水泥混凝土路面结构设计说明书

水泥混凝土路面结构设计目

录·

1

概

述·

2

弹

性

地

基

板

体

系

理

论·

3

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·

5

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

绍第

一

节

概

述1

.

1

混

凝

土

路

面

结

构

设

计

内

容1

.

2

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1

.

4

混

凝

土

交

通

等

级1

.

1路面结构设计内容1

.

1

.

1路面结构层组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

.

2混凝土面板厚度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，

并采用有效措施提高接缝的传荷能力。1

.

1

.

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·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·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

级设

计

基

准

期

(

年

)公

路

技

术

等

级设

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式中：Ns—100KN的单轴-双轮组标准轴载的通行次数；Pi一各类轴-轮型i级轴载的重量(KN);n—轴型和轴载级维数；N;一各类轴-轮型i形轴载的通行次数；

δi—轴-轮型系数。(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。(3)交通调查与轴载分析通过当地的交通量观测站历年统计资料进行交通调

查，用于分析并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gt公路通行车辆在横断面的分布是不均匀的，根据统

计规律，车道数不同，分布概率不同，将分布概率集中的

车道作为设计车道。因此上述调查获得的双向年平均日货

车交通量，还应当乘以方向系数(0.5)和车道分布系数(下表)才能获得设计车道在设计基准期初期的年平均货

车

日交

通

量ADTT

(单

向)

。单

向

车

道

数123>=4车

道

分

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

。由轴载谱和轴载当量换算系数Kp,j,按下式计算

得到设计车道在设计基准期初期的标准轴载日作用次数Ns。(4)标准轴载累计当量作用次数设计基准期内混凝土面板临界荷位出所承受的标准轴

载累计当量作用次数Ne

可以通过下式计算确定，η为横向分

布系数公路等级纵

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

>

7

m0.34-0.39行

车

道

宽

<

7

m0.54-0.62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

。分

级

范

围

见

表交通等级特重重中等轻Ne(×104)>2000100-20003-100<3第

二

节

弹

性

地

基

板

体

系

理论介绍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

小

挠

度

弹

性

薄

板

的

基

本

假

设1.板的厚度h远小于中面的最小尺寸b(b/8-b/5)称为薄板；

2.垂直于中面方向的应变εz极其微小可以忽略不计；3.垂直于中面发现，在弯曲变形后均保持为直线并垂直于中

面

；4.中面上各点无平行于中面的位移；5.变形过程中，板与地基接触面始终吻合；6.板与地基的俩接触面没有摩擦，即接触面剪应力为0.M₄dy(M+

dx)d

Mxydy

(M₁+=ar)(Q,+号

dy)dx

nY>apas(ns+

ayax图1

6

-1

弹性

地

基

板

微

分

单

元

受

力

分

析gdxdy2

.1

板

挠曲

面

微

分

方

程Q,dxdxPdxdy司/Q,dy(Q+dx)dyM₂dxMsdx依据单元平衡条件(Zz=0,EMy=0,2Mx=0)可导出当板表面作用横向荷载p,地基对板底面作用竖

向反力q时，板中心挠曲面的微分方程以及截面上的弯

矩和

扭

矩

方

程

：微分方程：D

V²

▽2W=p-q弯矩和扭矩方程第

三

节

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

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：op+0t≤0rf=σs(A-BlgN)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：R=p(op+σt≤Orr)安全等级一级二级三级公

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

.

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。3

.

3设计参数均值和变异系数范围限内

量以及路

面

板

厚

度

等

。1.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，他的变异系数见下模年性计弹设和：度数强参拉关弯相抗的的计土设凝度混靠的累积轴载作用次数水泥混凝土路面结构公路等级高速一级二级三级设计基

准

期

(

年

)30302020标

准

差σ

ve0.03850.03850.04700.0794变

异

系

数

C

v

N

e0.3040.2520.1970.237表

。交通等级特重重中等轻设计弯拉强度(Mpa)5.05.04.54.0弯拉弹性模量(*10³Mpa)30302827变异水平弯拉强度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0.15-0.200.35-0.552.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。变异水平低中高变异系数0.02-0.040.04-0.060.06-0.083

路

面

板

厚

度3

.

4

路

面

结

构

可

靠

度

设

计路面结构可靠度系数γγ定义：疲劳方程求得的最大

允许应力[op+σt]

与实际最大应力[op+σt]之比。它的倒

数1/γγ就是混凝土极限抗折强度的折减系数。计算表面R一定，γr的大小取决于个参数的变异水

平，下图给出各参数的变异系数按变异水平低、中、高三

级情况的R-γγ曲线变异水平Cv(Es)Cv(Et)低0.100.15中0.150.30高0.220.50变异水平Cv(os)Cv(h)低0.060.02中0.100.05高0.150.091.711.61.51.41.31.2-1.11.0E60

70

80(M)(E)99(H)90

95

可靠度R图16-13

R—y,关系曲线变

导

系

数

取

值可靠度系数丫表16-15第

四

节

路

面

结

构

组

合

设

计4

.

1

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面层类型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

等见

下

表

。基层类型厚

度

适

宜

范

围

(

m

m

)适

宜

交

通

等

级贫混凝土或碾压混凝土基层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

.

2

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

。4

.

3垫层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

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

(

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5.1目标可靠度与疲劳极限状态方程式级公路

度指标和目标可靠度见下表。靠等可同的路面结构设计安全等级及相应的设计基准期我国水泥混凝土路面按可靠度方法进行设计，变

异

水

平

等

级低中高混

凝

土

弯

拉

强

度Cv≤0.100.10<C,≤0.150.15<C,≤0.20基顶面当量回弹模量Cy≤0.250.25<Cv≤0.350.35<Cγ≤0.55水

泥

混

凝

土

面

层

厚

度Cp≤0.040.04<C,≤0.060.06<C₇

≤0.08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

：Yr(opr+Gtr)≤fr可靠度系数γ变

异

水

平

等

级目

标

可

靠

度

(

%

)95908580低1.20-1.331.09-1.161.04-1.08一中1.33-1.501.16-1.231.08-1.131.04-1.07高1.23-1.331.13-1.181.07-1.11交通等级特重重中等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)6.06.05.55.0混凝土弯拉强度标准值f,5

.

2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。σpr

=KrKfKcops式中：σpr

-标准荷载Ps在临界荷位处产生的荷载疲劳应力；K,-考虑接缝传荷能力的应力折减系数；Ky-设计基准期内荷载应力累积疲劳作用的疲劳应力系数Kr=N式中：

NV-设计基准期内标准轴载累计作用次数；v-与混合料限制有关的系数。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1015182123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2527293144σps

=0.077r0.60h-21/3式中：r-混凝土板的相对刚度半径(m);h-

混凝土板的厚度(m);Ec-水泥混凝土的弯拉弹性模量(Mpa

)公路等级高速公路一级公路二级公路三、四级公路Kc1.301.251.201.10水泥混凝土弯拉弹性模量经验参考值综合系数Kc式中：

Eo-路床顶面回弹模量；Ex-基层和底基层或者垫层的当量回弹模量；

E₁E₂-基层和底基层或者垫层的回弹模量；hx-基层和底基层或者垫层的当量厚度；Dx-基层和底基层或者垫层的当量弯曲刚度；

a、b-与Ex/E

₀

有关的回归系数。新建公路的基层顶面当量回弹模量值：(1)温度应力分析在临界荷位处的温度疲劳应力按下式计算：Otr

=KtOtm式中：Gtr-临界荷位处的温度疲劳应力；Otm-最

大

温

度

梯

度

时

混

凝

土

板

的

温

度

翘

曲

应

力Kt-考虑温度应力累积疲劳作用的疲劳应力系数。式中：

αc-混凝土的温度线膨胀系数；Tg-最大温度梯度；Bx-综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数

最大温度梯度标准值Tg公

路

自

然

区

划Ⅱ、VIIV、VIVI最

大

温

度

梯

度83-8890-9586-9293-98温度应力系数Bx图明

定

；(

3

)

混

凝

土

路

面

厚

度

设

计1按第3章进行行车道路面结构的组合设计，初拟路面结构，包括路床、垫层、基层

和面层的材料类型和厚度，并按第4章条文说明表4-3所列的水泥混凝土面层厚度建议

范围，依据交通等级、公路等级和所选变异水平等级初选混凝土板厚度。2按照初拟路面结构的组合情况，选择相应的结构分析模型。3参照图B,7

所示的混凝土路面板厚度计算流程，分别计算混凝土面层板(单层板

或双层板的面层板)的最重轴载产生的最大荷载应力、设计轴载产生的荷载疲劳应力、最

大温度梯度产生的最大温度应力及温度疲劳应力。4当荷载疲劳应力与温度疲劳应力之和与可靠度系数的乘积，小于且接近于混凝土弯拉强度标准值，同时，最大荷载应力与最大温度应力之和与可靠度系数的乘积，小于混

凝土弯拉强度标准值，即满足式(3.0.4-1)和式(3.0.4-2)时，初选厚度可作为混凝土板的

计算厚度。5贫混凝土或碾压混凝土基层或者双层板的下面层板，需计算其荷载疲劳应力，并

检算荷载疲劳应力与可靠度系数的乘积是否小于其材料的弯拉强度标准值，即应满足式

(3.0.5)。6

若不能同时满足式(3.0.4)及式(3.0.5),则应改选混凝土面层板厚度或(和)整

调基层类型或(和)厚度，重新计算，直到同时满足式(3.0.4)及式(3.0.5)。7

计算厚度加6mm

磨损厚度后，应按10mm

向上取整，作为混凝土面层的设计

厚

度

。交

通

调

查设

计

轴

载P极限轴载P设

计

基

准

期

内

设

计

轴

载

累

计

作

用

次

数

¥交通

等

级荷

载

疲

劳

应

力

系数车换

缝

传

有

能

力

折

减

系

数&理论偏差和动载

影

响

综

合

系

数

是结

构

特

征

参

数

(

)D.(),G,B₂

等设

计

及

极

限

轴

载临

界

荷

位

荷

载

应

力),最大

温

度C

力em湍

度

疫

劳

应

力

系

数A荷载酸劳应力及荷

载最

大

应

力()公路

等

级安

全

等

级

公路

自然区划路

基

垫

层

和

基

层材

料

调

查

及

试

验港

凝

土

设

计

弯拉

强

度(h)温

度

凝

男应

力(cm+n)/X

S(C+可

繁

度医数×变

异

等

级本平目

标

可

草

度是结

束温度梯度Z初

拟

路

面

结

构否5.3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。面

层

厚

度

(

m

m

)传力杆直径传力杆最小长度传力杆最大间距22028400300240304003002603245030028035450300300385003002.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。5

.

4

混

凝

土

路

面

板

厚

度

设

计

算

例公路自然区划I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=

9

.

8

8

5×

1

0⁶

次属

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：=2,57MN·m计算基层顶面当量回弹模量如下：=4.293(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Gps=0.777r0.6h-2=0.077×0.6770.6×0.22-2

=1.259Mpa纵缝设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数K₇=0.87。

考虑设计基准期内荷载应力累积疲劳作用的疲劳

应力系数Ky=Ng=(9.885×106)0057=2.504。依据公路等

级，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数Kc=1.20。荷载疲

劳应

力

计

算

为Gpr=KrKrKcops=0.87×2.504×1.20×1.259

=3.29Mpa温度疲劳应力系数Kt计算如下，其中a=0.828,b=0.041,c=1.323:温度疲劳应力计算如下Otr=KtOtm=0.532×2.13=1.13Mpa(4)温度

疲

劳

应

力Ⅱ区最大温度梯度去88(℃/

m)

。

板长5m,l/r-5/0.677=7.39,普通混凝土板厚h=0.22m,Bx=0.71m,所以最大温度

梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为(5

)

疲

劳

应

力

验

证二级公路的安全等级为三级，相应对于三级安全等级的变异水平等级为中级，

目标可靠度为85%。依据可靠度和变

异水平等级，确定可靠度系数γγ=

1.13。γ-(opr+σtr)=1.13×(3.29+1.13)=4.99Mpa≤=5.0Mpa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

六

节

国

外

水

泥

混

凝

土

路

面

设

计

介

绍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