路基路面工程第十六章水泥混凝土路面设计.pptx

第十六章 水泥混凝土路面设计22024/4/7 周日第一第一节 概述概述1设计理理论n弹性地基上的小性地基上的小挠度薄板理度薄板理论n水泥混凝土路面破坏的力学分析水泥混凝土路面破坏的力学分析n荷荷载的疲的疲劳应力力n温度温度翘曲曲应力力n不均匀的基不均匀的基础变形使板底脱空而形使板底脱空而产生生过大的弯拉大的弯拉应力力n水泥路面的破坏型式：断裂、水泥路面的破坏型式：断裂、唧泥、泥、错台、拱起、接台、拱起、接缝挤碎等碎等n设计要求：荷要求：荷载疲疲劳应力温度力温度翘曲曲应力不超力不超过混凝土混凝土的抗弯拉的抗弯拉强度即度即32024/4/7 周日水泥混凝土路面水泥混凝土路面设计内容内容n路面路面结构构层组合合设计n混凝土面板厚度混凝土面板厚度设计n混凝土面板的平面尺寸与接混凝土面板的平面尺寸与接缝设计n路肩路肩设计n路面排水路面排水设计n普通混凝土路面的普通混凝土路面的钢筋配筋率筋配筋率设计42024/4/7 周日第二第二节 弹性地基板体系理性地基板体系理论概述概述1.小小挠度度弹性薄板的基本假性薄板的基本假设n薄板全厚度范薄板全厚度范围内的所有各点具有相同的内的所有各点具有相同的竖向向位移。位移。n板内无横向剪切板内无横向剪切应变。n中性面上各点无平行于中面的位移。中性面上各点无平行于中面的位移。n在在变形形过程中，板与地基的接触面始程中，板与地基的接触面始终吻合，吻合，即板面与地基表面的即板面与地基表面的竖向位移是相同的。向位移是相同的。n在板与地基的两接触面之在板与地基的两接触面之间没有摩阻力（可以没有摩阻力（可以自由滑自由滑动），即接触面上的剪），即接触面上的剪应力力视为零。零。52024/4/7 周日2.板板挠曲面微分方程曲面微分方程62024/4/7 周日板板挠曲面微分方程曲面微分方程n由力的平衡方程得：由力的平衡方程得：P板表面竖向荷载板表面竖向荷载q地基对板底面竖向反力地基对板底面竖向反力72024/4/7 周日 1.1.精力充沛，能从容不迫地精力充沛，能从容不迫地应付日常生活和工作；付日常生活和工作；2.2.处事事乐观，态度度积极，极，乐于承担任于承担任务，不挑剔；，不挑剔；3.3.善于休息，睡眠良好；善于休息，睡眠良好；4.4.应变能力能力强，能适，能适应各种各种环境的境的变化；化；5.5.对一般感冒和一般感冒和传染病有一定抵抗力；染病有一定抵抗力；6.6.体重适当，体体重适当，体态匀称，匀称，头、臂、臀比例、臂、臀比例协调；7.7.眼睛明亮，反映敏眼睛明亮，反映敏锐，眼，眼睑不不发炎；炎；8.8.牙牙齿清清洁，无缺，无缺损，无疼痛，牙，无疼痛，牙龈颜色正常，无出血；色正常，无出血；9.9.头发光光洁，无，无头屑；屑；10.10.肌肉、皮肤富肌肉、皮肤富弹性，走路性，走路轻松。松。82024/4/7 周日 具体可用具体可用“五快五快”(肌体健康肌体健康)和和“三良好三良好”(精精神健康神健康)来衡量。来衡量。“五快五快”：1 1、吃得快：、吃得快：进餐餐时，有良好的食欲，不挑剔食物，有良好的食欲，不挑剔食物，并能很快吃完一并能很快吃完一顿饭。2 2、便得快：一旦有便意，能很快排泄完大小便，而、便得快：一旦有便意，能很快排泄完大小便，而且感且感觉良好。良好。3 3、睡得快：上床后能很快入睡，且醒后、睡得快：上床后能很快入睡，且醒后头脑清醒，清醒，精神精神饱满。4 4、说得快：思得快：思维敏捷，口敏捷，口齿伶俐。伶俐。5 5、走得快：行走自如，步履、走得快：行走自如，步履轻盈。盈。92024/4/7 周日板中心板中心挠曲面微分方程求解曲面微分方程求解由上式由上式p、q、w、D知，知，P、D已知，如求得已知，如求得 的关系的关系，则可求出可求出W.进而可求出板而可求出板应力力 102024/4/7 周日n两种地基模型：两种地基模型：n文克勒地基模型文克勒地基模型q(x,y)=kW(x,y)n弹性半空性半空间地基模型地基模型 q(x,y)=fW(x,y)112024/4/7 周日板内板内应力求解力求解122024/4/7 周日第三第三节 水泥混凝土路面荷水泥混凝土路面荷载应力分析力分析1文克勒地基板的荷文克勒地基板的荷载应力分析无限大板力分析无限大板n文克勒地基模型文克勒地基模型q(x,y)=kW(x,y)n威斯特卡德威斯特卡德(H.M.S.Westergaard)求出三种荷位下无限求出三种荷位下无限大板的大板的挠度、弯矩和板底的最大弯拉度、弯矩和板底的最大弯拉应力力132024/4/7 周日第三第三节 水泥混凝土路面荷水泥混凝土路面荷载应力分析力分析2弹性半空性半空间体地基板的荷体地基板的荷载应力分析力分析n弹性半空性半空间体地基体地基q(x,y)=fW(x,y)n无限大板解析解无限大板解析解n有限尺寸矩形板有限尺寸矩形板n无解析解无解析解n可得到有限元解可得到有限元解142024/4/7 周日第四第四节 水泥混凝土路面温度水泥混凝土路面温度应力分析力分析1.胀缩应力力 混凝土面板混凝土面板设接接缝划分划分为有限尺寸板后，有限尺寸板后，因收因收缩而而产生的生的应力很小，可不予考力很小，可不予考虑。2.翘曲曲应力力n气温升降，板气温升降，板顶和板底和板底产生温差，使板生温差，使板产生生翘曲曲变形。形。n翘曲曲应力公式（式力公式（式1637、式、式1638）气温升高时气温升高时气温降低时气温降低时152024/4/7 周日第五第五节 水泥混凝土路面板厚水泥混凝土路面板厚设计方法方法1设计依据依据结构可靠度构可靠度设计方法方法1.可靠度可靠度设计标准准公路等级公路等级高速高速一级一级二级二级三、四级三、四级安全等级安全等级一级一级二级二级三级三级四级四级设计基准期设计基准期30年年30年年20年年20年年目标可靠指标目标可靠指标1.641.281.040.84目标可靠度目标可靠度95%90%85%80%变异水平等级变异水平等级低低低低-中中中中中中-高高162024/4/7 周日2.变异系数范异系数范围变异水平等级变异水平等级低低中中高高混凝土弯拉强度、混凝土弯拉强度、弯拉弹性模量弯拉弹性模量0.050.100.100.15 0.150.20基层顶面当量模基层顶面当量模量量0.150.250.250.35 0.350.55面层厚度面层厚度0.020.040.040.06 0.060.08172024/4/7 周日3.可靠度可靠度设计表达式表达式n水泥混凝土路面水泥混凝土路面结构构设计以行以行车荷荷载和温度梯度和温度梯度综合作用合作用产生的疲生的疲劳断裂作断裂作为设计的极限状的极限状态，其表达式其表达式为：式中：式中：可靠度系数，依所选目标可靠度及变异水平等级确定；可靠度系数，依所选目标可靠度及变异水平等级确定；行车荷载疲劳应力（行车荷载疲劳应力（MPa)，计算方法见后；，计算方法见后；温度梯度疲劳应力（温度梯度疲劳应力（MPa),计算方法见后；计算方法见后；水泥混凝土弯拉强度标准值水泥混凝土弯拉强度标准值(MPa).182024/4/7 周日可靠度系数可靠度系数变异变异水平水平等级等级目标可靠度目标可靠度(%)(%)95908580低低1.201.331.091.16 1.041.08-中中1.331.501.161.23 1.081.13 1.041.07高高-1.231.33 1.131.181.071.11192024/4/7 周日混凝土弯拉混凝土弯拉强度度标准准值n水泥混凝土的水泥混凝土的强度以度以28天天龄期的弯拉期的弯拉强度控制。当混凝度控制。当混凝土土浇筑后筑后90天内不开放交通天内不开放交通时，可采用，可采用90天天龄期的弯拉期的弯拉强度。各交通等度。各交通等级要求的混凝土弯拉要求的混凝土弯拉强度度标准准值不得低不得低于下表的于下表的规定：定：交通等级交通等级特重特重重重中等中等轻轻水泥混凝土的弯拉强度标准值水泥混凝土的弯拉强度标准值(MPa)5.05.04.54.0钢纤维混凝土的弯拉强度标准值钢纤维混凝土的弯拉强度标准值(MPa)6.06.05.55.0202024/4/7 周日二、二、设计参数参数1.标准准轴载：100KN的的单轴双双轮组荷荷载2.轴载换算：不同算：不同轴轮型和型和轴载的作用次数按下的作用次数按下式式换算算为标准准轴载的作用次数的作用次数(P436式式16-1)：3.交通分交通分级交通等级交通等级特重特重重重中等中等轻轻设计车道标准设计车道标准累计作用轴次累计作用轴次Ne(104)20001002000 31007m0.340.39行车道宽行车道宽7m0.540.62242024/4/7 周日5.水泥混凝土面水泥混凝土面层厚度的参考范厚度的参考范围交通等级交通等级特重特重重重公路等级公路等级高速高速一级一级二二级级高速高速一级一级二二级级变异水平等级变异水平等级低低中中低低中中低低中中低低中中面层厚度面层厚度(mm)260250240240270230260220250交通等级交通等级中等中等轻轻公路等级公路等级二级二级三、四级三、四级三、四级三、四级三、四级三、四级变异水平等级变异水平等级高高中中高高中中高高中中面层厚度面层厚度(mm)240210230220220200230220252024/4/7 周日三、混凝土板荷三、混凝土板荷载疲疲劳应力分析力分析1.临界荷位：界荷位：选取混凝土板的取混凝土板的纵向向边缘中部中部作作为产生最大荷生最大荷载和温度梯度和温度梯度综合疲合疲劳损坏的坏的临界荷位。界荷位。纵纵缝缝262024/4/7 周日2.标准准轴载 在在临界荷位界荷位处产生的荷生的荷载疲疲劳应力力标准轴载标准轴载Ps在四边自由板的临界荷位在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力（处产生的荷载应力（MPa）考虑接缝传荷能力的应力折减系数考虑接缝传荷能力的应力折减系数考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作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用的疲劳应力系数考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数影响的综合系数标准轴载标准轴载Ps在临界荷位处产生的荷载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力（疲劳应力（MPa）272024/4/7 周日四、温度疲四、温度疲劳应力分析力分析n在在临界荷位界荷位处的温度疲的温度疲劳应力：力：最大温度梯度时混凝土板的最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力（温度翘曲应力（MPaMPa）考虑温度应力累计疲劳作用考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力系数的疲劳应力系数282024/4/7 周日五、混凝土板厚度五、混凝土板厚度计算流程算流程1.路面路面结构构组合合设计 根据相关的根据相关的设计依据，依据，进行行行行车道路面道路面结构的构的组合合设计，即初，即初拟路面路面结构，包括路床、构，包括路床、垫层、基、基层和面和面层的的材料材料类型和厚度。型和厚度。2.初初选混凝土路面混凝土路面层厚度厚度 按混凝土面按混凝土面层厚度建厚度建议范范围，依据交通等，依据交通等级、公路等、公路等级和所和所选变异水平等异水平等级初初选混凝土板厚。混凝土板厚。3.计算荷算荷载疲疲劳应力和温度疲力和温度疲劳应力。力。4.当当 时，则初初选厚度可作厚度可作为混凝土的混凝土的计算板厚。否算板厚。否则，应改改选混凝土板厚，重新混凝土板厚，重新计算，直到算，直到满足上式要求。足上式要求。设计厚厚度依度依计算厚度按算厚度按10mm向上取整。向上取整。292024/4/7 周日n ENDn