第十二章 公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)方法

1、第十二章 公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)方法v第一節(jié) 水泥混凝土路面損壞的極限狀態(tài)及設(shè)計(jì)原則v第二節(jié) 水泥混凝土路面平面及接縫設(shè)計(jì)v第三節(jié) 美國水泥混凝土路面設(shè)計(jì)方法v第四節(jié) 我國水泥混凝土路面設(shè)計(jì)方法第一節(jié) 水泥混凝土路面損壞的極限狀態(tài)及設(shè)計(jì)原則v水泥混凝土路面在行車荷載和環(huán)境因素的作用下可能出現(xiàn)的破壞類型有：斷裂、唧泥、錯(cuò)臺、拱起和接縫擠碎。v考慮到混凝土面板的疲勞斷裂是水泥混凝土路面損壞的主要模式，所以把疲勞開裂作為確定混凝土板厚時(shí)考慮的臨界損壞狀態(tài)。在設(shè)計(jì)混凝土板時(shí)，以混凝土材料的彎拉強(qiáng)度作為其設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。v在考慮可靠度因素因素影響情況下不超過混凝土的抗折強(qiáng)度，如下式所示：v以最重軸載和最大

2、溫度梯度綜合作用下，混凝土板不產(chǎn)生極rprtrrfv限斷裂為驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)，如下式所示：rp,maxt,maxrf第二節(jié) 水泥混凝土路面平面及接縫設(shè)計(jì)v 設(shè)置原因：由于大氣溫度周期性的變化，致使水泥混凝土路面產(chǎn)生各種形式的溫度變形。由年溫差引起的溫度變形周期較長，溫度變化緩慢，因此路面板的脹縮在厚度范圍內(nèi)呈均勻分布，這種變形一旦受到約束，將轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟葍?nèi)應(yīng)力，若內(nèi)應(yīng)力超出容許范圍，路面板即產(chǎn)生裂縫或被擠碎。在冬季和夏季，日溫差較大，由于日溫差變化周期短，在路面板厚度范圍內(nèi)呈現(xiàn)不均勻分布，造成上下底面的溫度坡差，這種坡差將促使面板向上或向下翹曲。以縱向與橫向接縫將路面板分割成規(guī)則的性質(zhì)，對于消除溫度內(nèi)應(yīng)

3、力，保持路面整齊的外觀是有效的措施。v一 按均勻收縮應(yīng)力控制縮縫間距v按照均勻收縮變形受到地基摩擦阻力約束所產(chǎn)生的應(yīng)力不超過混凝土容許拉應(yīng)力的原則確定縮縫間距，是最基本的方法之一，計(jì)算公式如下：v二 按翹曲應(yīng)力控制縮縫間距v路面板在日溫差影響之下產(chǎn)生的翹曲變形受到阻止時(shí)，引起的翹曲應(yīng)力超過混凝土路面的彎拉強(qiáng)度，路面板將斷裂成平面尺寸較小的板塊，因此縮縫間距L必須保證路面板在當(dāng)?shù)刈畲笕諟夭钣绊懴庐a(chǎn)生的翹曲應(yīng)力與荷載應(yīng)力的共同作用小于容許范圍。通過驗(yàn)算后，縮縫間距一般為46m。122f LLfv三 鋼筋混凝土路面的縮縫間距v縮縫間距L可以按下式計(jì)算：v四 機(jī)場混凝土道面的縮縫間距v由于機(jī)場跑道與滑

4、行道的寬度遠(yuǎn)大于道路路面的寬度，所以在機(jī)場道面設(shè)置縮縫時(shí)，要同時(shí)考慮縱向與橫向的接縫設(shè)置。在機(jī)場設(shè)計(jì)中稱為平面分倉。機(jī)場道面板塊一般可采用正方形，取厚度的2025倍作為邊長。v五 脹縫的間距與脹縫寬度v冬季施工季節(jié)施工時(shí)，脹縫一般每100150m設(shè)置一道；夏季施工時(shí)，如板厚大于等于20cm，可不設(shè)脹縫，其它情況施工時(shí)一般每100200m設(shè)置一道。 ss2=ALfv六 縱縫間距與平面布置v縱縫的布置形式很多,歸結(jié)起來,可分為:(1)垂直縱縫；(2)錯(cuò)縫；(3)斜縫。由于施工方法不同，國外目前有采用雙車道全寬混凝土攤鋪機(jī)，則縱縫可以采用鋸縫方法設(shè)置；如果在一個(gè)車道寬度內(nèi)鋪筑路面，則縱縫多設(shè)置上下貫

5、穿的真縫，并加設(shè)拉桿。道路混凝土路面在交叉口廣場或彎道上的布置應(yīng)盡量不用銳角 v七 傳力桿系的布置與荷載分配v在接縫端部的橫斷面上，布置一組傳力桿，形成一個(gè)體系，共同承擔(dān)著由鄰板傳來的荷載。在車輪荷載作用下，體系內(nèi)各個(gè)傳力桿承擔(dān)的荷載是不同的，直接在車輪下的傳力桿承受的荷載最大，遠(yuǎn)離車輪的傳力桿承受的荷載逐漸減少。弗雷伯格根據(jù)威斯特卡德提出的理論分析，在角隅荷載作用下，最大負(fù)彎矩發(fā)生在離開角隅1.8l處，因此，認(rèn)為傳力桿的受力有效范圍為1.8l。v傳力桿承受的荷載應(yīng)該等于鄰板傳遞過來的一部分車輪荷載。假設(shè)傳力桿的效率達(dá)到100%，則最大的傳遞荷載為車輪重量的50%，也就是相鄰兩塊路面板各承擔(dān)一

6、半輪重。v傳力桿的直徑、長度與間隔距離與路面厚度及荷載等級有關(guān)，一般可以根據(jù)規(guī)定選用，然后驗(yàn)算各項(xiàng)應(yīng)力是否符合規(guī)定。我國公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D40-2011)建議按下表選用。板厚(cm)直徑（cm)長度（cm)間距（cm)板厚(cm)直徑(cm)長度(cm)間距(cm)15194630253246301825463028324630202546303132463023324630v八 水泥混凝土路面接縫的傳荷能力v定義：混凝土路面板接縫所具有的，將車輪荷載由接縫一側(cè)直接承受的板塊向接縫另一側(cè)非直接承受荷載的板塊進(jìn)行傳遞的能力，稱為接縫的傳荷能力。表征傳荷能力的指標(biāo)是接縫兩側(cè)所承

7、受的荷載之比值，即：vP1與P2之和為車輪施加于路面板接縫位置的外力總荷載P。根據(jù)接縫傳荷能力的不同，可分為三種情況。v接縫完全不具備傳荷能力v接縫具有最佳的傳荷能力21=PP12,00P PP，v接縫具有一定的傳荷能力，但是達(dá)不到最佳狀況v間接指標(biāo)：v以撓度比值作為評定接縫傳荷能力的指標(biāo)。v當(dāng)車輪P作用與縫邊，直接承重板承受的荷載為P1，板邊產(chǎn)生的撓度為1；非直接承重板承受了由接縫傳過來的荷載P2，板邊產(chǎn)生的撓度2，傳荷系數(shù)為：2121,1.02PPPPP2121,1.0PPPP21=v以路面板邊緣最大應(yīng)變比值作為評定指標(biāo)v當(dāng)車輪作用于縫邊，直接承重板承受的荷載為P1，板邊產(chǎn)生最大應(yīng)變?yōu)?，

8、非直接承重板承受由接縫傳過來的P2，板邊產(chǎn)生最大應(yīng)變2，傳荷系數(shù)為：v提高水泥混凝土路面接縫傳荷能力的途徑：v合理的平面分塊與接縫布置。平面分塊要嚴(yán)格按規(guī)定劃分，避免錯(cuò)縫、銳角等不規(guī)則布置方法。對脹縫的設(shè)置要十分慎重，因?yàn)槊浛p的傳荷能力差、病害多，而且脹縫的存在會(huì)引起縮縫的松弛，不能緊密接觸，結(jié)果使其他縮縫的傳荷能力也下降。因此，不設(shè)脹縫或少設(shè)脹縫是提高接縫傳荷能力的有效措施12=v改進(jìn)接縫構(gòu)造、提高施工質(zhì)量，使接縫長期保持良好的傳荷能力。接縫的形式、構(gòu)造、尺寸、材料以及施工養(yǎng)護(hù)方法等都可以進(jìn)一步研究改進(jìn)，使之更加合理，更加有利于提高接縫的傳荷能力。v修筑穩(wěn)定性良好的基層。實(shí)踐證明，基層的穩(wěn)定

9、性和強(qiáng)度對接縫傳荷能力由明顯影響。因此，世界各國對于干線公路水泥混凝土路面一般都修筑穩(wěn)定性良好的基層。第三節(jié) 美國水泥混凝土路面設(shè)計(jì)方法v一 AASHTO水泥混凝土路面設(shè)計(jì)方法vAASHTO試驗(yàn)路采用“服務(wù)功能指數(shù)”的概念來表征路面對行車荷載的耐用程度。對于剛性路面，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，采用下式確定現(xiàn)有服務(wù)功能指數(shù)（PSI）。v板厚、軸載、荷載重復(fù)作用次數(shù)和服務(wù)功能指數(shù)之間存在如下關(guān)系：PSI=5.41 1.8lg 1 SV0.09 C P001PSI=NCCCPv1.設(shè)計(jì)使用年限與車輛換算vAASHTO法規(guī)定，混凝土路面的設(shè)計(jì)使用年限通常為20年，屆時(shí)的服務(wù)功能指數(shù)為2.5（干線道路）或

10、2.0（非干線道路）。路上通行的各類車輛均換算成標(biāo)準(zhǔn)車數(shù)量。標(biāo)準(zhǔn)車規(guī)定為后軸重18klb的單后軸車，在使用年限內(nèi)通過的最大次數(shù)為v采用下式將各類軸載換算為標(biāo)準(zhǔn)軸載：v2.板厚設(shè)計(jì)v根據(jù)設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)軸載的總通行次數(shù)、基礎(chǔ)反力模量和混凝土的允許彎拉應(yīng)力，可求得板厚71 10。112122112lglglg3NNv3.罩面層厚度設(shè)計(jì)v長期以來，混凝土罩面層設(shè)計(jì)都是基于這樣的基本假定的，即舊路面板與罩面層的綜合強(qiáng)度與一個(gè)厚度等于這兩層板平方和的開方根的單層板所具有的強(qiáng)度相當(dāng)，以公式表示： 220220 rrTTTaTTTb或 ：v如果罩面層直接鋪筑在現(xiàn)有路面之上，能保證兩層之間有一定程度的結(jié)合，

11、則上式計(jì)算的厚度偏于保守。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，又提出了適用于兩層之間具有部分結(jié)合力時(shí)罩面層厚度T的計(jì)算公式，即：v若將現(xiàn)有路面的狀況以結(jié)構(gòu)條件系數(shù)C表示，則用于計(jì)算罩面層厚度的公式可分為三種情況分別表示：v罩面層與緣由路面之間完全隔離v層間部分結(jié)合v層間完全結(jié)合形成整體結(jié)構(gòu)0rTTT220rTTCT0rTTCT0rTTTv二 美國波特蘭水泥協(xié)會(huì)設(shè)計(jì)方法v1.設(shè)計(jì)使用年限vPCA取混凝土路面設(shè)計(jì)使用年限為40年。v2.荷載安全系數(shù)v（1）對于承受少量貨車交通的道路、居住區(qū)街道和其他道路，采用1.0；v（2）對于承受中等貨車交通量的道路主要街道，采用1.1；v（3）對

12、于連續(xù)交通量和大量貨車交通的州級道路和其他多車道路面，采用1.2。v3.基礎(chǔ)強(qiáng)度特征v基礎(chǔ)的強(qiáng)度特征以地基反力模量k表征。K值通過承載板試驗(yàn)確定，它隨材料的形狀、承載板的直徑和撓度（或壓力）的取值不同而異。由于k值的變動(dòng)對混凝土板內(nèi)應(yīng)力值的影響不大，在無試驗(yàn)條件時(shí)，可按路基土類別參考選用。v4.荷載應(yīng)力vPCA采用橫縫邊緣作為計(jì)算臨界應(yīng)力的荷載位置。應(yīng)用威斯特卡德理論，下圖所示分別為單軸與雙軸荷載應(yīng)力計(jì)算圖。v5.疲勞與安全系數(shù)v總疲勞利用率：v用允許重復(fù)作用次數(shù) 同實(shí)際 重復(fù)作用次數(shù) 相比，即得各級軸載對疲勞抗力的利用率。疊加各級軸載的利用率，得總的疲勞利用率。ii=1i11.25nNNiN

13、iN第四節(jié) 我國水泥混凝土路面設(shè)計(jì)方法v一 設(shè)計(jì)內(nèi)容v水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括下述內(nèi)容。v1.路面結(jié)構(gòu)層組合設(shè)計(jì)；2.混凝土面板厚度設(shè)計(jì)；3.混凝土面板的平面尺寸與接縫設(shè)計(jì)；4.路肩設(shè)計(jì)；5.普通混凝土路面的鋼筋配筋設(shè)計(jì)。v二 設(shè)計(jì)參數(shù)v1.標(biāo)準(zhǔn)軸載與軸載換算v我國公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范以汽車軸重100kN的單軸荷載作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載，凡是前、后軸載大于40kN的軸數(shù)均應(yīng)換算成標(biāo)準(zhǔn)軸數(shù)。v軸載換算公式為：v2.交通分級和累計(jì)作用次數(shù)v根據(jù)所得交通資料，按下式計(jì)算設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)設(shè)計(jì)車道的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)Ne:16s1niiisPNNP11365tsrerNgNgv 的取值根據(jù)公路等級而定

14、，見下表所示：v3.基層頂面的當(dāng)量回彈模量v1）新建公路的基層頂面模量值v在設(shè)計(jì)新建公路時(shí)，可根據(jù)土基狀態(tài)擬定基層、墊層結(jié)構(gòu)類型和厚度，采用規(guī)范建議的材料回彈模量值來計(jì)算基層頂面的當(dāng)量回彈模量。同時(shí)建立下列基層頂面回彈模量計(jì)算公式：00221110 . 8 60 . 2 6l n/xtxnnxiiiiinxiiEEEEhEhEhhhv2）原有路面的頂面當(dāng)量回彈模量值v如下式公式表示：01 .0 4001 8 6 2 11 3 7 3 91 .0 4ttwEwEwwwsv4.水泥混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度與彎拉彈性模量v水泥混凝土面層的設(shè)計(jì)強(qiáng)度是以彎拉強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，在進(jìn)行路面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)取尺寸為15

15、cm15cm55cm的水泥混凝土小梁試件通過三分點(diǎn)加載試驗(yàn)確定彎拉強(qiáng)度，并以其28d齡期的計(jì)算彎拉強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。v三 荷載疲勞應(yīng)力v1.臨界荷位v為了簡化計(jì)算工作，通常選取使面層板內(nèi)產(chǎn)生最大應(yīng)力或最大疲勞損壞的一個(gè)荷載位置作為應(yīng)力計(jì)算時(shí)的臨界荷位。由于現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法采用疲勞斷裂作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)以產(chǎn)生最大疲勞損耗的荷載位置作為臨界荷位。利用可考慮荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力綜合疲勞作用下的疲勞方程，分析不同接縫傳荷能力的路面疲勞損耗，得出下表所示不同情況下的臨界荷位：v2.荷載應(yīng)力計(jì)算v設(shè)計(jì)軸載在四邊自由板臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應(yīng)力應(yīng)按下式計(jì)算：30.7020.94pss13e1321.47101.211

16、2 1cccccrhpDrEE hDv最重軸載在面層板臨界荷位處產(chǎn)生的最大荷載應(yīng)力，按下式計(jì)算：v3.接縫傳荷能力v混凝土路面接縫的荷載傳遞機(jī)構(gòu)分為三類：v（1）集料嵌鎖：依靠接縫處斷裂面上集料的嚙合作用傳遞剪力。v（2）傳力桿：依靠埋設(shè)在接縫處的傳力桿傳遞剪力、彎矩和扭矩。v（3）傳力桿和集料嵌鎖：上述兩種類型的綜合。v4.荷載疲勞應(yīng)力v計(jì)算公式為：,m axprepmk kp rrcfp sk k kv四 溫度疲勞應(yīng)力分析v經(jīng)計(jì)算分析，在彈性地基單層板臨界荷位處產(chǎn)生的溫度疲勞應(yīng)力可用下式表示：v其中最大溫度梯度標(biāo)準(zhǔn)值Tg和a、b、c三個(gè)回歸系數(shù)均差規(guī)范表格取值。t rtt mcct mL4

17、 .4 8LLLLct mrtt mr21 .7 70 .1 3 11s i n hc o sc o s hs i n1c o ss i ns i n hc o s h 3cghkEh TBBeCCttttCttttfLtkabrfv五 設(shè)計(jì)過程v1.收集并分析交通參數(shù)；v2.初擬路面結(jié)構(gòu)；v3.確定材料參數(shù)；v4.計(jì)算荷載疲勞效應(yīng)；v5.計(jì)算溫度應(yīng)力；v6.檢驗(yàn)初擬路面結(jié)構(gòu)。其中可靠度系數(shù)按下表取值。v六 連續(xù)配筋混凝土路面v1.厚度設(shè)計(jì)vAASHTO設(shè)計(jì)方法v計(jì)算公式：v我國規(guī)范（JTG D40-2011)設(shè)計(jì)方法v控制連續(xù)配筋混凝土面層配筋率的指標(biāo)有以下三個(gè)：v1.混凝土面層橫向裂縫的平

18、均間距1.8m;v2.裂縫縫隙的最大寬度為0.5mm;v3.鋼筋拉應(yīng)力不超過鋼筋的屈服強(qiáng)度。v橫向裂縫平均間距計(jì)算公式：20.25 0.75R0.045362.610.1612lg8.682 3.513lg1JaLM hzht0dcg1s212ccfChLc dv縱向鋼筋埋置深度處的橫向裂縫縫隙平均寬度應(yīng)按下式計(jì)算確定：v縱向鋼筋應(yīng)力按下式計(jì)算：v縱向配筋率的計(jì)算步驟：v1.初擬配筋率，計(jì)算裂縫間距；v2.計(jì)算裂縫縫隙寬度；v3.計(jì)算鋼筋應(yīng)力；v4.綜合上述三項(xiàng)計(jì)算結(jié)果，最終確定配筋率，并進(jìn)一步確定鋼筋根數(shù)。在滿足縱向鋼筋間距要求的前提下，宜選用直徑較小的鋼筋。tjdshc1000cc fbLTEsc dstscsshcs 10.2342EfLfETEdc v端部錨固設(shè)計(jì)步驟：v1.根據(jù)地區(qū)的最大年溫差和溫度變化程度計(jì)算確定最大應(yīng)變v2.確定路面端部最大容許縱向位移量v3.地基的各種參數(shù)確定v4.混凝土的各種參數(shù)確定v5.錨固的深度、厚度等幾何尺寸v6.計(jì)算錨固件之間的最佳距離v7.