水泥路面设计

公路水泥混凝土路面设计一、轴载换算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。不同轴轮型和轴载的作用次数，按下式换算为标准轴载的作用次数。161100nisiiiPNN（1）；30.432.2210iiP（2）50.221.0710iiP（3）；80.222.2410iiP（4）Ns——100KN的单轴-双轮组标准轴载的作用次数；Pi——单轴-单轮、单轴-双轮组或三轴-双轮组轴型i级轴载的总重（KN）；——轴型和轴载级位数；iN——各类轴型i级轴载的作用次数；i——轴-轮型系数，单轴-双轮组时，i=1；单轴-单轮时，按式（2）计算；双轴-双轮组时，按式（3）计算；三轴-双轮组时,按式（4)计算。轴载换算车型iP(KN)iiN(次/日)小客车前轴16.566526540后轴23.0126540中客车SH130前轴25.555517560.0001后轴45.1017560.0022大客车CA50前轴28.70524.216310.0018后轴68.20116313.5728小货车BJ130前轴13.40727.316250后轴27.40116250中货车CA50前轴28.70524.27050.0008后轴68.2017051.5443中货车EQ140前轴23.70569.15310后轴69.2015311.468216)100(iiiPN大货车JN150前轴49.00416.57763.5695后轴101.6017761000.37特大车日野KB222前轴50.20412.17565.0674后轴104.3017561482.7595拖挂车五十铃前轴60.00381.7515.4918后轴100（3轴）05102503.8457上表为双车道双向交通调查结果，取交通量年平均增长率为11.1％。小于40KN的轴载可略去。调查分析双向交通的分布情况，选取交通量方向分布系数，一般取0.5，车道数为1，所以交通量车道分布系数取1.0。Ns=∑0.5×1.0×2503.8457=1251.9228次查《公路水泥砼路面设计规范(JTGD40-2002)》，此路面属重交通，设计使用年限为20年。由《公路水泥砼路面设计规范(JTGD40-2002)》取轮迹横向分布系数为0.37，可计算得到设计年限内标准轴载累计作用次数Ne为：36511seNN=10980291.39次二、路面板厚度计算设计道路路基为中湿状态，故按以下步骤进行路面板厚度计算1、初拟路面结构查《公路水泥砼路面设计规范(JTGD40-2002)》表4.4.6，初拟普通水泥混泥土路面层厚度为h=0.24m,基层选用水泥稳定碎石（水泥用量为5％），厚为h1=0.20m。垫层选用厚度为h2=0.20m的天然砂砾。普通水泥混凝土板的平面尺寸宽为4.0m,长为5.0m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆假缝。niiiisPNN116)100(2、材料参数的确定（1）混泥土的设计弯拉强度与弹性模量按《公路水泥砼路面设计规范(JTGD40-2002)》表3.0.6，取普通混泥土面层的弯拉强度标准值MPafr5,相应弯拉弹性模量标准值为GPaEc31（2）土基的回弹模量参照《公路水泥砼路面设计规范(JTGD40-2002)》附录F，路基回弹模量取MPaE350。查附录F.2,水泥稳定粒料基层回弹模量取，天然砂砾回弹模量取𝐸2=175𝑀𝑃𝑎。按式（B.1.5）计算基层顶面当量回弹模量如下：𝐸𝑥=ℎ12𝐸1+ℎ22𝐸2ℎ12+ℎ22=0.22×1500+0.22×1750.22+0.22=837.5𝑀𝑃𝑎𝐷𝑥=𝐸1ℎ13+𝐸2ℎ2312+(ℎ1+ℎ2)24(1𝐸1ℎ1+1𝐸2ℎ2)−1=1500×0.23+175×0.2312+(0.2+0.2)24×(11500×0.2+1175×0.2)−1=2370𝐾𝑁∗mℎ𝑥=(12𝐷𝑥𝐸𝑥)13=(12×2.37837.5)13=0.324𝑚=3.970=0.749=172.14MPa普通混凝土面层的相对刚度半径按（B.1.3-2）计算为MPaE1500198.3])(15.11[22.645.00EEax75.0)(44.1155.00EEbxMPaEEEahExbxt96.172)(3100=0.7283、荷载疲劳应力计算按式（B.1.3），标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为𝜎𝑝𝑠=0.077𝑟0.6ℎ−2=0.077×0.7280.6×0.24−2=1.105𝑀𝑃𝑎因纵缝为设拉平缝，接缝传荷能力的应力折减系数87.0rk。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𝑘𝑓=𝑁𝑒𝑛=(10980291.39)0.057=2.519。根据公路等级，由《公路水泥砼路面设计规范(JTGD40-2002)》附录B，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式（B.1.2），荷载疲劳应力计算为=2.906MPa4、温度疲劳应力由《公路水泥砼路面设计规范(JTGD40-2002)》表3.0.8，Ⅲ区最大温度梯度区93℃/m。板长L=5m,𝐿𝑟=5.0/0.728=6.868⁄,由图B.2.2可查普通混凝土板厚,h=0.24m,Bx=0.65按式（B.2.2），最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为𝜎𝑡𝑚=𝛼𝑐𝐸𝑐ℎ𝑇𝑔2𝐵𝑥=2.25𝑀𝑃𝑎温度疲劳应力系数tk，按式（B.2.3）计算为=0.553再由式（B2.1）计算温度疲劳应力为𝜎𝑡𝑟=𝐾𝑡𝜎𝑡𝑚=0.553×2.25=1.244𝑀𝑃𝑎mEEhrtc727.0)(537.03120.1ckMPakkkpscfrpr895.2104.120.1512.287.0355.1,041.0,855.0cba549.0])([bfafkcrtmtmrt5、可靠度计算由《公路水泥砼路面设计规范(JTGD40-2002)》表3.0.1，二级公路的安全等级为三级，相应于三级安全等级的变异水平等级为中级，目标可靠度为85%，再根据查的目标可靠度变异水平等级，查《公路水泥砼路面设计规范(JTGD40-2002)》表3.0.3，确定可靠度系数，按式（3.0.3）𝛾𝑟(𝜎𝑝𝑟+𝜎𝑡𝑟)=1.10×(2.906+1.244)=4.565𝑀𝑃𝑎≤𝑓𝑟5.0𝑀𝑃𝑎因而所选的普通混凝土面层厚度h=0.24m，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。三、连续配筋混凝土面层纵向配筋计算1、计算参数混凝土强度等级为C40，查表F．5，得混凝土抗拉强度标准值tf=3.5(MPa)，粘结刚度系数sk=34(MPa/mm)，连续配筋混凝土干缩应变sh=O.0002。选用HRB335螺纹钢筋，直径为：𝑑𝑠=16mm，查附录F.4，得到弹性模量Es=200GPa、屈服强度syf=335MPa。2、横向裂缝间距计算按式(E.O.2-3)，混凝土温缩应力系数为初拟配筋率ρ=O.7％，按式(E.O.2-2)，计算钢筋贡献率为由，查图E.O.2，得b=5.6，代入式(E.0.2-1)中10.1r205.0)0002.035101(310005.3)(5shcctcTEf0452.031000200000%7.0csEE0452.0,205.0cmmmEdkbLsssd71.11710)1(42=1680mm=1.68m𝐿𝑑=1.68𝑚满足横向裂缝间距1.0～2.5m的要求。3、裂缝宽度计算根据钢筋贡献率为φ=0.0452,b=5.6，查图E.0.3，得裂缝宽度系数𝜆𝑏=0.86，按式(E.O.3)计算裂缝宽度为𝑏𝑗=(𝛼𝑐Δ𝑇+𝜀𝑠ℎ)𝜆𝑏𝐿𝑑=0.81𝑚𝑚1𝑚𝑚4、钢筋应力计算根据钢筋贡献率为φ=0.0452,b=5.6，查图E.0.4，得钢筋温度应力系数λ𝑠𝑡=3.6，按式(E.0.4)计算钢筋应力为=315MPa𝑓𝑠𝑦=335𝑀𝑃𝑎5、钢筋间距或根数计算上述计算均满足要求，则初拟的纵向钢筋配筋率是合适的。钢筋间距为𝜋𝑑𝑠24𝜌ℎ=3.14×0.1624×0.007×0.24=0.12𝑚=120𝑚𝑚四、确定结构层设计参数根据《公路水泥砼路面设计规范(JTGD40-2002)》的建议值取定路面各结构层适宜厚度，设计水泥混凝土路面方案如下，并按照上面方法进行验算符合要求。MPafMPaTTEsysstcss335322)(水泥混凝土路面各种设计方案列表如下路基状态结构层层厚（cm）中湿水泥混凝土面层24水泥稳定碎石基层20级配碎石底基层20五、板的平面尺寸水泥混凝土路面设计采用矩形水泥混凝土板，纵向和横向接缝垂直相交，其纵向两侧的横缝不得互相错位。(1)纵缝间距过宽容易产生纵向断裂，因而规范规定板宽不超过4.5m，由于单侧行车道路面宽6.0m，故设计板宽取为4.0m。(2)横缝间距取为5.0m，使混凝土板尽可能接近正方形，以改善受力状态。(3)为使混凝土路面使用寿命较长，设计水泥混凝土板厚为24cm。六、接缝设计1、纵缝设计一次铺筑宽度为3.75m，设置纵向施工缝，纵向施工缝采用平缝形式，上部应锯切槽口，深度为35mm，宽度为6mm，槽内灌塞填缝料。纵向施工缝（单位：mm）纵向缩缝：采用假缝形式，锯切的槽口深度应大于施工缝的槽口深度。纵向缩缝（单位：mm）2、横向接缝横向施工缝其位置尽可能选在缩缝或胀缝处。横向施工缝构造（单位：mm）横向缩缝可等间距或变间距布置，采用假缝形式，顶部应锯切槽口，深度为面层厚度的1/5-1/4，宽度为6mm，槽内填塞填缝料。横向缩缝构造（单位：mm）