第16章 水泥混凝土路面设计2.ppt

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1、第十六章 水泥混凝土路面设计 1目录第一节 概述第二节 弹性地基板体系理论概述第三节 水泥混凝土路面荷载应力分析第四节 水泥混凝土路面温度应力分析第五节 水泥混凝土路面板厚设计方法第六节 水泥混凝土路面加铺层设计 2一、水泥混凝土路面的力学特性一、水泥混凝土路面的力学特性水泥混凝土路面的特点：（从力学角度）水泥混凝土路面的特点：（从力学角度）面层弹性模量及强度高面层弹性模量及强度高/基层和土基的相应模量和强度低；基层和土基的相应模量和强度低；荷载扩散能力强，挠度小荷载扩散能力强，挠度小外荷作用外荷作用处于弹性状态；处于弹性状态；抗弯拉强度抗弯拉强度/抗压强度高抗压强度高车轮荷载车轮荷载过大拉应

2、力导致疲劳破坏过大拉应力导致疲劳破坏砼板与基层砼板与基层/土基之间摩阻力一般不大土基之间摩阻力一般不大弹性地基板理论；弹性地基板理论；存在温度翘曲应力存在温度翘曲应力尺寸越大，翘曲应力越大尺寸越大，翘曲应力越大限制板尺寸限制板尺寸不不均均匀匀的的基基础础变变形形混混凝凝土土板板脱脱空空弯弯拉拉应应力力过过大大土土基基与与基基层的变形对面板受力影响大层的变形对面板受力影响大/砼为脆性材料，断裂拉伸变形小；砼为脆性材料，断裂拉伸变形小；结结论论：为为使使路路面面能能够够经经受受车车轮轮荷荷载载的的多多次次重重复复作作用用、抵抵抗抗温温度度翘翘曲曲应应力力、并并对对地地基基变变形形有有较较强强的的适

3、适应应能能力力，混混凝凝土土板板必必须须具具有足够的抗弯拉强度和厚度有足够的抗弯拉强度和厚度。3二、水泥混凝土路面的损坏模式水水泥泥混混凝凝土土路路面面在在行行车车荷荷载载和和环环境境因因素素的的作作用用下下可可能能出出现现的的破破坏坏类类型型主主要要有有：断断裂裂类类、变变形类、接缝损坏类、表层损坏类形类、接缝损坏类、表层损坏类4三、破坏状态1、断裂：板内应力超过砼强度，砼路面结构破坏的临界状态、断裂：板内应力超过砼强度，砼路面结构破坏的临界状态 产生原因：产生原因：2、唧泥：车辆行经接缝时，由缝内喷射出稀泥浆的现象，、唧泥：车辆行经接缝时，由缝内喷射出稀泥浆的现象，原因原因53、错台：两侧

4、（接缝或裂缝）面层板端部出现的高程差、错台：两侧（接缝或裂缝）面层板端部出现的高程差 产生原因：唧泥产生原因：唧泥 4、接缝碎裂：临近横向和纵向接缝输十厘米范围内，板边、接缝碎裂：临近横向和纵向接缝输十厘米范围内，板边 缘砼的开裂，断裂或成碎块，碎屑。缘砼的开裂，断裂或成碎块，碎屑。产生原因：产生原因：5、拱起：温度升高，砼面板在热膨胀受到约束时，横缝两侧数块板块、拱起：温度升高，砼面板在热膨胀受到约束时，横缝两侧数块板块 突然出现向上拱起的屈曲失稳现象，并出现板块横向断裂。突然出现向上拱起的屈曲失稳现象，并出现板块横向断裂。产生原因：产生原因：6四、设计标准四、设计标准弹性地基板，弹性地基板

5、，纵缝边缘中部纵缝边缘中部在重复荷载（车辆荷载在重复荷载（车辆荷载及温度翘曲应力）的反复作用下，路面板的破坏应及温度翘曲应力）的反复作用下，路面板的破坏应力要比极限弯拉强度小，即产生疲劳破坏。力要比极限弯拉强度小，即产生疲劳破坏。7五.水泥砼路面设计结构内容 1路面结构层组合设计路面结构层组合设计 2砼面板厚度设计砼面板厚度设计 3砼面板的平面尺寸与接缝设计砼面板的平面尺寸与接缝设计 4路肩设计和排水设计路肩设计和排水设计 5普通砼路面的钢筋配筋设计普通砼路面的钢筋配筋设计816-2 弹性地基板体系理论概述 一小挠度薄板的基本假设：一小挠度薄板的基本假设：(1)砼板厚度远小于平面尺寸砼板厚度远

6、小于平面尺寸 (2)挠度远小于厚度挠度远小于厚度 (3)工作在弹性阶段工作在弹性阶段 “小挠度弹性薄板小挠度弹性薄板”理论理论9（1）垂直于中面方向形变分量极其微小，可以忽略不计。）垂直于中面方向形变分量极其微小，可以忽略不计。故位移仅为平面函数，也就是说，在中面的任意一根法线上，故位移仅为平面函数，也就是说，在中面的任意一根法线上，薄板全厚度范围内的各点都具有相同的位移。薄板全厚度范围内的各点都具有相同的位移。（2）垂直于中面的法线，在弯曲变形前后均保持为直线并垂）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，即直于中面，因而无横向剪切应变，即 研究弹性小挠度

7、薄板在垂直于中面的荷载的作用下的弯研究弹性小挠度薄板在垂直于中面的荷载的作用下的弯 曲时，通常采用下述三项基本假设：曲时，通常采用下述三项基本假设：10（3）中面上各点无平行于中面的位移，即中面上各点无平行于中面的位移，即 由假设（由假设（1）得：）得：由假设（由假设（2）得：）得：则：则：板的应力应变关系板的应力应变关系 （物理方程）（物理方程）11由假设（由假设（3），），式得：式得：则：则：则则：此板的几何方程表示为：此板的几何方程表示为：12将物理方程将物理方程式改写成应力分量表达式，式改写成应力分量表达式，则：则：由由可知，各项应力分量均为可知，各项应力分量均为z的函数，因此在厚度方

8、向的函数，因此在厚度方向 上截面上的力的和为零，并可分别合成单位宽上截面上的力的和为零，并可分别合成单位宽 度上的弯矩，扭矩和剪力，即：度上的弯矩，扭矩和剪力，即：13 式中：14经过整理得出应力分量与弯矩，扭矩，剪力之间的关系：15当z=h/2时，可得到板的最大应力关系为：16二弹性曲面微分方程：二弹性曲面微分方程：根据薄板的基本假设及内力与荷载的平衡条件可得根据薄板的基本假设及内力与荷载的平衡条件可得分别写出力矩的平衡方程，简化以后得：分别写出力矩的平衡方程，简化以后得：17写出写出z方向的力的平衡方程，简化以后，略去微量，得：方向的力的平衡方程，简化以后，略去微量，得：（11）代入（）代

9、入（12）式：）式：将式（将式（10）中的）中的Mx，My，Mxy的表达式代入（的表达式代入（13）得）得薄板弹性曲面微分方程薄板弹性曲面微分方程18 w板的挠度板的挠度 D弯曲刚度弯曲刚度 h板厚板厚 板的弹性模量和泊松比板的弹性模量和泊松比当板上作用荷载当板上作用荷载p及反力及反力为为q时，时，（14）式改写为）式改写为 （15）求解出板的挠度求解出板的挠度w后，即可由（后，即可由（6）式求）式求 各应力分量各应力分量 由（由（7）式求）式求 弯矩与扭矩。弯矩与扭矩。19（15）式中两个未知数：挠度）式中两个未知数：挠度w与反力与反力q 必须建立附加方程，将必须建立附加方程，将w，q联系起

10、来，才能与（联系起来，才能与（15）式）式 联立求解联立求解w两种地基模型两种地基模型 不同的求解方法不同的求解方法2016-3 水泥砼路面荷载应力分析一一Winkler地基板的荷载应力地基板的荷载应力分析：分析：地基反力地基反力q（x,y）与该点挠与该点挠度度w(x,y)的关系式：的关系式：q(x,y)=kw(x,y)k地基反应模量地基反应模量MPa/m3211 1）文克勒地基模型：）文克勒地基模型：WinklerWinkler地基地基模型模型/稠密液体地基稠密液体地基 假定：土基顶面任一点的弯假定：土基顶面任一点的弯沉沉w w仅同作用于该点的垂仅同作用于该点的垂直压力直压力p p成正比，而

11、与其他相邻点处的压力无关。压力成正比，而与其他相邻点处的压力无关。压力p p与弯沉与弯沉w w之比即称为之比即称为地基反应模量地基反应模量k k。由：由：k=k=q/wq/w q(x,yq(x,y)=)=kW(x,ykW(x,y)222 2）弹性半空间地基模型：）弹性半空间地基模型：该地基被看作是均质的半无限连续介质。地基该地基被看作是均质的半无限连续介质。地基顶面任一点的挠度不仅同作用于该点的压力，也顶面任一点的挠度不仅同作用于该点的压力，也同顶面其它点上的压力有关，即：同顶面其它点上的压力有关，即：q(x,y)=f(x,y)。这种地基模型有时也称作这种地基模型有时也称作弹性半无限弹性半无限

12、或或弹性固弹性固体地基模型，体地基模型，采用采用弹性模量弹性模量和和泊桑比泊桑比来表征其弹来表征其弹性性质。性性质。任一点的任一点的挠挠度度WW23 为了求解弹性地基板的应力，除了弹性小挠度薄板的基本假设外，补充板与地基之间的假设：（1）变形过程中，板与地基始终紧密接触，与地基顶面垂直；（2）板与地基接触面上无摩擦阻力，即层间水平剪力为零。24将温克尔地基模型中反力与位移关系q=kx，或者弹性地基板模型中反力与位移关系q=fw(x,y)带入弹性地基板微分方程，求解出砼板在荷载作用下的弯拉应力。2516-4 水泥砼路面温度应力分析一胀缩应力：假定温度均匀分布一胀缩应力：假定温度均匀分布 板纵向与

13、横向应变板纵向与横向应变 板纵向与横向温度应力板纵向与横向温度应力 MPa 砼线性膨胀系数，约为砼线性膨胀系数，约为1105 板温差板温差 26在板中部，受到约束：在板中部，受到约束：则面板胀缩完全受阻时产生应力为：则面板胀缩完全受阻时产生应力为：对于板边缘中部或窄长板，固定区无位移发生，即：对于板边缘中部或窄长板，固定区无位移发生，即：则：则：27为了减少收缩应力，将砼板划分为有限尺寸的板块，这时板为了减少收缩应力，将砼板划分为有限尺寸的板块，这时板的收缩受到板与基础的摩阻力的约束，板内的最大应力出现的收缩受到板与基础的摩阻力的约束，板内的最大应力出现在板长的中央，其值可近似按下式计算：在板

14、长的中央，其值可近似按下式计算：28二翘曲应力：二翘曲应力：温度分布为随深度温度分布为随深度z而变化的函数，而变化的函数，Tzf（z），），温度分布温度分布不均匀。不均匀。威斯特卡德，对文克勒地基假设：威斯特卡德，对文克勒地基假设：（1）温度沿板断面呈直线变化）温度沿板断面呈直线变化 （2）板与地基始终保持接触）板与地基始终保持接触 （3）不计板自重）不计板自重推导板仅受地基约束时翘曲应力：推导板仅受地基约束时翘曲应力：29有限尺寸矩形板，板长（有限尺寸矩形板，板长（L）和板宽（和板宽（B）方向翘曲应力：方向翘曲应力：30最大翘曲应力：通常在板中心位置，最大翘曲应力：通常在板中心位置，或板边缘

15、中间位置，即或板边缘中间位置，即板边缘中点：板边缘中点：当当x0，当当y0 或或 考虑温度的非线性分布：考虑温度的非线性分布：板中部：板中部：温度应力系数温度应力系数 板边缘中点：板边缘中点：3116-5水泥砼路面板厚设计方法设计参数设计参数标准轴载与换算轴载标准轴载与换算轴载:标准轴载标准轴载BZZ-100同沥青路面同沥青路面 按等效疲劳损伤原则换算按等效疲劳损伤原则换算:(采用疲劳断裂为标准建立疲劳方程推导换算公式采用疲劳断裂为标准建立疲劳方程推导换算公式)322.设计车道使用初期的年平均日交通量：设计车道使用初期的年平均日交通量：双向交通量双向交通量方向分配系数方向分配系数车道分配系数车

16、道分配系数1）交通量方向分配系数：一般可取）交通量方向分配系数：一般可取0.5。2）交通量车道分配系数：查下表）交通量车道分配系数：查下表单向车道数 1 2 3 4 车道分配系数 1.0 0.81.0 0.60.8 0.50.75 333交通分级设计使用年限交通分级设计使用年限交通分交通分级级特重特重重重中等中等轻轻设计车道设计车道 Ne(104)2000100 0200020003 31001003设计年限设计年限 （t）30302020344、标准轴载累计作用次数、标准轴载累计作用次数NeNe标准轴载累计作用次数；标准轴载累计作用次数；t设计基准期；设计基准期；gr交通量年平均增长率；交通

17、量年平均增长率；临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，按下表选用临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，按下表选用。公路等级公路等级 纵缝边缘处 高速公路、一级公路、收费站高速公路、一级公路、收费站 0.170.22 行车道宽行车道宽7m 0.34O.39 二级及二级以下公路二级及二级以下公路 行车道宽行车道宽7m O540.62 5、确定交通等级（参见、确定交通等级（参见公路水泥混凝土路面设计规范公路水泥混凝土路面设计规范JTG D40-20023.0.5）35结构组合设计结构组合设计1、路基的处理（参见、路基的处理（参见公路水泥混凝土路面设计公路水泥混凝土路面设计规范规范JTG D40-20024.

18、1.3）2、确定基层的材料与厚度确定基层的材料与厚度1）确定基层的材料（参见确定基层的材料（参见公路水泥混凝土路面设计规公路水泥混凝土路面设计规范范JTG D40-20024.3.2）2）确定基层的宽度（参见）确定基层的宽度（参见公路水泥混凝土路面设计规公路水泥混凝土路面设计规范范JTG D40-20024.3.4）3）确定基层的厚度（参见）确定基层的厚度（参见公路水泥混凝土路面设计规公路水泥混凝土路面设计规范范JTG D40-20024.3.5）363、底基层（参见底基层（参见公路水泥混凝土路面设计规范公路水泥混凝土路面设计规范JTG D40-20024.3.7）4、普通水泥混凝土面层普通水

19、泥混凝土面层1）初拟普通水泥混凝土面层的厚度（参见）初拟普通水泥混凝土面层的厚度（参见公公路水泥混凝土路面设计规范路水泥混凝土路面设计规范JTG D40-20024.4.6）2）确定普通水泥混凝土面层板的宽度及长度；确定普通水泥混凝土面层板的宽度及长度；（参见（参见公路水泥混凝土路面设计规范公路水泥混凝土路面设计规范JTG D40-20024.4.3、4.4.5、4.4.6、4.5.3）37混凝土面板混凝土面板混混凝凝土土路路面面板板应应具具有有较较高高的的强强度度，表表面面平平整整、耐耐磨磨和和抗抗滑滑；板板的横断面一般采用等厚式。的横断面一般采用等厚式。混混凝凝土土路路面面板板的的厚厚度度

20、，由由计计算算确确定定，初初步步估估算算时时，可可参参考考表表(邓邓学学均均编编)16-17)16-17所所列列的的经经验验厚厚度度，其其最最小小厚厚度度为为18cm18cm。面面层层板板的的长宽比不得超过长宽比不得超过1.301.30，平面尺寸不宜大于，平面尺寸不宜大于25m25m2 2.为为了了减减小小温温度度应应力力，常常把把混混凝凝土土面面板板划划分分成成有有限限尺尺寸寸的的矩矩形形板板。纵横缝应垂直相交，纵缝两侧的横缝不得相互错位。纵横缝应垂直相交，纵缝两侧的横缝不得相互错位。板宽（纵缝间距）：板宽（纵缝间距）：3.03.04.5m4.5m板长（横缝间距）：板长（横缝间距）：4 4m

21、m 38材料设计参数的拟定材料设计参数的拟定1）土基的回弹模量（参见）土基的回弹模量（参见公路沥青路面公路沥青路面设计规范设计规范JTJ 014-976.1.5）或直接参考或直接参考水泥路面设计规范附录水泥路面设计规范附录F来选值。来选值。（1）用）用临界高度临界高度法判断路基的干湿类型法判断路基的干湿类型（2）拟定土的）拟定土的平均稠度平均稠度（参见（参见公路沥青路公路沥青路面设计规范面设计规范JTJ 014-976.1.2-1）（3）预测预测土基回弹模量土基回弹模量（参见（参见公路沥青路公路沥青路面设计规范面设计规范JTJ 014-97表表E2）392）基层回弹模量（参见）基层回弹模量（参

22、见公路水泥混凝土路面设公路水泥混凝土路面设计规范计规范JTG D40-2002F.2）3）面层）面层（1）面层的弯拉强度标准值（参见）面层的弯拉强度标准值（参见公路水泥公路水泥混凝土路面设计规范混凝土路面设计规范JTG表表D40-20023.0.6）（2）面层的弯拉弹性模量标准值（参见面层的弯拉弹性模量标准值（参见公路公路水泥混凝土路面设计规范水泥混凝土路面设计规范JTG D40-2002F.3）材料设计参数的拟定材料设计参数的拟定40基层顶面的当量回弹模量基层顶面的当量回弹模量:1)新建公路的基层顶面模量值新建公路的基层顶面模量值:当底基层与垫层同时存在当底基层与垫层同时存在,先将这两层折算

23、成具有当量回弹模量和当量先将这两层折算成具有当量回弹模量和当量厚度的单一层厚度的单一层,然后与基层一起进行上述计算过程然后与基层一起进行上述计算过程,若无底基层与垫层若无底基层与垫层,上述公式中对应的厚度和模量以零值代入上述公式中对应的厚度和模量以零值代入.412)原有路面的顶面当量回弹模量值原有路面的顶面当量回弹模量值 原有路面加铺水泥砼路面原有路面加铺水泥砼路面,通过承载板试验或弯沉测定法通过承载板试验或弯沉测定法 测定原路面顶面的当量回弹模量测定原路面顶面的当量回弹模量 ;若用汽车实测若用汽车实测,按沥青路面补强设计中计算回弹弯沉按沥青路面补强设计中计算回弹弯沉 方法方法;注注:新建水泥

24、砼路面下必须设置最小厚度为新建水泥砼路面下必须设置最小厚度为0.150.20m的垫的垫层与基层层与基层.42 pr标准轴载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力标准轴载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力(MPa)kr 考虑接缝传荷能力的应力折减系数，纵缝为设拉杆的平缝时，考虑接缝传荷能力的应力折减系数，纵缝为设拉杆的平缝时，kr=0.870.92(刚性和半刚性基层取低值，柔性基层取高值刚性和半刚性基层取低值，柔性基层取高值)；纵；纵缝为不设拉杆的平缝或自由边时缝为不设拉杆的平缝或自由边时，kr=1.0；纵缝为设拉杆的企口纵缝为设拉杆的企口缝时，缝时，kr=0.760.84；kf 考虑设计基准期内荷载应力累

25、计疲劳作用的考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数疲劳应力系数kc考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数，按考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数，按公路等级公路等级查表查表16-24 确定确定1、荷载疲劳应力、荷载疲劳应力43求求ps标准轴载在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应标准轴载在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力力(MPa)r 混凝土板的相对刚度半径混凝土板的相对刚度半径(m)h混凝土板的厚度混凝土板的厚度(m)；Ec水泥混凝土的弯拉弹性模量水泥混凝土的弯拉弹性模量(MPa)；Et基层顶面当量回弹模量基层顶面当量回弹模量(MPa)452、温度疲劳应力

26、、温度疲劳应力tr临界荷位处的温度疲劳应力临界荷位处的温度疲劳应力(MPa)；tm最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力应力；kt考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力系数，按下式确定。系数，按下式确定。a、b、c查表查表46最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力tmc混凝土的线膨胀系数混凝土的线膨胀系数(1)，通常可，通常可取为取为110-5；Tg最大温度梯度，最大温度梯度，查表查表16.7取用；取用；Bx综合温度翘曲应力和内应力作用的温综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数，可按度应力系数，可

27、按Lr和和h查用图查用图16-14确确定；定；板长，即横缝间距板长，即横缝间距(m)。47三、我国现行设计方法与步骤三、我国现行设计方法与步骤公路技公路技术术等等级级高速公路高速公路一一级级公路公路二二级级公路公路三四三四级级公路公路安全等安全等级级一一级级二二级级三三级级四四级级设计设计基准期基准期(a)30302020目目标标可靠度可靠度()()95908580目目标标可靠度指可靠度指标标1.641.281.040.84变变异水平等异水平等级级低低低中低中中中中高中高可靠度设计标准可靠度设计标准49目标可靠度目标可靠度:设计路面结构应具有的可靠度水设计路面结构应具有的可靠度水平平.(选取是

28、一个工程经济问题选取是一个工程经济问题)通常采用通常采用”校准法校准法”来确定目标可靠度来确定目标可靠度,是对按是对按原设计规范或方法设计的已有路面进行隐含原设计规范或方法设计的已有路面进行隐含可靠度的分析可靠度的分析,参照隐含可靠度制定目标可靠参照隐含可靠度制定目标可靠度度,则设计的路面结构接纳了以往的工程设则设计的路面结构接纳了以往的工程设 计和使用经验计和使用经验,包含了原有设计相等的可接受包含了原有设计相等的可接受性和经济合理性性和经济合理性.50路面结构可靠度路面结构可靠度:在规定的时间内在规定的时间内,在规定的条件下在规定的条件下,路面使用性路面使用性能满预定水平要求的概率能满预定

29、水平要求的概率极限状态设计表达式：极限状态设计表达式：-砼弯拉强度标准值砼弯拉强度标准值表达为表达为:在规定的设计基准期内在规定的设计基准期内,在规定的交通和环境条件下在规定的交通和环境条件下,行车荷载疲劳应力和温度梯度疲劳应力的总和不超过行车荷载疲劳应力和温度梯度疲劳应力的总和不超过 砼弯拉强度的概率砼弯拉强度的概率变变异水平等异水平等级级 目目标标可靠度可靠度()()95908580低低1.20 01.331.331.091.161.161.041.081.08-中中1.331.501.501.161.231.231.081.131.131.041.071.07高高-1.231.331.3

30、31.131.181.181.071.111.11可靠度系数可靠度系数 512.设计步骤设计步骤:6)根据极限状态表达式判断初拟厚度是否满足要求根据极限状态表达式判断初拟厚度是否满足要求,满满足则完成足则完成 7)若不满足则重新拟定路面结构重复上述计算过程若不满足则重新拟定路面结构重复上述计算过程52结论 r可靠度系数，依据所选目标可靠度及变异水平等级按表16-22确定；p r行车荷载疲劳应力（MPa)t r温度梯度疲劳应力（M Pa)fr水泥混凝土弯拉强度标准值（MPa），见16-23条。rtrrprf+)(ssg53接缝设计1、纵向接缝（参见公路水泥混凝土路面设计规范JTG D40-20025.1）纵缝间距:34.5m2、横向接缝（参见公路水泥混凝土路面设计规范JTG D40-20025.2）横缝间距:46m54纵横缝布置图55