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1、辽宁交通高等专科学校,水泥混凝土路面特点,辽宁交通高等专科学校,水泥混凝土路面类型水泥混凝土路面特点,辽宁交通高等专科学校,水泥混凝土路面类型,素混凝土钢筋混凝土连续配筋混凝土预应力混凝土装配式混凝土钢纤维混凝土,加图片,辽宁交通高等专科学校,水泥混凝土路面特点,刚度大、强度高、板体性好稳定性好耐久性好抗侵蚀能力强养护费用少 抗滑性能好 有利于夜间行车 接缝多 对超载敏感 不能立即开放交通 修复困难 噪声大,优点,缺点,辽宁交通高等专科学校,1.1.2 水泥混凝土路面施工图组成,公路施工图亦称公路设计文件。高等级公路的设计文件一般由专业的公路勘测设计部门负责设计。根据有关规定，高等级公路设计文
2、件大致包括如下内容：,一、设计说明书二、工程数量表三、公路分项、分部施工图,辽宁交通高等专科学校,一、设计说明书,工程概况设计概要 平面设计 纵断面设计 横断面设计 路面结构设计 排水系统设计 环境保护设计 施工注意事项,二、工程数量表,垫层材料用量基层材料用量水泥混凝土用量钢筋用量,三、施工图,路面结构图配筋图附属结构图,加图片,辽宁交通高等专科学校,水泥混凝土路面构造分析,1.2.1 土基和基层,1.2.2 水泥混凝土路面板,1.2.3水泥混凝土路面接缝的构造与布置,1,2,3,辽宁交通高等专科学校,对土基的要求：混凝土路面下的路基必须密实、稳定和均匀。路基一 般要求处于干燥或中湿状况。造
3、成路基不均匀支撑的的因素：不均匀沉陷；不均匀冻胀；膨胀土 控制土基不均匀支撑的措施：把不均匀的土掺配成均匀的土；控制压实时的含水量接近于最佳含水量，并保证压实度达到要求；加强路基排水设施，对于湿软地基，则应采取加固措施；加设垫层，以缓和可能产生的不均匀变形对面层的不利影响。,1.2.1 土基和基层,辽宁交通高等专科学校,对基层的要求：基层应具有足够的强度和稳定性，且断面正确，表面平整。基层材料的技术要求必须符合公路路面基层施工技术规范（JTJ034一2000）的要求。,面层下设置基层的目的：,防唧泥 防冰冻 减小路基顶面的压应力，并缓和路基不均匀变 形对面层的影响 防水 为面层施工（如立侧模，
4、运送混凝土混合料等）提供方便 提高路面结构的承载能力，延长路面的使用寿命,辽宁交通高等专科学校,图122 混凝土路面横断面（尺寸单位：mm）,混凝土面板应保证表面平整、耐磨、抗滑,厚边式b)：面层板的横断面应采用中间薄两边厚的型式,等厚式断面 a),1.2.2 水泥混凝土路面板,辽宁交通高等专科学校,混凝土板设置接缝,混凝土由于温度坡差引起的变形以及由于均匀温度下降使板的开裂c）,图124 路面接设置1横缝 2纵缝,1.2.3水泥混凝土路面接缝的构造与布置,辽宁交通高等专科学校,横缝：胀缝的构造 缩缝的构造 施工缝的构造,a)假缝型缩缝；b)加传力杆的假缝型缩缝；c)加传力杆的胀缝；d)与建筑
5、物相连的胀缝；e)有拉杆的平头纵缝；f)企口型纵缝；g)加传力杆的企口型纵缝；h)加传力杆的工作缝,辽宁交通高等专科学校,纵缝：纵缝是指平行于混凝土路面行车方向的那些接缝。纵缝间距一般按34.5m设置；,纵缩缝的构造,纵横缝的布置：纵缝与横缝一般作成垂直正交，使混凝土板具有90的角隅。纵缝两旁的横缝一般成一条直线。,辽宁交通高等专科学校,水泥混凝土路面设计,1.3.1水泥混凝土路面设计理论,1.3.2 水泥混凝土路面设计内容,1.3.3 水泥混凝土路面设计参数,1.3.4水泥混凝土路面板厚度计算流程,1,2,3,4,辽宁交通高等专科学校,1.3.1水泥混凝土路面设计理论,混凝土路面在经受到车轮
6、荷载重复作用的同时，还经受大气温度周期性变化的影响。因此，混凝土路面板的疲劳破坏不仅与荷载重复次数有关，而且与温度周期性变化产生的温度翘曲应力重复作用有关。因此，路面板防止两种因素综合作用产生的疲劳开裂，必须使荷载疲劳应力()与温度疲劳翘曲应力()之和不超过混凝土的抗弯拉强度（），即：,辽宁交通高等专科学校,1.3.2 水泥混凝土路面设计内容,1、路面结构层组合设计,2、混凝土面板厚度设计,3、混凝土面板的平面尺寸与接缝设计,4、路肩设计,5、普通混凝土路面的钢筋配筋率设计,辽宁交通高等专科学校,一、路面结构层组合设计1、路基,路基压实度应符合公路路基设计规范（JTJD302004）的要求。,
7、路基应稳定、密实、均质，对路面结 构提供均匀的支承。,辽宁交通高等专科学校,遇有下述情况时，需在基层下设置垫层：季节性冰冻地区，路面总厚度小于最小防冻厚度要 求时其差值应以垫层厚度补足；水文地质条件不良的土质路堑，路床土湿度较大时；路基可能产生不均匀沉降或不均匀变形时；垫层的宽度应与路基同宽，其最小厚度为150mm。防冻垫层和排水垫层宜采用砂、砂砾等颗粒材料。半刚性垫层可用低剂量无机结合料稳定粒料或土。,2、垫层,辽宁交通高等专科学校,辽宁交通高等专科学校,基层应具有足够的抗冲刷能力和一定的刚度。基层类型宜依照交通等级选用。混凝土预制块面层应采用水泥稳定粒料基层。,3、基层,辽宁交通高等专科学
8、校,基层的宽度应比混凝土面层每侧至少宽出300mm（采用小型机具施工时）或500mm（轨模式摊铺机施工时）或650mm（滑模式摊铺机施工时）。路肩采用混凝土面层，其厚度与行车道面层相同时，基层宽度宜与路基同宽。级配粒料基层的宽度也宜与路基同宽。,排水基层下应设置由水泥稳定粒料或者密级配粒料组成的不透水底基层，厚度一般为200mm。底基层顶面宜铺设沥青封层或防水土工织物。,辽宁交通高等专科学校,水泥混凝土面层应具有足够的强度、耐久性，表面抗滑、耐磨、平整。面层一般采用设接缝的普通混凝土。,其纵向和横向接缝应垂直相交，纵缝两侧的横缝不得相互错位。纵向接缝的间距按路面宽度在3.04.5m范围内确定。
9、普通混凝土面层一般为46m，面层板的长宽比不宜超过 1.30，平面尺寸不宜大于25m2；碾压混凝土或钢纤维混凝土面层一般为610m；钢筋混凝土面层一般为615m。,4、面层,辽宁交通高等专科学校,水泥混凝土面层厚度的参考范围,辽宁交通高等专科学校,各级公路水泥混凝土面层的表面构造深度（mm）要求,注：特殊路段对于高速公路和一级公路系指立交、平交或变速车道等 处，对于其他等级公路系指急弯、陡坡、交叉口或集镇附近；年降雨量600mm以下的地区，表列数值可适当降低。,辽宁交通高等专科学校,5、路肩 路肩铺面结构应具有一定的承载能力，其结构层组合和材料选用应与行车道路面相协调，并保证进入路面结构中的水
10、的排除。路肩水泥混凝土面层的厚度通常采用与行车道面层等厚，其基层宜与行车道基层相同。选用薄面层时，其厚度不宜小于150mm，基层应采用开级配粒料。,路肩铺面的横向坡度值宜比行车道路面的横坡值大12。行车道路面结构设置排水基层或垫层时，应在排水基层或垫层外侧边缘设置纵向集水沟和带孔集水管，并间隔50100m设置横向排水管。,辽宁交通高等专科学校,二、接缝设计1、纵向接缝次铺筑宽度小于路面宽度时，应设置纵向施工缝。纵向施工缝采用平缝形式构造；次铺筑宽度大于4.5m时，应设置纵向缩缝。纵向缩缝采用假缝形式。,辽宁交通高等专科学校,纵缝应与路线中线平行。在路面等宽的路段内或路面变宽路段的等宽部分，纵缝
11、的间距和形式应保持一致。路面变宽段的加宽部分与等宽部分之间，以纵向施工缝隔开。加宽板在变宽段起终点处的宽度不应小于lm。,辽宁交通高等专科学校,拉杆应采用螺纹钢筋，设在板厚中央。施工布设时，拉杆间距应按横向接缝的实际位置予以调整，最外侧的拉杆距横向接缝的距离不得小于l00mm。,辽宁交通高等专科学校,2、横向接缝,横向施工缝:其位置应尽可能选在缩缝或胀缝处。缩缝: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1/51/4，宽度为38mm，槽内填塞填缝料。a)假缝型缩缝；b)加传力杆的假缝型缩缝；,辽宁交通高等专科学校,胀缝:在临近桥梁或其它固定构造物处或与其他道路
12、相交处应设置横向胀缝。设置的胀缝条数，视膨胀量大小而定。低温浇筑混凝土面层或选用膨胀性高的集料时，宜酌情确定是否设置胀缝。胀缝宽20mm，缝内设置填缝板和可滑动的传力杆。,传力杆应采用光面钢筋。最外侧传力杆距纵向接缝或自由边的距离为150250mm。,辽宁交通高等专科学校,1.3.3 水泥混凝土路面设计参数,一、交通参数,1标准轴载,辽宁交通高等专科学校,通过交通量观测或收集当地交通量观测站资料得到道路的初期年平均日交通量(双向)和车辆组成数据，剔除2轴4轮以下客、货车交通量，得到初期年平均日货车交通量(双向)。使用初期年平均日交通量(双向)乘以方向分配系数和车道分配系数，就得到设计车道的年平
13、均日货车交通量(ADTT)。,3交通分级,车道分配系数,辽宁交通高等专科学校,设计车道年平均日货车交通量（ADTT）轴载换算后的标准轴载作用次数，在设计基准期内将以一定的年平均增长率递增。以设计期内的标准轴载累计作用次数 作为交通分级的标准。交通等级有：特重、重、中等和轻等四种：,交 通 分 级,辽宁交通高等专科学校,4交通量增长率和设计使用年限 交通量的产生和增长与公路沿线的经济状况、生产布局、发展规划、运输系统结构，公路网密度等诸多因素密切相关。交通量增长率的变化范围较大，在525之间波动。,路面的设计使用年限为路面到达预定损坏标准时所能使用的年限。超过此年限，路面并非完全而不能使用，只是
14、其使用性能太差和运行费用过高。,水泥混凝土路面的设计使用年限,辽宁交通高等专科学校,5轮迹横向分布系数 路面横断面上各点所受到的轴载作用次数，仅为通过该断面轴载总数的一部分。对于路面横断面上某一宽度(例如轮迹宽度)范围内的频率，也即该宽度范围内所受到的车辆作用次数同通过该横断面的总作用次数的比值，称为轮迹横向分布系数。这一系数同各种轴载的累计作用次数相乘，可得到路面结构横断面上各点受到的疲劳作用次数。车辆轮迹横向分布频率随许多因素，例如路横断面、型式、路面或车道宽、交通组织管理方式、交通密度和组成、车速和司机驾驶习惯等而变化。,辽宁交通高等专科学校,我国公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D4
15、02002)规定的车轮轮迹横向分布系数如下表。,车轮轮迹横向分布系数,轮迹横向分布频率曲线的图形，基本上可划分为正态曲线形和驼峰形二类。路面上究竟出现那一类分布图形，主要取决于它的交通组织管理方式。,辽宁交通高等专科学校,6累计轴载作用次数与道路的通行能力 道路设计年限内的累计轴载作用次数与交通量增长率和设计使用年限等有关。当交通量已经处于饱和状态时，标准轴载或混合交通增长的可能性已很小，有时出现负增长。因此，在结构厚度设计时，不仅要考虑标准轴载作用次数，还要考虑小汽车的比例，即在确定累计标准轴载时，要根据小汽车的比例，将混合交通总数控制在道路通行能力范围内。,辽宁交通高等专科学校,我国公路水
16、泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)规定，设计基准期内，水泥混凝土面层临界荷位处承受的标准轴载累计作用次数按下式计算：,基本通行能力是指道路组成部分在理想的道路、交通、控制和环境条件下，该部分的一条车道或一车行道的均匀段上或一横断面上，不论服务水平如何，一小时所能通过标准车辆的最大值。,辽宁交通高等专科学校,二、基层设计参数1基层顶面的当量回弹模量 随着交通繁重程度的增加，对水泥混凝土面层下基层的刚度要求应逐渐增加，以限制板的弯沉量，从而减少卿泥和错台等病害。因此在公路水泥混凝土路面设计规范中按交通等级提出了基层顶面当量回弹模量 的最低要求。,基层顶面当量回弹模量 最低要求,辽宁交通
17、高等专科学校,综合各结构层的厚度和建议回弹模量值，得到基层顶面的当量回弹模量值。根据三层弹性体系程序直接计算，以及将路床以上的基层、底基层或垫层结构，依据等弯曲刚度的原则换算为回弹模量和厚度当量的单层结构,再按双层体系程序进行计算的结果相对照，建立了下列新建公路基层顶面回弹模量计算公式：,()新建公路的基层顶面模量值,辽宁交通高等专科学校,()新建公路的基层顶面模量值,辽宁交通高等专科学校,在原有路面上加铺水泥混凝土路面时，应通过承载扳试验或弯沉测定法确定原有路面顶面的当量回弹模量。如用汽车实测路段的回弹弯沉值 可按柔性路面旧路补强法中的计算法确定计算回弹弯沉值后，按下式转换成基层顶面的当量回
18、弹模量,(2)原有路面的顶面当量回弹模量值,辽宁交通高等专科学校,进行荷载应力分析时，考虑到水泥混凝土路面板下基础应力状况与柔性路面不同，需按下述经验关系式将当量回弹模量转换成计算回弹模量，以获得符合实际工作状况的计算应力：,(3)计算回弹模量,模量修正系数,相对刚度半径,辽宁交通高等专科学校,水泥混凝土面层的设计强度是以弯拉强度作为设计控制指标，在进行路面设计时，应取尺寸为15cm15cm55cm的水泥混凝土小粱试件通过三分点加载试验确定弯拉强度。并以其28d龄期的计算弯拉强度作为设计标准。计算弯拉强度 按下式计算：,三、水泥混凝土的设计强度与弯拉弹性模量,辽宁交通高等专科学校,计算弯拉强度
19、必须满足规范规定的弯拉强度标准的要求。同时，为保证路面具有较强的耐久性、耐磨性和抗冻性。混凝土的抗压强度对于高速公路、一级公路不应低于3035Mpa；对于双层式混凝土板的下层，不应低于2035MPa。混凝土路面施工时，应按水泥混凝土路面施工及验收规范按下式确定混凝土的试配抗压强度：,=(1.11.15),辽宁交通高等专科学校,四、荷载疲劳应力,1临界荷位的确定 选取使面层板内产生最大应力或最大疲劳损坏的一个荷裁位置作为应力计算时的临界荷位。由于现行设计方法采用疲劳断裂作为设计标准，应以产生最大疲劳损耗的荷载位置作为临界荷位。,辽宁交通高等专科学校,在考虑荷载应力和温度应力综合疲劳损耗的情况下，
20、除了纵缝为企口设拉杆和横缝为自由边的混凝土路面，其临界荷位应选在横缝边缘中部外，其他情况均应选取纵缝边缘中部作为临界荷位。,临界荷位,纵缝,依据上述分析，采用纵缝边缘中部作为应力计算时的临界荷位,辽宁交通高等专科学校,半无限地基上有限元法矩形板在板边缘中部受到轴载 作用的应力分析，可用有限元法按上述临界荷位，对不同轴载、板和地基参数进行大量计算分析，通过回归，荷载应力公式为：,2、荷载应力计算,辽宁交通高等专科学校,3接缝传荷能力 水泥混凝土路面设置各种接缝是为了消除温度、湿度改变所引起的不规则裂缝，以及防止温度变化所产生的损坏。但是从路面板承受荷载的能力来看，由于接缝的存在，则削弱了路面整体
21、性，因此路面板的整体承载能力必然有所降低。由此可见，提高和保持接缝的传荷能力，是提高路面板整体承载能力的关键。接缝的传荷能力，可用传荷系数表征。它以接缝两侧相邻板的弯沉(即挠度)与应力或荷载量的比值定义。,辽宁交通高等专科学校,影响接缝传荷能力的因素很多，包括接缝传荷机构、路面结构相对刚度、环境(温度)和轴载(大小及作用次数)等。表所列为依据试验数据提出的各类接缝的弯沉传荷系数建议范围。,辽宁交通高等专科学校,4荷载疲劳应力荷载疲劳应力 定义为：,：,考虑接缝传荷能力的应力折减系数，即应力传荷系数；,考虑轴载累计作用次数的疲劳应力系数；,考虑偏载和动荷载等因素对路面疲劳损坏综合影响的系数，随公
22、路等级而异。,辽宁交通高等专科学校,混凝土面板内的温度梯度经历着年变化和日变化，混凝土面板内温度梯度的日变化可近似地用半正弦曲线表征。通过测试分析可得到最大温度梯度同日太阳辐射热之间的变化规律，由此可以按各地的太阳辐射热年变化规律直接推演出温度梯皮的变化，并进而为不同的路面结构分析出相应的温度应力变化。,五、温度疲劳应力,辽宁交通高等专科学校,依据等效疲劳损耗的原则可以寻求温度疲劳应力值，它所产生的疲劳损耗量，与年变化的温度应力所产生的累计疲劳损耗量相等。经计算分析，此温度疲劳应力 可用下式表示：,辽宁交通高等专科学校,上式中：,是最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力(MPa)，,由图1-10
23、确定，,为横缝间距，,分别为水泥混凝土的线膨胀系数和弹性模量，,是与道路所在地区有关的最大温度梯度，,考虑温度翘曲应力累计疲劳作用的疲劳应力系数，,回归系数，按所在地区的公路自然区划查表,辽宁交通高等专科学校,为横缝间距,辽宁交通高等专科学校,六、路基设计参数1干湿类型 路基设计首先应正确确定路基的干湿类型。一般要求路基处于干燥或中湿状态。过湿状态或强度与稳定性不符合要求的潮湿状态下的路基，必须先进行处理。2路基的压实度 公路工程的实践表明，路基压实是保证路基强度与稳定性的关键，是提高路基路面使用寿命的最经济和最有效的技术措施之一。所以路基必须具有足够的压实度，要符合规定。,辽宁交通高等专科学
24、校,我国公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)中应用了可靠度方法来进行水泥混凝土路面的设计。目标可靠度是所设计路面结构应具有的可靠度水平。它的选取是一个工程经济问题。目标可靠度定得较高，则所设计的路面结构较厚，初期修建费用较高，但使用期间的养护费用和车辆运行费用较低；目标可靠度定得较低，初期修建费用可降低，但养护费用和车辆运行费用会增长。水泥混凝土路面设计规范对路面的适用范围规定四个设计安全等级，规定相应的设计基准期为20年；其目标可靠度指标和目标可靠度系根据前三级数值的级差得到,七、路面可靠度设计方法,辽宁交通高等专科学校,路面结构可靠度可定义为:在规定的时间内，在规定的条件下。路面使用性能满足预定水平要求的概率。也可以定义为在规定的设计基准期内，在规定的交通和环境条件下，行车荷载疲劳应力和温度梯度疲劳应力的总和不超过混凝土弯拉强度的概率。即：,由此原理得到了极限状态设计表达式：,可靠度系数，依据所选目标可靠度及变异水平等级按表128确定；,辽宁交通高等专科学校,可靠度设计标准,辽宁交通高等专科学校,可靠度系数,注：变异系数在表中所示的变化范围的下限时，可靠度系数取低值；上线时取高值。,辽宁交通高等专科学校,1.3.4水泥混凝土路面板厚度计算流程,
