第八章水泥混凝土路面设计.

尚德励志博学笃行点击此处添加标题汇报人：某某某指导老师：李波（副教授）2013.06.02第八章水泥混凝土路面李波（副教授）兰州交通大学土木工程学院弹性地基板的荷载和温度应力1结构组合设计3目录国外水泥混凝土路面设计方法5损坏模式与设计标准2水泥混凝土路面加铺层设计6我国水泥混凝土路面结构设计方法4第一节弹性地基板的荷载和温度应力第一节弹性地基板的荷载和温度应力一、水泥路面结构设计的主要内容1）路面结构层组合设计；2）混凝土路面板厚设计；3）混凝土面板的平面尺寸与接缝设计；4）路肩设计；5）混凝土路面的钢筋配筋率设计。第一节弹性地基板的荷载和温度应力二、水泥混凝土路面的力学及工作特点1.水泥路面的力学特征（1）混凝土的强度及模量远大于基层和土基强度和模量；（2）水泥混凝土本身的抗压强度远大于抗折强度；板块厚度相对于平面尺寸较小，板块在荷载作用下的挠度（竖向位移）很小；（3）混凝土板在自然条件下，存在沿板厚方向的温度梯度，会产生翘曲现象，如受到约束，会在板内产生翘曲应力；（4）荷载重复、温度梯度反复变化，混凝土板将出现疲劳破坏。第一节弹性地基板的荷载和温度应力2.水泥混凝土路面的力学模式弹性地基上的小挠度薄板模型弹性地基：因为混凝土板下的基层与土基的应力应变很小，不超过材料的弹性区域弹性板：因为板的模量高，应力承受能力强，一般受力不超过弹性比例极限应力；小挠度薄板：厚度相对于平面尺寸较小，板块在荷载作用下的挠度与板厚相比很小。第一节弹性地基板的荷载和温度应力2.水泥混凝土路面的力学模式板与地基接触的假设完全接触假设：始终接触吻合，不可自由滑动；完全摩擦假设：板和地基之间没有摩擦，可以自由活动。第一节弹性地基板的荷载和温度应力3.弹性曲面的微分方程几何方程：物理方程（用挠度表示）：平衡微分方程：第一节弹性地基板的荷载和温度应力1）混凝土路面薄板的弹性曲面微分方程写出Z方向的力的平衡方程，简化以后，略去微量，得到：一个方程，两个未知数，要求解方程，必须建立地基反力与薄板挠度间的关系，因此，必须对地基变形进行假设。第一节弹性地基板的荷载和温度应力（2）薄板截面上的弯矩和剪力第一节弹性地基板的荷载和温度应力4.地基模型1）文克勒地基以反应模量K表征的弹性地基，它假设地基上任一点的反力仅同该点的挠度成正比，而与其他点无关，即地基相当于由互不联系的弹簧组成，它因首先由捷克工程师文克勒提出而得名，也称为K地基、弹簧地基。第一节弹性地基板的荷载和温度应力2）弹性半空间地基是以弹性模量和泊松比表征的弹性地基，假设地基为一各向同性的弹性半无限体，在荷载作用下其顶面上任一点的挠度不仅同该点的压力有关，也同其他各点的压力有关。第一节弹性地基板的荷载和温度应力三、水泥混凝土路面荷载应力分析1.文克勒地基板的荷载应力分析-----解析法1）三个车轮荷位第一节弹性地基板的荷载和温度应力2）最大弯拉应力位置荷载中心处板底(荷载作用于板中）；荷位下板底（荷载作用于板边缘中部）；板表面距角荷载圆圆心x1的分角线上（荷载作用于角隅）第一节弹性地基板的荷载和温度应力3）威斯克卡德早期应力计算公式板中荷位：板边荷位：板角荷位：第一节弹性地基板的荷载和温度应力4）威斯克卡德公式的试验修正公式角隅修正：威式公式是理论推导出的，与实际情况有出入。美国1930年在阿灵顿进行了试验路，对公式进行了修正。板体与地基紧密接触时，不修正，理论值近似于实测值；板体脱空时，实测值比计算值大30%-50%，需修正，Kelly提出板角修正式：板边修正：板与地基保持接触时，不修正；而与地基脱空时，Kelly修正式：第一节弹性地基板的荷载和温度应力板中修正：实测板中应力小于实测值，说明地基不完全符合文克勒地基的假定；应力表达式：文克勒地基计算结果与地基的承载能力的取值有关第一节弹性地基板的荷载和温度应力2.弹性半空间体地基板的荷载应力分析---解析法根据Hogg理论：无限大圆板上作用轴对称竖向荷载q（r)时，竖向位移表达式：第一节弹性地基板的荷载和温度应力荷载圆离计算点一定距离时，可将其视为作用在圆心的集中力，其弯矩解为：经过计算，形成表格第一节弹性地基板的荷载和温度应力对于单后轴汽车：对于多轴汽车：一般取荷载最大的轮迹中心作为计算点。多轮荷载作用下板的应力计算第一节弹性地基板的荷载和温度应力2.水泥路面板的荷载应力有限元分析1）水泥混凝土路面荷载应力的有限元分析特点可以按板块的实际大小求解有限尺寸板，从而消除无限大板的假设所带来的误差；可以考虑各种荷载状况（包括荷载组合和荷载位置）；可以考虑板的实际边界条件，如接缝的传荷能力、板和地基的脱空；可以得到整个板体的应力和位移场，从而全面了解板的受力。第一节弹性地基板的荷载和温度应力2）水泥混凝土路面荷载应力的有限元分析结果第一节弹性地基板的荷载和温度应力四.水泥混凝土路面的温度应力分析1.胀缩应力：温度均匀变化时产生设X为板的纵轴，Y为板的横轴。如有一平面尺寸很大的板，在温差影响下板内任一点的应变为：由于板与基层之间的摩擦作用，板不能自由变形，两个应变均为零，则得到板边缘中部：y方向应力也为零。第一节弹性地基板的荷载和温度应力2.无限大板的翘曲应力板内任一点在温差影响下的应变：板中部受到地基摩阻力作用，板中心点不产生平面位移，因此：板纵向边缘中部或窄长板：第一节弹性地基板的荷载和温度应力3.有限尺寸板的翘曲应力正温差：在夏季，特别是有阳关照射时，PCC板表面的温度大于底面的温度。导致板顶面向对于地面伸长，板呈拱起的形状，类似于板底出现脱空。但是，由于板的自重和摩擦力等约束的作用，板底脱空一般不会出现，除非在很极端的气候条件下。只要有约束，就会在板内部产生应力，该应力出现在板底。日间正温差导致板底出现高拉应第一节弹性地基板的荷载和温度应力3.有限尺寸板的翘曲应力日间负温差导致板底出现高拉应第一节弹性地基板的荷载和温度应力3.有限尺寸板的翘曲应力威斯卡德对文克勒地基的作进一步假定来计算温度应力：温度沿板断面成线性变化；板与地基始终保持接触；不计板自重。有限尺寸板，沿板长和板宽方向上的翘曲应力解答（板长L，板宽B）第一节弹性地基板的荷载和温度应力4.温度线性分布时翘曲应力温度沿板断面呈线性变化板边中点：弹性半空间体地基时：第二节损坏模式与设计标准第二节损坏模式与设计标准一、水泥混凝土路面损坏模式1.断裂1）定义：路面板向、横向、斜向或角隅断裂裂缝。2）原因：板的拉应力超过了抗拉强度。板块断裂、破碎第二节损坏模式与设计标准2.唧泥1）定义：唧泥是车辆行经接缝时，由缝内喷溅出细腻浆的现象。2）原因：水分侵蚀基层/底基层或路基。3）影响：造成脱空第二节损坏模式与设计标准3.错台1）定义：错台是指接缝两侧出现的竖向相对位移。2）原因：当重载车辆通过板角时，若从Leaveslab板角底部有水唧出，它会带出基层、底基层或路基等材料（即侵蚀），导致板底部脱空。更为重要的是，部分材料还会在Approachslab板角底部积聚，抬高板块。由于Leaveslab板角底部脱空以及Approachslab板角抬高，造成板角处错台。Leaveslab：通过接缝后轮载所在的板Approachslab:在通过接缝之前轮载所在的板3）影响降低舒适性第二节损坏模式与设计标准4.拱起1）定义：混凝土路面在热胀受阻时，横缝两侧的数块板突然出现向上拱起的屈曲失稳现象，并伴随出现板块的横向断裂。2）原因：由于板收缩时接缝缝隙张开，填缝料失效，硬物嵌入缝内，致使板受热膨胀时产生较大的热压应力，从而出现这种纵向屈曲失稳现象。第二节损坏模式与设计标准5.接缝挤碎1）定义：接缝挤碎指邻近横向和纵向接缝两侧的数十厘米宽度内，路面板因热胀时受到阻碍，产生较高的热压应力而挤压成碎块。2）原因：由于胀缝内的传力杆排列不正或不能滑动，或者缝隙内落入硬物所致。第二节损坏模式与设计标准二、厚度设计依据1.可靠度理论1）定义：在规定的时间和条件内，路面使用性能满足预定水平要求的概率。2）原因：设计参数（交通、气候和材料等参数）的变异性。第二节损坏模式与设计标准3）方法引入可靠度系数，对于荷载应力和温度应力进行修正。()rprtrrf第二节损坏模式与设计标准4）可靠度设计参数第二节损坏模式与设计标准对应于目标可靠度的可靠度系数第二节损坏模式与设计标准2.力学模型水泥混凝土路面结构分析采用弹性地基板理论。除粒料类基层外，其他各类基层与混凝土面层一起按分离式双层板模型进行结构分析。粒料类基层及各类底基层和垫层，与路基一起视作多层弹性地基，以地基顶面当量回弹模量表征。第二节损坏模式与设计标准3.设计标准1）水泥混凝土路面结构设计以设计基准期内行车荷载和温度梯度综合作用所产生的面层板疲劳断裂作为设计标准，并以设计基准期内最重轴载和最大温度梯度综合作用所产生的面层板极限断裂作为验算指标。第二节损坏模式与设计标准2）贫混凝土或碾压混凝土基层以设计基准期内行车荷载所产生的疲劳断裂作为设计标准。其极限状态设计表达式采用下式。第二节损坏模式与设计标准4.交通与荷载分析1）交通调查与分析初期年平均日货车交通量（双向）：利用当地交通量观测站的观测和统计资料，获取所设计公路的初期年平均日交通量（双向）及其车辆类组成数据，剔除2轴4轮及以下的客、货运车量，得到包括大型客车交通量在内的初期年平均日货车交通量。方向分配系数：调查分析所设计公路客货运输的双向分布情况，一般情况可在0.5-0.6之间选用。第二节损坏模式与设计标准车道分配系数：参照下表确定2轴6轮及以上车辆交通量的车道分配系数设计车道的年平均日货车交通量（AADT)：初期年平均日货车交通量（双向）乘以方向分配系数和车道分配系数。方向分配系数：依据公路等级和功能以及所在地区的经济和交通运输发展情况，确定设计基准期内货车交通量的年平均增长率。单向车道数1234车道分配系数高速公路1.000.7-0.850.45-0.60.4-0.5其他等级公路0.5-0.750.5-0.75-第二节损坏模式与设计标准2）轴载调查与分析获取设计公路的车辆类型、轴型和轴重组成数据。计算分析设计车道使用初期的设计轴载日作用次数。1）以轴型为基础的轴载当量换算系数法按轴型和轴重级位分别统计整理后得到各种轴型的轴载谱，并按下式计算确定各种轴型不同轴重级位的设计轴载当量换算系数。16,ijpijsPkP第二节损坏模式与设计标准标准轴载和轴载换算按疲劳断裂设计标准进行结构分析时，以100kN单轴-双轮组荷载作为设计轴载。行驶特重轴载车辆或特种车辆的水泥混凝土路面，宜选用特重车或特种车中主导车辆的轴载作为设计轴载。各种轴型的轴载作用次数，按下式换算为设计轴载的作用次数；161nisiisPNNPiNsN第二节损坏模式与设计标准依据各种轴型的轴载谱和相应的设计轴载当量换算系数，可以按下式计算得到设计车道使用初期的设计轴载日作用次数。,=3000sipijijijAADTNnkp第二节损坏模式与设计标准（2）车辆当量轴载系数法将2轴6轮及以上车辆分为整车、半挂车和多挂3大类，将每类车再按轴型细分。分别按车型和轴型称重后得到各自的轴载谱。由设计轴载当量换算系数和下式计算得到各类车辆的设计轴载当量换算系数。,,pkpijijijkkp第二节损坏模式与设计标准依据调查所得的车辆类型组成数据，可按下式计算确定设计车道使用初期的设计轴载日作用次数。,spkkkkNADTTkpPk类车辆的组成比例第二节损坏模式与设计标准（3）计算设计基准期内水泥混凝土路面设计车道临界荷位处所承受的设计轴载累计作用次数11365tsrererNgNgNtg基准期内设计车道所承受的设计轴载累计次数设计基准期基准期内货车交通量的年平均增长率（以分数计）临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数。第二节损坏模式与设计标准车辆轮迹横