第十六章-水泥混凝土路面

§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析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P453-458三、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《公路水泥混凝土路面设计规范》JTGD40-2002:

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）＞2000100～20003～100＜3交通分级5.交通等级划分公路等级纵缝边缘处高速公路、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/8～b/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薄板下的地基有两种：文克勒地基（E.Winkler）弹性半空间体地基弹性地基小挠度薄板理论：混凝土路面板常做成等厚式，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。上级上页下页§16-2

弹性地基板体系理论简介P458-460采用此理论时三个基本假设：垂直于中面方向的应变及其微小，可以忽略不计；垂直于中面的法线，在弯曲变形后均保持为直线并垂直于中面，故无横向剪切应变；中面上各点无平行于中面的位移。※板与基础之间始终保持接触，且面剪应力为零。

上级上页下页§16-2

弹性地基板体系理论简介P458-460二、板扰曲面微分方程上级上页下页§16-2

弹性地基板体系理论简介P458-460二、板扰曲面微分方程上级上页下页平衡方程：§16-2

弹性地基板体系理论简介P458-460板应力：上级上页下页变换§16-2

弹性地基板体系理论简介P458-460上级上页下页弯矩与扭矩积分§16-2

弹性地基板体系理论简介P458-460上级上页下页推导得：同理：§16-2

弹性地基板体系理论简介P458-460上级上页下页挠曲面微分方程推导：§16-3

水泥砼路面应力分析P460-471上级上页下页一、文克勒地基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上级上页下页二、弹性半空间体地基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Mt>Mr轮外弯矩：§16-3

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成熟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:§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（JTJ012－94）》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疲劳强度设计法§16-3

水泥砼路面应力分析P460-4711.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P460-4712.临界荷位的确定双轮组作用于纵缝边缘中间（且假定横缝无传载能力）轴载作用于板中（比双轮组作用于板中要大）上级上页下页规范规定：以双轮组作用于纵缝边缘中部为设计荷位。§16-3

水泥砼路面应力分析P460-4713.求解法查诺莫图计算机有限元程序计算上级上页下页§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

水泥砼路面应力分析P460-4712)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§16-3

水泥砼路面应力分析P460-471上级上页下页1.文克勒地基有限尺寸板假设：温度沿板断面呈直线变化；板和地基始终保持接触；不计板自重。沿板长（L）和板宽（B）方向的翘曲应力分别为：在板边缘中点：式中△t为板顶面与板底面的温度差（℃）,通常表示为板的温度梯度乘以板厚，即：§16-3

水泥砼路面应力分析P460-471上级上页下页2.弹性半空间体地基有限尺寸板弹性半空间体地基上板的翘曲应力，目前尚无解析解，可采用有限元法计算板内翘曲应力。根据计算结果，绘出图16-l0中的曲线1和2。三、考虑内应力的温度翘曲应力对于较厚的板，采用温度沿板断面呈直线分布的假设，即按板顶和板底的温度差确定的温度梯度计算的温度翘曲应力，会得到偏大的温度翘曲应力值。为此，应考虑由于温度的非线性分布而引起的内应力。将内应力同翘曲应力相叠加后，使得到考虑内应力的翘曲应力计算式为：板中部：板边缘中点：式中Dx为温度应力系数：若为板中部则Cx取§16-4

水泥砼路面可靠度设计P471-475基本概念：可靠度：路面结构在规定的时间内和规定的条件下完成预定功能的概率。目标可靠度：作为设计依据的可靠度。可靠指标：度量路面结构可靠性的一种数量指标。目标可靠指标：作为设计依据的可靠指标。可靠度系数：为保证所设计的结构具有规定的可靠度，而在极限状态设计表达式中采用的单一综合系数。上级上页下页§16-4

水泥砼路面可靠度设计P471-475上级上页下页水泥混凝土路面设计可靠度指标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（a）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§16-4

水泥砼路面可靠度设计P471-475上级上页下页变异水平等级低中高水泥混凝土弯拉强度、弯拉弹性模量cv≤0.100.10＜cv≤0.150.15＜cv≤0.20基层顶面当量回弹模量cv≤0.250.25＜cv≤0.350.35＜cv≤0.55水泥混凝土面层厚度cv≤0.040.04＜cv≤0.060.06＜cv≤0.08变异系数变换范围§16-4

水泥砼路面可靠度设计P471-475上级上页下页可靠度系数范围变异水平等级目标可靠度（％）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—1.23～1.331.13～1.181.07～1.11§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）≥260≥250≥240270～240260～230250～220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0.70～1.100.50～0.90特殊路段0.80～1.200.60～1.00§16-5

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。※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120～200水泥或石灰粉煤灰稳定粒料基层150～250沥青混凝土基层40～60沥青稳定碎石基层80～100级配粒料基层150～200多孔隙水泥稳定碎石排水基层100～140沥青稳定碎石排水基层80～100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、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§16-6

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。轴载换算公式：单轴时：αi=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⑴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）＞2000100～20003～100＜3⑵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设计车道的标准轴载累计作用次数Ne

⑶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。⑴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⑵原有路面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。⑶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=0.354.水泥混凝土的设计强度与弯拉弹性模量⑴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⑵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法P478-497

上级上页下页2.荷载应力计算半无限地基上矩形板在板边缘中部受轴载作用下的应力采用有限元法分析。利用计算结果编绘成应力计算图（图16-13