第八章水泥混凝土路面及其结构设计教材课件.ppt
第八章 水泥混凝土路面及其结构设计,李波（副教授）兰州交通大学土木工程学院,01,概述,02,水泥混凝土路面结构,03,弹性地基板的荷载应力分析,04,我国水泥混凝土路面结构设计,05,国外水泥混凝土路面设计方法,Contents,目,录,第一节 概述,第一节 概述,优点：强度高；稳定性好；耐久性好；养护费用少，运输成本低；有利于夜间行车。,缺点：水和水泥用量大；有接缝，舒适性差；开放交通迟；修复困难；对超载敏感,第一节 概述,类型：普通混凝土；钢筋混凝土；连续配筋混凝土；预应力混凝土；装配式混凝土；钢纤维混凝土等。,第一节 概述,普通混凝土路面 除接缝区和局部范围外不配置钢筋的混凝土路面（素混凝土路面应具有足够的耐久性，面板必须设置在坚固耐久的的基础上，以保证行车要求。,第一节 概述,钢筋混凝土 为防止可能产生的裂缝缝隙张开，板内配置有纵、横向钢筋网的混凝土路面。适用于:1）混凝土平面尺寸较大；2）路基或基层可能产生不均匀沉陷；3）板下埋有地下设施。,第一节 概述,连续配筋混凝土路面 除在邻近构造物处或与其他路面交接处设置胀缝，以及视施工需要设置施工缝外，在路段长度范围内不设横缝，而配置纵向连续钢筋和横向钢筋的混凝土面层。适用于：高速公路、一级公路,第一节 概述,预应力混凝土路面 事先在工作截面上施加压应力，以提高它的抗弯拉强度，提高承受荷载能力。优点：1）路面板厚度小；2）接缝数量小，行车平稳；3）横向开裂少，耐久性好。缺点：需大量的预应力筋腱，施工工艺复杂，人力工作量大，难以实现机械化施工，初期投资大。,第一节 概述,装配式混凝土路面 在工厂中把混凝土预制成板块，然后运至工地现场装配而成的混凝土路面。适用于：城市道路、厂矿道路。大型基建场地、停车站场和软弱土地基上。,第一节 概述,钢纤维混凝土路面 在混凝土中掺入一些低碳钢，不锈钢纤维或其他纤维（如塑料纤维、纤维网等），即成为一种均匀而多向配筋的混凝土路面。特点：显著提高混凝土的抗拉强度、抗冻性、抗冲击性、抗摩性、抗疲劳性，可以显著减薄路面厚度，改善路用性能。,第一节 概述,水泥混凝土路面的破坏类型：断 裂唧 泥错 台拱 起接缝挤碎,第一节 概述,错台,唧泥,拱起,第一节 概述,接缝挤碎,第一节 概述,第一节 概述,第一节 概述,第一节 概述,水泥路面的设计标准,第一节 概述,水泥混凝土路面结构设计主要内容路面结构层组合设计混凝土面板厚度设计混凝土面板的平面尺寸与接缝设计路肩设计混凝土路面的钢筋配筋设计,第二节 水泥混凝土路面结构,第二节 水泥混凝土路面结构,面 层,基 层,路 基,上路床,下路床,上路堤,下路堤,上基层,下基层（底基层）,砂石材料,改良土或改善土,水泥混凝土,级配碎石,CTB、LFTB,改良土或改善土,第二节 水泥混凝土路面结构,路基：对路基的要求 稳定、密实、均质，对路面结构提供均匀的支撑。产生不均匀支撑的原因 不均匀沉陷 不均匀冻胀 膨胀土,第二节 水泥混凝土路面结构,垫层：垫层的作用：改善路基水温状况阻止路基土挤入基层保证路面结构的稳定性，减少路基顶面的应力和变形达到路面结构总厚度（对季节性冰冻地区，路面有最小防冻厚度要求）,第二节 水泥混凝土路面结构,基层和底基层 作用：防唧泥、冰冻减少路基顶面的压应力，并缓和路基不均匀变形对面层的影响提高路面结构的承载能力，延长路面的使用寿命防水，为面层施工提供方便,第二节 水泥混凝土路面结构,适宜于各交通荷载等级的基层和底基层类型,第二节 水泥混凝土路面结构,面层 应具有足够的强度、耐久性、表面抗滑、耐磨、平整。选择方法面层一般采用设接缝的普通混凝土；面层板的尺寸较大或形状不规则，路面结构下埋有地下设施，高填方、软土地基、填挖交界段的路等有可能产生不均匀沉降时，应采用设置接缝的钢筋混凝土面层。,第二节 水泥混凝土路面结构,面层厚度参考范围,面层厚度参考范围,第二节 水泥混凝土路面结构,第二节 水泥混凝土路面结构,其他面层类型选择,第二节 水泥混凝土路面结构,第二节 水泥混凝土路面结构,接缝设置目的：防止温度变化引起的胀缩应力、翘曲应力和施工要求。,温度升高时,温度降低时,第二节 水泥混凝土路面结构,接缝分类（1）从接缝的方向分：横缝、纵缝 横缝：垂直于行车方向的接缝 纵缝：平行于行车方向的接缝,路面接缝设置图（1-横缝；2-纵缝）,第二节 水泥混凝土路面结构,第二节 水泥混凝土路面结构,(2)从接缝的功能分：缩缝、胀缝、施工缝缩缝：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的裂缝。胀缝：保证板在温度升高时能部分伸张，从而避免产生路面板在热天的拱胀和折断破坏，同时也能起到缩缝的作用。施工缝：每天完工或因雨天及其他原因不能继续施工时，应做到胀缝处或缩缝处，并做成施工缝的构造形式。,第二节 水泥混凝土路面结构,设在缩缝处的施工缝，采用设传力杆的平缝形式。设在胀缝处的施工缝，其形式与胀缝相同。遇有困难而需设在缩缝之间时，施工缝采用设拉杆的企口缝形式。,第二节 水泥混凝土路面结构,缩缝应做成假缝形式，即铺筑时仅在板的上部设缝槽，而板的收缩和翘曲会使缝槽下的混凝土自行断裂。纵向缩缝也应设拉杆，以避免板块横向位移并保证接缝的传荷能力。,第二节 水泥混凝土路面结构,第二节 水泥混凝土路面结构,接缝布置：纵缝：车道线划分处（33.75m宽），避免纵缝设在轮迹上。横缝：一般等间距垂直纵缝布设。两侧的横缝应对齐。4、4.5、5、5.5、6m等，也可与纵缝斜交，减少行车跳动。胀缝：尽量布设，但与其他结构物（桥梁、隧道、柔性路面等）相接处、板厚变化处、小半径弯道、纵坡变换处均应设置胀缝。,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,薄板下的地基有两种：文克勒地基弹性半无限地基 弹性地基小挠度薄板理论：混凝土路面板常做成等厚式，其厚度不到平面尺寸的1/10，在轮载作用下的竖向位移(称作挠度)又比厚度小两个数量级，可把混凝土板看作是均质、各向同性、无重量、等厚的小挠度弹性薄板。,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,采用此理论时三个基本假设：垂直于中面方向的应变及其微小，可以忽略不计；垂直于中面的法线，在弯曲变形后均保持为直线并垂直于中面，故无横向剪切应变；中面上各点无平行于中面的位移。板与基础之间始终保持接触，且面剪应力为零。,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,基（垫）层、路基可看成弹性地基，它对路面只有向上的竖向反力，且地基与板完全接触（不脱离），即挠度相同。,在研究竖向荷载作用下的小挠度板问题时，常采用下列三项基本假设：,1.z,z0,W为（x，y)的函数。,2.无横向剪应变，xz=yz=0。,3.中面上各点无x、y方向位移，u=v=0,只有W。,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,平衡方程：,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,则板挠曲面微分方程为：,由几何方程和物理方程，得出应力应变位移方程：,采用圆柱坐标时：,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,积分,弯矩与扭矩,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,推导得,同理,由,挠曲面微分方程推导：,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,要求解方程，必须建立地基反力与薄板挠度间的关系，因此，必须对地基变形进行假设。,文克勒地基,假设地基上任一点的反力仅同该点的挠度成正比,以反应模量K表征的地基：,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,Winkler地基解析解,1）板中受荷时：,当0.5h时，偏差较大，用,代替。,2）板边部中受荷时：,当0.5h时，偏差较大，用b代替。,Winkler地基解析解,3）板角受荷时：,当板角脱开时：,下降。,在以上诸式中，l为板的相对刚度：,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,弹性半无限地基,挠度计算公式：,以弹性模量和泊松比表征的地基：,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,1）当荷载作用于板中时：,轮下弯矩：,弹性半无限地基解析解,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,2)当荷载距计算点一定距离时：,M t M r,轮外弯矩：,弹性半无限地基解析解,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,3)对于对称多轮载：,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,弹性半无限地基解析解,弹性地基板的有限元解,工程实践中采用的混凝土路面板基本上都属于有限尺寸 的矩形板，并非无限大板。对于弹性半空间体地基上有限尺寸矩形板的板中、板边和板角作用车轮荷载时，求解相应位置的挠度和弯矩在数学上遇到很大困难。而有限元方法是结构和连续介质应力分析中的一种较有效的计算方法。,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,临界荷位：选取混凝土板的纵向边缘中部作为产生荷载应力和温度梯度综合疲劳损伤的临界荷位。,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,荷载疲劳应力计算,水泥混凝土板为四边自由板时，标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力,单层水泥混凝土板路面荷载应力分析,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,考虑纵向和横向接缝传荷能力，修正后的荷载疲劳应力：,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,Kf=Nev,Kr 考虑接缝传荷能力的应力折减系数。纵缝为设拉杆的平缝或缩缝时，可取为0.870.92（刚性和半刚性基层取低值，柔性基层取高值）；纵缝为不设拉杆的平缝或自由边时，取为1.0；Kf 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。V 与混合料性质有关的指数。普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土取0.057；碾压混凝土和贫混凝土，取0.065。,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,Kc 考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数，按下表取用。,综合系数KC,双层水泥混凝土板路面荷载应力分析,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,等刚度法将不同接触状况的双层板转换为刚度相当的单层板，然后按弹性地基上的当量单层板计算荷载应力，再根据上、下层板的刚度计算各层所分担的弯矩和应力。,双层混凝土板的临界荷位仍为纵向边缘中部，标准轴载Ps在临界荷位处产生的上、下层混凝土板的荷载应力计算公式仍为：,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,混凝土面板下的地基包括路基和根据需要设置的垫层与基层，其整体路面结构为弹性多层体系。分析板内荷载应力时，应将多层体系换算为半无限体，以其顶面的当量回弹模量作为半无限地基的模量值。1）新建公路基层顶面的当量回弹模量值,基层顶面的当量回弹模量Et,2）原有柔性路面顶面的当量回弹模量值,在原有柔性路面上铺筑水泥混凝土路面时，应通过承载板试验确定原有柔性路面顶面的当量回弹模量Et；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方法确定计算回弹弯沉值l0后，确定其基层顶面的当量回弹模量Et：,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,温度应力1.胀缩应力膨胀：当气温缓慢变化时，板内温度均匀升降，则面板沿断面的深度均匀胀缩。由于板与基层之间的摩阻约束，在温度升降时板中部不能移动，得面板胀缩完全受阻时所产生的应力为：,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,对于板边缘中部或窄长板：,收缩：板划分为有限尺寸块后，因收缩而产生的应力很小，可不予考虑。,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,产生原因：由于板的自重、地基反力和相邻板的钳制作用，使部分翘曲变形受阻，从而使板内产生翘曲应力。由气温升高引起的板中部隆起受到限制时，板底面出现拉应力；而当气温降低引起的板四周翘起受阻时，板顶面出现拉应力。,混凝土板翘曲变形,翘曲应力,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,在临界荷位处的温度疲劳应力,单层水泥混凝土板路面温度应力分析,水泥混凝土板路面温度应力分析,疲劳应力系数kt,回归系数a、b、c,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,温度应力系数Bx,水泥混凝土面层的最大温度梯度标准值Tg，可按照公路所在地的公路自然区划，按下表 选用。,注：海拔高时，取高值；湿度大时，取低值。,最大温度梯度标准值Tg,最大温度梯度标准值Tg,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,双层水泥混凝土板路面温度应力分析,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,分离式双层混凝土板上层最大温度应力,式中：Bx1分离式双层混凝土板的温度应力系数；Bx 上层混凝土板的温度应力系数，按l/rg，h01查图；Cx 混凝土板的温度翘曲应力系数，按l/rg查图；,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,结合式双层混凝土板下层最大温度应力,式中：Bx2结合式双层混凝土板的温度应力系数；Bx 下层混凝土板的温度应力系数，按l/rg，（h01+h02）查图；,第三节 弹性地基板的荷载应力分析,第四节 我国水泥混凝土路面结构设计,第四节 我国水泥混凝土路面结构设计,设计内容与标准设计参数荷载疲劳应力计算温度疲劳应力计算板厚确定步骤,第四节 我国水泥混凝土路面结构设计,我国水泥混凝土路面设计方法采用单轴双轮组100KN标准轴载作用下的弹性半空间体系地基有限大矩形薄板理论有限元解为理论基础，以路面板纵缝边缘荷载与温度综合疲劳弯拉应力为设计指标进行路面板厚度计算。设计完成后，路面板的综合疲劳弯拉应力应满足以目标可靠度为依据的极限状态平衡方程式。,第四节 我国水泥混凝土路面结构设计,（1）路面结构组合设计 根据该路的交通情况，结合当地环境气候条件和材料供应情况综合考虑。包括各层的结构类型、弹性模量和厚度的确定。（2）混凝土面板厚度设计 混凝土面板厚度设计，应按照设计标准的要求，确定满足设计年限内使用要求所需的混凝土面层的厚度。,第四节 我国水泥混凝土路面结构设计,（3）路肩设计 高速公路和一级公路中间带的路缘带和路肩的结构应与行车道的混凝土路面相同，并与行车道部分的混凝土面板浇筑成整体。路肩可采用水泥混凝土面层或沥青混合料面层，其基（垫）层结构应满足行车道路面结构和排水的要求。,第四节 我国水泥混凝土路面结构设计,（4）混凝土面板的平面尺寸与接缝设计 根据混凝土面层板内产生的荷载应力和温度应力作出板的平面尺寸设计，布设各类接缝的位置，设计接缝的构造，并采取有效措施提高接缝的传荷能力。,第四节 我国水泥混凝土路面结构设计,（5）普通混凝土路面配筋设计 普通混凝土路面板较长或交通量较大、地基有不均匀沉降或板的形状不规则时，可沿板的自由边缘加设补强钢筋，在角隅处加设发针形钢筋或钢筋网，以阻止可能出现的裂缝。,第四节 我国水泥混凝土路面结构设计,以轴重100kN的单轴-双轮组荷载作为标准轴载。不同轴-轮型和轴载的作用次数，可按等效疲劳损坏原则换算成标准轴载的作用次数。,第四节 我国水泥混凝土路面结构设计,设计使用年限内设计车道的标准轴载累计作用次数Ne,临界荷位车辆轮迹横向分布系数,第四节 我国水泥混凝土路面结构设计,交通分级,第四节 我国水泥混凝土路面结构设计,结构设计参数的变异水平分级,路基和结构层参数,E0,第四节 我国水泥混凝土路面结构设计,路基和结构层参数,E1、E2,第四节 我国水泥混凝土路面结构设计,第四节 我国水泥混凝土路面结构设计,将多层体系换算为半无限体，以其顶面的当量回弹模量作为半无限地基的模量值。1）新建公路基层顶面的当量回弹模量值,基层顶面的当量回弹模量,2）原有柔性路面顶面的当量回弹模量值,l0以后轴重100kN的车辆测得的计算回弹弯沉值（1/100mm）。,第四节 我国水泥混凝土路面结构设计,第四节 我国水泥混凝土路面结构设计,水泥混凝土板为四边自由板时，标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力,考虑纵向和横向接缝传荷能力，修正后的荷载疲劳应力,荷载疲劳应力,第四节 我国水泥混凝土路面结构设计,温度疲劳应力：,第四节 我国水泥混凝土路面结构设计,收集并分析交通参数收集日交通量和轴载组成数据，计算设计基准期内设计车道标准轴载累积作用次数，由此确定道路的交通等级，并确定安全等级；初拟路面结构初选路面结构层次、类型和材料组成；拟定各层的厚度、面层板平面尺寸和接缝构造；,水泥混凝土板厚确定,确定材料参数确定混凝土的设计弯拉强度和弹性模量，基层、垫层和路基的回弹模量，基层顶面的当量回弹模量；,第四节 我国水泥混凝土路面结构设计,计算荷载疲劳应力和温度应力；检验初拟路面结构水泥混凝土路面结构设计以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为设计的极限状态，根据可靠度系数，按下述条件检验,第四节 我国水泥混凝土路面结构设计,上述检验条件如不符合，则重新拟定路面结构或板的尺寸，重新计算，直到满足为止。设计厚度依计算厚度按10mm向上取整。,第四节 我国水泥混凝土路面结构设计,第五节 国外水泥混凝土路面设计方法,第五节 国外水泥混凝土路面设计方法,AASHTO水泥混凝土路面设计方法AASHTO试验路采用“服务功能指数”的概念来表征路面对行车荷载的耐用程度。对于刚性路面，根据试验结果的统计分析，采用下式确定现有服务功能指数（PSI）。板厚、轴载、荷载重复作用次数和服务功能指数之间存在如下关系：,第五节 国外水泥混凝土路面设计方法,设计使用年限与车辆换算AASHTO法规定，混凝土路面的设计使用年限通常为20年，届时的服务功能指数为2.5（干线道路）或2.0（非干线道路）。路上通行的各类车辆均换算成标准车数量。标准车规定为后轴重18klb的单后轴车，在使用年限内通过的最大次数为采用下式将各类轴载换算为标准轴载：,第五节 国外水泥混凝土路面设计方法,美国波特兰水泥协会设计方法 PCA取混凝土路面设计使用年限为40年。荷载安全系数（1）对于承受少量货车交通的道路、居住区街道和其他道 路，采用1.0；（2）对于承受中等货车交通量的道路主要街道，采用1.1；（3）对于连续交通量和大量货车交通的州级道路和其他多车 道路面，采用1.2。,第五节 国外混凝土路面设计方法,基础强度特征基础的强度特征以地基反力模量k表征。K值通过承载板试验确定，它随材料的形状、承载板的直径和挠度（或压力）的取值不同而异。由于k值的变动对混凝土板内应力值的影响不大，在无试验条件时，可按路基土类别参考选用。,课后习题,1.水泥混凝土路面的主要损坏现象有哪些？在设计中是如何考虑的？2.求算水泥混凝土路面板的行车荷载应力有哪些方法？各适用与哪些场合？3.如何分析计算路面板因温度变化而产生的胀缩应力和翘曲应力？4.水泥混凝土路面的结构组合特点如何？各层次的作用及考虑的主要因素与沥青路面有什么不同。,课后习题,5.设计水泥混凝土路面时对交通荷载的考虑与沥青路面相比，有何异同？6.水泥混凝土路面为什么要设缝？设缝的原则是什么？7.路面板的接缝按其位置、作用和构造各分为哪几种？对接缝材料有和要求？8.水泥混凝土路面板中配置钢筋有和作用？,谢谢！,
