水泥混凝土路面设计

水泥混凝土路面力学特点：1混凝土的强度远大于基层和土基模量和强度；2水泥混凝土本身的抗压强度远大于抗折强度；3基层表面与路面板间摩擦力较小；4板块厚度相对与平面尺寸较小，板块在荷载作用下的挠度（竖向位移）很小；5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，如果受到约束，会在板中产生翘曲应力。6荷载多次重复作用，温度梯度也反复变化，混凝土板有疲劳现象。第一节概述一、混凝土路面结构特征：力学特点与力学模型混凝土的强度远大于基层和土基的模量和强度这就决定了基层、土基的模量、强度参数变化对整个结构的应力分布情况影响不大，这时可以将下层结构看作统一材料（介质）的弹性体（地基）。水泥混凝土本身的抗压强度远大于抗折强度实际工程中，板块往往因为抗折强度不足，发生断裂（而不是压碎），这与以上力学特点相吻合。这同时确定了水泥混凝土路面板块厚度设计时，应按抗折强度作为主要标准。基层表面与路面板间摩擦力较小在力学模型中，可以将摩擦力忽略，从而得到了板块与基层间完全光滑的联结条件。也就是板块和弹性地基间只传递竖向应力，而不传递水平面上的应力。板块厚度相对与平面尺寸较小，板块在荷载作用下的挠度（竖向位移）很小可以采用小挠度弹性薄板理论。荷载多次重复作用，温度梯度也反复变化，混凝土板有疲劳现象设计时，要考虑荷载疲劳应力（σp）和温度疲劳翘曲应力（σt）两种应力的综合作用。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，如果受到约束，会在板中产生翘曲应力。要考虑温度翘曲应力的影响，某种温度梯度下的温度翘曲应力最大值应出现在板块变形受到地基摩阻力完全限制的时候。也就是板与地基始终保持接触时。二、混凝土路面结构设计内容（1）路面结构组合设计根据该路的交通情况，结合当地环境气候条件和材料供应情况综合考虑。包括各层的结构类型、弹性模量和厚度的确定。（2）混凝土面板厚度设计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。（3）混凝土面板的平面尺寸与接缝设计根据混凝土面层板内产生的荷载应力和温度应力作出板的平面尺寸设计，布设各类接缝的位置，设计接缝的构造，并采取有效措施提高接缝的传荷能力。（4）路肩设计高速公路和一级公路中间带的路缘带和路肩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面板浇筑成整体。路肩可采用水泥混凝土面层或沥青混合料面层，其基（垫）层结构应满足行车道路面结构和排水的要求。（5）普通混凝土路面配筋设计普通混凝土路面板较长或交通量较大、地基有不均匀沉降或板的形状不规则时，可沿板的自由边缘加设补强钢筋，在角隅处加设发针形钢筋或钢筋网，以阻止可能出现的裂缝。三、混凝土路面结构设计原则应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，将混凝土路面板按重要工程结构的要求完成。保证工程的质量与耐久性；基层、底基层、垫层设计在满足设计要求的前提之下，尽可使用当地材料修建。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。结合当地实践基础，积极推广成熟的科研成果。充分考虑沿线环境的保护，自然生态的平衡，有利于施工、养护工作人员的健康与安全。尽可能选择有利于机械化、工厂化施工的设计方案。地处不良地基的路段，应采取有效措施加快稳定路基沉降。四、混凝土路面结构设计理论与方法目前世界各国的混凝土路面设计方法都是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。《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40-2002）是我国现行混凝土路面设计规范。新规范列出的设计方法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。采用可靠度设计方法，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。五、混凝土路面交通等级路面结构设计的目标是要求混凝土路面结构在设计基准期内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）设计基准期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。设计基准期与公路等级有关，可根据公路在路网中的功能定位，当地国民经济发展的需求以及投资条件等因素，经综合论证后确定。（2）标准轴载及轴载当量换算我国公路水泥混凝土路面结构设计以100KN的单轴-双轮组荷载作为标准轴载。对于各种不同汽车轴载的作用次数，可按等效疲劳断裂原则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。轴载换算公式为：（3）交通调查与轴载分析通过当地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及设计基准期内的交通量年平均增长率gr。调查获得的双向年平均日货车交通量，还应乘以方向系数（通常为0.5）和车道分布系数（表16-2），得到设计车道在设计基准期初期的年平均日货车交通量ADTT（单向）。设计基准期内交通量的年平均增长率gr可通过交通观测点多年的交通统计资料进行分析，同时参考当地经济与交通发展的宏观形势，并根据公路的等级及其承担的功能，通过论证后确定。（4）标准轴载累计当量作用次数Ne式中：Ne——标准轴载累计作用次数；t——设计基准期；gr——交通量年平均增长率；η——临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，按表16-3选用。rtrseggNN36511公路等级纵缝边缘处高速公路、一级公路、收费站0.17～0.22二级及二级以下公路行车道宽＞7m0.34～0.39行车道宽≤7m0.54～0.62表16-3车辆轮迹横向分布系数（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计作用次数分为4级。水泥混凝土路面结构→支撑于弹性地基上的小挠度弹性薄板地基模型：1.温克勒（Winkler）地基模型（稠密液体地基、弹簧地基）→地基反应模量k。2.弹性固体地基模型（弹性半空间体地基）→弹性模量E0和泊松比μ03.巴斯特纳克（Pasternak）地基模型→地基反应模量k和剪切模量G介于Winkler地基和半空间地基之间的过渡模型。第二节弹性地基板体系理论简介一、小挠度弹性薄板基本假定：（1）垂直于中面方向的应变εz极其微小，可以忽略不计。（2）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。（3）中面上各点无平行于中面的位移。yxWW,0zyzx000zzVU板与地基的联系基本假定：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（可以自由滑动），即接触面上的剪应力视为零。－－板厚。　　　　　　量和泊松比；－－分别为板的弹性模，　　　　－－板的挠度；　　　　　　；＝－－板的弯曲刚度，即　　　　　　；＝－－拉普拉斯算子，即　　　式中：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　hEWhEDDyxqpWDcccc)1(122322222222从板上割取长和宽各为dx和dy，高为h的单元，根据单元的平衡条件（∑Z=0,∑Ｍy=0，∑Ｍx=0）可导出当板表面作用竖向荷载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为：二、板挠曲面微分方程在求得板的挠度W解后，即可由下式计算板的应力：)414(111222222222222　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　yxWzExWyWzEyWxWzEccxycccycccxyxWDMxWyWDMyWxWDMcxycycx2222222221)514(　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　有两个未知数，必须建立附加方程。荷载型式不同，地基反力在板底xy平面内的分布也不同，根据不同的地基反力特性定义两种地基：文克勒地基和弹性半空间体地基。一、温克勒地基板的荷载应力分析yxKWyxq,,温克勒地基：地基反力与该点的挠度成正比，而与其它点的挠度无关，公式：第三节水泥混凝土路面应力分析其中k－地基反力模量（MPa/m³）1.荷载作用于板中(荷位①)，荷载中心处板底最大弯拉应力：2.荷载作用于板边缘中部(荷位②)，荷位下板底的最大弯拉应力：3.荷载作用于板角隅(荷位③)，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:为板的相对刚度半径:　l）－　　　　　　　（　　　　　　　　　　　9141124234KhEKDlcc文克勒地基上板的威斯特卡德解三个临界荷位时最大应力计算公式：　　22673.0lg)1(1.1hPRlci　208975.0lg54.01116.2hPRlceRlxhPlRc2,221311126.0　　二、弹性半空间地基板的荷载应力分析弹性半空间地基：假定地基是各向同性的弹性半空间体，这时地基在荷载作用范围内、外均产生变形和反力。公式：弹性半空间体地基上作用任意竖向轴对称荷载q(r)时，其表面的挠度为：）－　（　　　　　　　　　　1014,,yxWfyxq0021114(12）－　　　　　　　　drJqErWss模量和泊松比。－－分别为地基的弹性－－任意参变量；　　函数；－－第一类零阶贝塞尔函数；的亨格尔－－荷载　ssEBesselrJHankelrqq,)()()(0弹性半无限地基的荷载应力计算理论对于荷载作用于板边、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。对于外荷载与弹性地基板本身均属于轴对称的情况下：））　　　　　　　（（）（）（　121422rqrprWD反力。化的板的挠度、荷载与）－－分别为随坐标变（）（）（　；＝－－拉普拉斯算子，即rqrprWdrdrdrd,,12222）（）（rWdrddrdrDMrWdrdrdrdDMctcr22221的表达式为：与切向弯矩此时板内径向弯矩trMM四、水泥混凝土路面温度应力分析。－－板温差，　　　　　；胀系数，约为－－水泥混凝土的线膨　　　　　；向的温度应力－－分别为板纵向和横、　　　向应变；－－分别为板纵向和横、式中：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　－CtMPatEtEyxyxxyyyxx5101,11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。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：0yx　1tEyx面板胀缩完全受阻时所产生的应力为：在混凝土板内设置接缝后，板被化分为有限尺寸的板块。这时因变形受阻而产生的板内最大应力出现于板长的中央，其值可近似按下式计算：。关，一般为　　　　　　等因素有情况板的位移量和位移反复擦系数，同基础类型、－－板与基础之间的摩　　　；－－板长，　　　；－－混凝土容重，约为式中：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　0.2~0.1/024.02/3fmLmMNLft板划分为有限尺寸板块后，因收缩而产生的应力很小，可不予考虑。2.翘曲应力由于混凝土板、基层和土