水泥混凝土路面设计参数有用.docx

1、水泥混凝土路面设计参数有用1、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；3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；4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；5荷载重复作用，温度梯度反复变化，混凝土板出现疲劳破坏。（2） 水泥混凝土路面的力学模式1弹性地基上的小挠度薄板模型；2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；3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

2、例极限应力，挠度与板厚相比很小4水泥混凝土路面设计理论：弹性地基上的小挠度薄板理论。（3） 水泥混凝土路面的工作及设计特点1抗弯拉强度低于抗压强度，决定路面板厚度的强度设计指标是抗弯拉强度；2车轮荷载作用主要的影响是疲劳效应；3温度差造成板有内应力，出现翘曲变形及翘曲应力，也有疲劳特性；4板的使用还受限于支承条件，不均匀支承及板底脱空对板内应力的分布影响极大。2、水泥路面的主要破坏类型与设计标准（1）水泥路面的主要破坏类型1断裂2唧泥3错台4拱起5接缝挤碎(2)水泥路面的荷载作用重载作用(3)水泥路面的设计标准1结构承载能力控制板不岀现断裂，要求荷载应力与温度应力的疲劳综合作用满足材料的设计抗

3、拉强度，即:2行驶舒适性控制错台量，要求设置传力杆(基层及结构布置满足)3稳定耐久性控制唧泥与拱胀，要求基层水稳定性好，板与基层联结。3、水泥路面结构设计的主要内容(1 )路面结构层组合设计；(2)混凝土路面板厚度设计;(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4、水泥路面的轴载换算与交通分级(1)水泥路面的标准轴载及轴载换算障111皿丿直;(2)水泥路面的交通等级划分及设计基准期交通等级交通等级特重重中等轻设计车道标准轴载累计作用次数( 10, 000)2000100-20003-1003可靠度设计标准公路技术等级高速公路一级公路二级公路三、四级公

4、路安全等级一级二级三级四级设计基准期30302020目标可靠度(%)95908580目标可靠指标1.641.281.040.84变异水平等级低低冲中中-高第二节水泥路面弹性地基板理论1、小挠度弹性薄板假设薄板：板厚度 h远小于板中面的最小边尺寸 b(如b/8 b/5)的板称为薄板;中面：平分板厚度 h的平面;弹性曲面：薄板弯曲时，中面所弯成的曲面;挠度：中面内各点在横向的 （即垂直于中面方向的）位移；小挠度弹性薄板：当板弯曲时因具有相当的弯曲刚度，中间弹性曲面所产生的挠度远小于板厚度的弹性薄 板即称为小挠度弹性薄板；小挠度弹性薄板的基本假设：研究弹性地基上无限大板时，以弹性薄板小挠度问题为力学

5、模型描述板体，在弹性力学理论中，对此有以 下三点假设：（1 ）中面的法线上各点形变分量极其微小，可以忽略不计；（2） 中面的法线在板弯曲前后保持直线且垂直于中面，即： Y zx= Y zy =0（3） 中面上各点无平行于中面的位移，即：（ U） z=0= （ V） z=0 =02、三点假设的结论假设（1）：垂直于中面方向形变分量极其微小，可以略去不计；即：中面的任意一根法线上，薄板全厚度内的所有点均具有相同的挠度。即心.：|假设（2）：垂直于中面的法线，在弯曲变形前后均保持直线，并垂直于中面，无横向剪切应变;假设（3）：薄板中面内的各点都没有平行于中面的位移3、板与地基接触的假设（1 ）完全接

6、触假设：始终接触吻合，且可自由滑动（是在刚度差异大、板平面变形微小情况下的近似），即接触面不脱空且剪应力视为零。（2）没有摩擦假设：板和地基之间没有摩擦，可以自由活动。4、地基模型假定(1 )弹性半空间地基假定;(2)文克勒地基假设。5、弹性曲面的微分方程(1)几何方程:护22(2)物理方程：(用挠度表示)時2w 8昵一6尹討护匝e声 a2w“一 1十/隔(3 )平衡微分方程:册盘_ _ X 翫盘矢w 3d筌_矢刚=死近 刃垃& i?z 6 y盪?8 日x(4)薄板截面上的弯矩、扭矩和剪力rhJ2(护宙护w)护w3%My = 宙碍出=玄+认-D卜z i丿 1-1/3 J1”撑)Mn押J护VV址

7、f込必=一1一/?1 傩护w+“一r 肃 护丿泊 ? E沪J至血 2 1 +“禺砂也；2 = =5 J旧w 阪M匚 d(5)砼路面薄板的弹性曲面微分方程oy 护叭兀刃一况兀刃血龙写岀z方向的力的平衡方程，简化以后，略去微量，得到:第三节水泥路面的应力分析i、文克勒地基板荷载应力分析(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K地基、弹簧地基。地基相当于由互不相联系的弹簧组成，它因首先由捷克工程师文克勒提岀而得名，也称为(2)三个车轮荷位(3)最大弯拉应力位置1荷载中心处板底；2荷位下板底；3板表面距板角点 x1的分角线上(4)威

8、斯特卡德早期应力计算公式I p p严1板中荷位:R0.5h时，用当量计算半径 b当荷载圆半径较小，与板厚相差不大时，板受力接近厚板，需修正，即:代替R， J史十卅- Wk板边荷位：今21側 + 0*)他”0.08975)?% 冷1 + 0如召板角荷位：口学啊知=叮帝耳二屈:叫二(1.1-0亞寻恰(5)威斯特卡德公式的试验修正公式1角隅修正威氏公式是理论推导得来的，与实际情况有岀入。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;板底脱空时，实测比计算大30%50%需修正，Kelly提出板角修正式： f ”2板边修正Kelly 修正式:板与地

9、基保持接触时，不修正；而与地基脱空时,=216(1 + 0必4/M =-DUf- JLA . Lc-w(r)rdr2 r dr Jr dr dr轴对称条件下的径向、切向弯矩表达式:2荷载在板中时，圆形均布荷载下，板在单位宽度内产生的最大弯矩:3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:点：二卑门；（3） 多轮荷载作用下板的应力计算工嗽=如+心以肿0 + M疗曲E +込； 乞 二（姙口 + 加口 + 汀ix? 0 + MJ 0 + M两）| ；（4） 弹性半空间地基有限尺寸板1弹性半空间地基有限尺寸板，荷载作用在板边、板角时（上述计算荷载在板中，且认为板尺寸远大于 荷载尺

10、寸）；2弹性地基上有限尺寸板的解答；3规范中设计方法给出的计算诺模图采用了有限元计算方法，有限元计算方法是一种数值方法。3、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1可以按板块的实际大小求解有限尺寸板，从而消除无限大半的假设所带来的误差2可以考虑各种荷载状况(包括荷载组合和荷载位置)；3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。4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。(2)水泥混凝土路面荷载应力的有限元分析结果4、弹性地基双层板的荷载应力分析(1)上下层完全分离(2)上下层完全结合12 125、水泥混凝土路面的温度应力分析(1

11、)胀缩应力：温度均匀变化时产生(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， x=y=O,因此:板纵向边缘中部或窄长板， x= 0 ,b y=0,因此：(3)有限尺寸板的翘曲应力当气温变化较快时，由于混凝土板导热性能差，在板内产生温度差，当气温升高时板中部有隆起趋势，当 气温降低时板边缘和角隅有翘起趋势。由于板的自重、地基反力和相邻板的约束作用，使部分翘曲变形受阻，从 而使板内产生应力，这种应力即称为水泥混凝土板的翘曲应力。2) 板与地威斯特卡德对文克勒地基的作进一步假定来计算温度应力： 1)温度沿板断面呈线性变化;基始终保持接触； 3

12、)不计板自重。(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:其中:或2cos4 Asin 2九+smh 2A计算- 时,计算：时,（5）温度非线性分布时翘曲应力计算对于较厚的板，采用温度沿板断面呈直线分布的假设，即按板顶和板底的温度差确定的温度梯度计算的温度翘曲应力，会得到偏大的温度翘曲应力值。为此，应考虑由于温度的非线性分布而引起的内应力。我国规范的温度应力计算：第四节路面结构的可靠度1、结构的极限状态此特定状态称为该功能整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求,的极限状态2、结构的极限状态分类（1 ）承载力极限状态：结构或结

13、构构件达到最大承载力，岀现疲劳破坏或不适于继续承载的变形。（2）正常使用极限状态：结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。3、结构可靠性的含义成预定功能的能力。其功能要求为：（1）安全性；（2）适用性；（3 ）耐久性。当结构或构件超过承载能力极限状态，就可能产生以下后果：（ 1 ）由于材料强度不够而破坏，或因疲劳而破坏；（2 ）产生过大的塑性变形而不能继续承载，结构或构件丧失稳定；（ 3）结构转变为机动体系。超过这一极限状态，结构或其构件就不能满足其预定的安全性要求。结构的功能要求：（1 ）安全性：结构应能承受在正常施工和正常使用的情况下可能岀现的各种作用，在设计规定的偶然事件发生

14、时及发生后，结构仍能保持 必需的整体稳定性，不致发生倒塌。（2） 适用性：结构在正常使用期间应具有良好的工作性能。如，不发生过大变形、振幅、过宽裂缝等，以免影响正常使用。（3） 耐久性：结构在正常使用和正常维护条件下应具有足够的耐久性能，以保证结构能够正常使用到预定的设计使用期限。4、正态分布概率密度曲线有三个数字特征（1）平均值（2）标准差1-1（3）变异系数（4）正态分布的概念正态分布的概率密度函数:越大，曲线越扁平，随机变量分布越分散。5、结构上的“作用”（1）直接作用：是指直接以力的不同集结形式（集中力或均布力）施加在结构上的作用，通常也称为荷载。（2 ）间接作用：是指能够引起结构外加

15、变形和约束变形，从而产生内力效应的各种原因荷载的分类（随时间的变异性分类）永久荷载（恒荷载）：在结构设计基准期内，其作用量值不随时间变化，或其变化幅度与平均值相比可以 忽略不计的荷载。可变荷载（活荷载）：在结构设计基准期内，其作用量值随时间而变化，其变化幅度与平均值相比不可忽 略不计的荷载 。偶然荷载：在结构设计基准期内不一定岀现，而一旦岀现其量值很大且持续时间很短的荷载。6、作用与作用效应的不确定性恒载：材料密度变化，施工偏差引起构件尺寸变化活载：大小和位置均变化（超载、减载）。7、结构抗力的不确定性(1 )结构材料性能的变异性，是影响结构抗力的主要因素;(2)结构构件的几何参数的变异性；(

16、3)结构构件抗力计算模式的不确定性8、结构可靠性(1 )引入结构的功能函数： _ T；(2)目标可靠指标(object )用表示，为使结构设计安全可靠，经济合理，应对不同情况下的可靠指标作一规定，来作为设计的依据 。9、可靠度的几何解释和计算方法(1 )两个正态变量 R和S的标准差相等，则为平均值点到失效边界上的最短距离。(2)当极限状态方程中包含多个正态分布随机变量 时，根据由两个随机变量情形得岀的定义，此时求得可靠度指标是新坐标体系中原点到极限状态曲面的法线距离。(3)计算方法： Monte - Carle 法、一次二阶矩法、 JC法等。10、水泥混凝土路面可靠度的定义定义：在规定的设计使

17、用年限内，在环境条件和荷载作用下，路面能够发挥其预期功能的概率。我国水泥混凝土路面设计方法： 路面板的车辆荷载疲劳应力及温度疲劳应力之和小于混凝土的极限抗折强度。公式左边三项分别代表：可靠度系数、荷载疲劳应力和温度疲劳应力；右边是水泥混凝土面板材料的极限抗折强度。11、水泥混凝土路面可靠度的概念:路面结构的疲劳寿命，可采用双参数的威布尔分布，其关系如下式：仁设计年限内累计当量标准轴载，可采用对数正态分布，其标准差和变异系数,电二叭巩仏工號）；恥只（斤-刃j +%）工0）第五节水泥路面的设计参数1、设计基准期、目标可靠度和目标可靠度指标可靠度设计标准公路技术等级高速公路一级公路二级公路三、四级公

18、路安全等级一级二级三级四级设计基准期30302020目标可靠度（%95908580目标可靠指标1.641.281.040.84变异水平等级低低-中中中-高2、材料参数与结构参数的变异性范围变异系数的变化范围变异水平等级低中高水泥混凝土弯拉强度、弯拉弹性模量 0.100.10Cv 0.150.15Cv 0.20基层顶面当量回弹模量 0.250.25CvW 0.350.35Cv 0.55水泥混凝土面层厚度 0.04 0.04CvW 0.060.06Cv2000100-20003-1002.00中湿路基低、中、咼液限粘土0.30-0.500.40-0.600.50-0.700.60-0.95粉土，粉

19、质低、中液限粘土0.40-0.600.50-0.700.60-0.850.70-0.11潮湿路基低、中、咼液限粘土0.40-0.600.50-0.700.60-0.900.75-1.20粉土，粉质低、中液限粘土0.45-0.700.55-0.800.70-1.000.80-1.307、温度梯度最大温度梯度标准值Tg公路自然区划nvVD最大温度梯度（摄氏度 /m）83-8890-9586-9293-98第六节水泥路面结构组合设计1、水泥混凝土板(1)面板要求面板要求面层类型适用条件普通混凝土面层各级公路连续配筋混凝土面层高速公路沥青上面层与连续配筋混凝土或横缝设传力杆的普通混凝土下面层组成的复合

20、式路面特重交通的高速公路碾压混凝土面层二级及二级以下公路、服务区停车场钢纤维混凝土面层标高受限路段、收费站、混凝土加铺层和桥面铺装矩形或异形混凝土预制块面层服务区停车场、二级及以下公路桥头引道沉降未稳定段(2)厚度要求水泥混凝土面层厚度的参考范围交通等级特重重公路等级高速一级二级高速一级二级变异水平等级低中低中低中低中面层厚度(mm) 260 25() 240270-240260-230250-220交通等级中等轻公路等级二级三、四级三、四级三、四级变异水平等级高中高中高中面层厚度(mm)240-210230-200220-200 230 60 75 0.75设拉杆平口纵缝35-550.80-

21、0.91设拉杆企口纵缝77-820.72-0.74考虑轴载累计作用次数的疲劳应力系数标准轴载在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力b严=O.O77r02r = 0,537 h综合系数 kc综合系数kc公路等级高速公路一级公路二级公路三、四级公路kc1.301.251.201.103、基层顶面当量回弹模量和计算回弹模量（1）新建公路：规范中采用三层体系，按等弯曲刚度原则换算回弹模量和厚度将基层和底基层（或垫层）换算为单层，公式为：（2）旧路加铺：原有沥青路面加铺水泥混凝土路面时13739J1.04（3）路基和结构层参数垫层和基层材料回弹模量经验参考值范围材料类型回弹模量（Mpa）材料类型回弹模量

22、（Mpa）中、粗砂80-100石灰粉煤灰稳定粒料1300-1700天然砂砾150-200水泥稳定粒料1300-1700未筛分碎石180-220沥青碎石（粗粒式， 20摄氏度）600-800级配碎石层（垫层）200-250沥青混凝土（粗粒式，20摄氏度）800-1200级配碎石层（基层）250-350沥青混凝土（中粒式，20摄氏度）1000-1400石灰土200-700多空隙水泥碎石（水泥剂量 9.5%-11%）1300-1700石灰粉煤灰土多空隙水泥碎石(20摄氏度，沥青含量600-800600-9002.5%-3.5% )4、温度疲劳应力临界荷位处的温度应力:斤 现应丛耳&6 匕； _ *5、 设计标准6、 设计示例公路自然区划u区拟新建一条二级公路，路基为粘质土，采用普通混凝土路面，路面宽 9m经交通调查得知，设计车道使用初期标准轴载日作用次