可靠度水平。第十五页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计三、设计参数均值的取值和变异系数范围设计参数有：设计年限内累计轴载作用次数，混凝土的抗弯拉强度和弹性模量以及路面板厚度等。1、设计年限内累计当量标准轴载作用次数由使用初期当量轴次、年增长率和横向分布系数三个随机变量决定。2、混凝土的抗弯拉强度和弹性模量见表16-11、16-123、路面板厚度路面板厚度的变异系数见表16-134、基层和土基抗压回弹模量以及基层顶面综合回弹模量见表16-14、16-12第十六页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计四、路面结构可靠度的计算由公式（16-44）可知，只要知道了轴载作用次数和疲劳寿命的分布函数，就可得到路面结构的可靠值。1、路面疲劳寿命的分布根据试验结果，混凝土弯曲疲劳寿命服从两参数的威布尔分布。分布函数见（16-45）。按现行混凝土路面设计规范的结构设计方法，路面疲劳寿命为混凝土抗折强度和荷载应力及疲劳温度应力的函数，关系式为（16-46）。2、累计当量标准轴载作用次数的分布以采用对数正态分布假定为宜，其分布密度函数为（16-47）第十七页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计五、路面结构的可靠性设计为能考虑各设计参数变异性影响，可以通过引入一个可靠度系数，将可靠度概念应用到考虑荷载应力和温度应力综合疲劳作用的路面结构设计方法中，它不改变原设计方法的步骤。路面结构可靠度系数定义为疲劳方程求得的最大允许应力与实际最大应力之比。第十八页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计第五节水泥混凝土路面结构组合设计一、面层混凝土板面层应具有足够的强度、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、不配筋的普通混凝土路面板。混凝土面板层的厚度取决于公路和交通等级，可参照表16-17。二、混凝土路面基层结构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表16-19。三、混凝土路面垫层结构一般为应对路基的特殊需求而设置，分为防冻垫层、排水垫层与加固垫层三类。第十九页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计四、混凝土路面的路基结构应满足稳定、密度、均质、耐久的要求。对路基土质的要求很严，一般高液限粘土及含有机质细粒土均不能用于高速公路和一级公路的路床填料，也不能用于二级和二级以下公路的上路床填料。第二十页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计第六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采用单轴双轮组100KN标准轴载作用下的弹性半空间地基有限大矩形薄板理论有限元解为理论基础，以路面板纵缝边缘荷载与温度综合疲劳弯拉应力为设计指标进行路面板厚度设计。一、目标可靠度与疲劳极限状态方程式见表16-20规定。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。极限状态方程为（16-48）。二、弯拉应力分析及厚度设计第二十一页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计1、荷载应力分析标准轴载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力按式（16-49）计算；2、温度应力分析在临界荷位处的温度疲劳应力按式（16-55）计算确定。3、混凝土路面板厚度设计考虑荷载应力和温度翘曲应力综合疲劳损坏作用的混凝土面层厚度和板平面尺寸确定方法，可遵循如下设计步骤：A、收集并分析交通参数；B、初拟路面结构；C、确定材料参数；D、计算荷载疲劳应力和温度应力；E、检验初拟路面结构；第二十二页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计三、接缝设计1、纵向接缝纵缝一般分为假缝和施工缝。纵缝间距一般为3~4.5m设置，当一次铺筑宽度大于4.5米时，应增设纵向缩缝，纵向缩缝采用假缝形式，应设置拉杆，拉杆采用螺纹钢筋，设在板厚中央。2、横向接缝有三种：缩缝、胀缝、施工缝。缩缝保证板因温度和湿度的降低而产生收缩时沿该薄弱断面缩裂，从而避免产生不规划裂缝；胀缝保证板在温度升高时能部分伸张，从而避免产生路面板在热天的拱胀；施工缝应尽量做到胀缝处，如不可能，也应做到缩缝处。第二十三页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计A、胀缝常采用平缝形式，也叫真缝。缝隙宽约20mm，缝隙上部30~40mm深度内浇灌填缝料，下部设置富有弹性的嵌缝板，由油浸或沥青浸制的软木板制成。应在胀缝板厚中央设置滑动传力杆，采用光圆钢筋。胀缝应尽量少设或不设，但在邻近桥梁或其他固定构筑物处、与柔性路面相接处、板厚改变处、隧道口、小半径平曲线和凹形竖曲线纵坡变换处，均应设置胀缝。B、缩缝一般采用假缝形式，即只在上部设缝隙，宽为3~8mm，深度为板厚的1/5~1/4，一般为5~6cm，一般不必设传力杆，但在邻近自由端部的3条缩缝内，宜加设传力杆。缩缝间距一般为4~6米。第二十四页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计C、横向施工缝也叫工作缝，采用平缝的构造形式，缝宽3~8mm，在深度1/5~1/4板厚的范围内浇灌填缝料。胀缝处的施工缝，构造同胀缝，缩缝处的施工缝采用平缝加传力杆型。四、混凝土面板配筋设计1、钢筋混凝土面板配筋设计其钢筋配筋量按式（16-58）计算确定。2、连续配筋混凝土路面板配筋设计（1）横向裂缝平均间距计算按式（16-59）计算。第二十五页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计（2）裂缝间隙宽度计算按式（16-60）计算。（3）钢筋应力计算按式（16-61）确定；（4）纵向配筋率确定计算步骤见P488五、加铺层结构设计分三阶段：旧路调查评定、改建方案确定、加铺层设计。设计过程如下所述：第二十六页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计1、调查现有混凝土面层的结构损坏状况，选择加铺层形式，初估加铺层厚度，并确定结构损坏的处理措施；2、钻取芯样，测定旧混凝土路面的厚度和混凝土的劈裂强度，求得混凝土弯拉强度和弯拉弹性模量；3、在旧面层上进行弯沉测定，反算得到旧路面顶面的当量回弹模量值；4、按前述双层式混凝土路面设计方法计算分离式或结合式加铺层在标准轴载作用于板纵向边缘中部时的荷载应力；在考虑荷载疲劳应力系数、接缝应力折减系数和综合系数后，得到各层相应的荷载疲劳应力；以及最大温度翘曲应力，在考虑温度疲劳应力系数后，得到相应层的温度疲劳应力；5、分层叠加荷载疲劳应力和温度疲劳应力，得综合第二十七页，共31页。第十六章水泥混凝土路面设计疲劳应力，检验加铺层的设计厚度：分离式加铺层的加铺层以及旧面层的综合应力，结合式加铺层的旧面层的综合应力应