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1、水泥混凝土路面厚度计算,贫混凝土或碾压混凝土基层应以设计基准期内行车荷载不产生疲劳断裂作为设计标准。其极限状态设计表达式为：,设计标准：水泥混凝土路面结构设计应以面层板在设计基准期内，在行车荷载和温度梯度综合作用下，不产生疲劳断裂；验算标准：面层板在设计基准期内，在最重轴载和最大温度梯度综合作用下，不产生极限断裂。其极限状态设计表达式分别为：,一、水泥混凝土路面设计标准及验算标准,二、水泥混凝土板厚度计算流程,交通分析，确定交通荷载等级路面结构的组合设计，初拟路面结构按照初拟路面结构组合形式，选择相应力学分析模型；根据选定的力学模型计算混凝土面层板的最大荷载应力、荷载疲劳应力、最大温度应力及温
2、度疲劳应力。面层板极限状态检验贫混凝土或碾压混凝土为基层、下面层板时，计算其荷载疲劳应力，检算其极限状态。面层或基层的极限状态不满足要求时，改选混凝土面层板厚度或(和)整调基层类型或(和)厚度，重新计算。计算厚度加6mm磨损厚度后，按10mm向上取整，作为混凝土面层的设计厚度。,水泥路面的设计轴载及轴载换算,1 交通分析交通荷载分级,按疲劳断裂设计标准进行结构分析时，以轴重100kN的单轴-双轮组荷载作为设计轴载。对极重交通荷载等级的水泥混凝土路面，宜选用货车中占主要份额特重车型的轴载作为设计轴载。各级轴载作用次数按按等效疲劳损坏原则换算为设计轴载的作用次数。,设计轴载累计作用次数,交通调查与
3、分析 初期年平均日货车交通量（双向）方向分配系数，一般0.5-0.6 车道分配系数 设计车道的年平均日货车交通量（ADTT）货车交通量的年平均增长率gr,轴载调查与分析各类车辆的轴型调查和轴重测定 轴载当量换算系数法车辆当量轴载系数法车道使用初期的设计轴载日作用次数Ns车辆轮迹横向分布系数 设计轴载累计作用次数 Ne,不同轴重级位的设计轴载当量换算系数,车道使用初期的设计轴载日作用次数,各类车辆的设计轴载当量换算系数,车道使用初期的设计轴载日作用次数,设计轴载累计作用次数,2 初拟路面结构根据公路等级和交通荷载、路基条件、当地温度和湿度状况及已有公路路面的使用经验，进行路面组合设计，初拟路面结
4、构。,路床顶面的综合回弹模量值，轻交通荷载等级时不得低于40MPa，中等或重交通荷载等级时不得低于60MPa，特重或极重交通荷载等级时不得低于80MPa。,路基,基层和底基层,承受极重、特重或重交通荷载的路面，基层下应设置底基层，承受中等或轻交通荷载时，可不设底基层。当基层采用无机结合料稳定类材料，且上路床由细粒土组成时，应在基层下设置粒料类底基层。贫混凝土或碾压混凝土基层上应铺设沥青混凝土夹层，厚度不宜小于40mm。无机结合料稳定碎石基层上应设封层。面层宜采用设接缝的普通水泥混凝土。,注意：,平面尺寸及接缝设计,平面布局宜采用矩形分块，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。
5、纵向接缝的间距（板宽）宜在3.04.5m范围内选用。横向接缝的间距（板长）应按面层类型和厚度选定（普通水泥混凝土面层宜为46m，面层板的长宽比不宜超过1.35，平面面积不宜大于25m2）纵向接缝设置：一次摊铺宽度小于路面宽度时，应设纵向施工缝（设拉杆的平缝）；一次摊铺宽度大于4.5m，应设纵向缩缝（设拉杆的假缝）；碾压混凝土面层一次摊铺宽度大于7.5m时，应设纵向缩缝；行车道路面与混凝土硬路肩之间的纵向接缝必须设拉杆。,横向接缝设置（缩缝、胀缝和施工缝）：横向施工缝：每日施工结束或因临时原因中断施工时，必须设横向施工缝，其位置宜选在缩缝或胀缝处，设在缩缝处的施工缝，应采用加传力杆的平缝，设在胀
6、缝处的施工缝，其构造同胀缝；横向缩缝：保证板因温度和湿度的降低而收缩时沿该薄弱断面缩裂，从而避免产生不规则裂缝。应采用假缝形式，极重、特重和重交通荷载公路的横向缩缝，中等和轻交通荷载公路邻近胀缝或自由端部的3条横向缩缝，收费广场的横向缩缝，应采用设传力杆假缝；横向胀缝：保证板在温度升高是能部分伸长，从而避免路面板在热天的拱胀和折断破坏，同时胀缝也能起到缩缝的作用。在邻近桥梁或其他固定构筑物处，或者与其他道路相交处，应设横向胀缝。,3 路面材料参数确定,4 力学模型的选择,弹性地基单层板模型适用于粒料基层上混凝土面层旧沥青路面加铺混凝土面层，面层板以下部分按弹性地基处理弹性地基双层板模型适用于无
7、机结合料类基层或沥青类基层上混凝土面层，旧混凝土路面上加铺分离式混凝土面层；面层和基层或者新旧面层作为双层板，基层底面以下或旧面层底面以下部分按弹性地基处理复合板模型适用于两层不同性能材料组成的面层或基层复合板。旧混凝土路面上加铺结合式混凝土面层，两层不同性质材料组成的层间黏结的面层，作为弹性地基上的单层板或弹性地基上双层板的上层板；无机结合料类基层或沥青类基层与无机结合料类底基层组成的基层，作为弹性地基上双层板的下层板。,水泥混凝土路面结构分析应采用弹性地基板理论。除粒料基层外，其他基层与混凝土面层应按分离式双层板模型进行结构分析。粒料基层及各级底基层和垫层，应与路基一起视作多层弹性地基，以
8、地基顶面当量回弹模量表征。水泥混凝土路面结构设计应以面层板在设计基准期内，在行车荷载和温度梯度综合作用下，不产生疲劳断裂作为设计标准；并以最重轴载和最大温度梯度综合作用下，不产生极限断裂作为验算标准。贫混凝土或碾压混凝土基层应以设计基准期内行车荷载不产生疲劳断裂作为设计标准。,5 荷载应力计算-弹性地基单层板模型,设计轴载在面层板临界荷位处产生的的荷载疲劳应力,kr接缝传荷的应力折减系数，混凝土路肩，kr=0.870.92，柔性路肩或土路肩，kr=1。kf 疲劳应力系数kc综合系数，查表,荷载疲劳应力系数kf,式中 Ne设计基准期内设计轴载累计作用次数；材料疲劳指数，普通、钢筋、连续配筋混凝土
9、：=0.057；碾压、贫混凝土：=0.065；f 钢纤维的体积率（%）；lf钢纤维的长度（mm）；df钢纤维的直径（mm）。,设计轴载在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力ps,式中 Ps设计轴载的单轴重(kN)；hc、Ec、vc混凝土面层板的厚度(m)、弯拉弹性模量（MPa）和泊松比 r 混凝土面层板的相对刚度半径(m)；Dc混凝土面层板的截面弯曲刚度(MNm)；Et板底地基当量回弹模量（MPa),新建公路的板底地基当量回弹模量Et,式中 E0路床顶综合回弹模量（MPa）；Ex粒料层的当量回弹模量（MPa；hx 粒料层的总厚度（m）；n 粒料层的层数；Ei、hi 第i 结构层的回弹模量（MPa
10、）与厚度(m)。,公式根据单圆荷载直径0.3m，层间连续，粒料层总厚度0.10.5m，粒料层回弹模量与路床回弹模量之比小于10的条件，按照荷载中心点挠度等效原则回归得到的。其中，路床、粒料层的泊松比取0.35。,5 荷载应力计算-弹性地基双层板模型,上层板（面层）的荷载疲劳应力 pr,贫砼或碾压砼基层板或者下面层板的荷载疲劳应力,kf,kc荷载疲劳应力系数、综合系数，按单层板取值；bpr下层板的荷载疲劳应力（MPa）；bps设计轴载Ps在下层板临界荷位处产生的荷载应力(MPa)；,最重轴载在上层板临界荷位处产生的最大荷载应力,最重轴载Pm 在四边自由板临界荷位处产生的最大荷载应力（MPa），设
11、计轴载Ps改为最重轴载Pm（以单轴计，kN）；kr、kc应力折减系数、综合系数。,6 温度应力计算-弹性地基单层板模型,在面层板临界荷位处产生的温度疲劳应力tr,最大温度梯度时混凝土面层板最大温度应力t,max,综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数BL,混凝土面层板的温度翘曲应力系数CL,温度疲劳应力系数kt,6 温度应力计算-弹性地基双层板模型,在面层板临界荷位处产生的温度疲劳应力tr,最大温度梯度时混凝土面层板最大温度应力t,max,综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数BL,混凝土面层板的温度翘曲应力系数CL与单层板公式不同。,下层板的温度疲劳应力不需计算,温度翘曲应力系数CL,式中
12、与双层板结构有关的参数；r 层间接触状况参数(m)；kn 面层与基层之间竖向接触刚度，上下层之间不设沥青混凝土夹层或隔离层时按公式计算；设沥青混凝土夹层或隔离层时，kn 取3000 MPa/m。,7 结构极限状态校核,三、设计示例,公路自然区划区新建一条高速公路，单向三车道，行车道宽11.75m。路基土为黄土（低液限粉土），路床顶距地下水位2.0m，当地粗集料主要为花岗岩。拟采用碾压混凝土做基层。应交通调查分析得知，设计轴载Ps=100KN，最重轴载Pm=250KN，设计车道使用初期设计轴载日作用次数为42000，交通量年平均增长率为7%。试设计该路面厚度。,1 交通分析,高速公路的设计基准期
13、查表为30年，安全等级为一级。临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数查表取0.22。设计基准期内设计车道标准轴载累计作用次数按公式计算：,属特重交通荷载等级,2 初拟路面结构,相应于高速公路的变异水平等级宜为低级。根据交通荷载等级和变异水平等级查表初拟普通混凝土面层厚度为0.30m，碾压混凝土基层0.18m，面层与基层之间设置40mm厚的沥青混凝土夹层，底基层选用级配碎石，厚0.20m。水泥混凝土面层板的平面尺寸：长为5.0m，宽从中央分隔带至路肩依次为4m、4m、3.75m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。碾压混凝土设纵缝一条，横缝间距5m。硬路肩宽3.5m，采用与行车道等厚混凝土并设拉杆
14、与行车道板相连。,3 路面材料参数确定,查表取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0MPa，相应弯拉弹性模量和泊松比取31GPa、0.15；碾压混凝土弯拉强度标准值为4.0MPa，相应弯拉弹性模量和泊松比取27GPa、0.15。花岗岩为粗集料的混凝土热膨胀系数 查表取低液限粉土的回弹模量为95MPa，湿度调整系数为0.85，计算得路床顶综合回弹模量为950.85=80MPa。级配碎石回弹模量查表取250MPa，按公式计算板底地基综合当量回弹模量：,混凝土面层板弯曲刚度、半刚性基层板的弯曲刚度及路面结构总相对刚度半径：,板底地基综合当量回弹模量：,4 荷载应力,按公式计算标准轴载和最重荷载在临界
15、荷位处产生的荷载应力：,按公式计算面层荷载疲劳应力：,按公式计算面层最大荷载应力：,按公式计算基层荷载疲劳应力：,5 温度应力,查表取最大温度梯度为90/m,面层与基层之间设沥青混凝土夹层的竖向接触刚度kn取3000MPa/m，按公式计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数BL：,按公式计算面层最大温度应力：,按公式计算温度疲劳应力系数：,按公式计算温度疲劳应力：,6 结构极限状态校核,查表得可靠度系数为1.3。按公式校核路面结构极限状态是否满足要求：,所拟路面结构满足车辆荷载和温度梯度的综合疲劳作用，最重轴载在最大温度梯度时的一次作用产生结构应力与混凝土弯曲强度相当。取混凝土面层设计厚度为0.31m，碾压混凝土基层设计厚度为0.18m，沥青混凝土夹层设计厚度为0.04m。,
