公路水泥溷凝土路面设计示例.ppt

公路水泥混凝土路面设计示例,第四部分,0 表、附表和附图1 普通混凝土路面设计2 沥青加铺层设计3 连续配筋路面设计,提纲,0 表,表3.0.1 可靠度设计标准,0 表,表3.0.2 变异系数cv的范围,0 表,表3.0.7 交通荷载分级,0 表,表3.0.8 水泥混凝土弯拉强度标准值,0 表,表 3.0.10 最大温度梯度标准值Tg,注：海拔高时，取高值；湿度大时，取低值。,0 附表,A.2.4 车辆轮迹横向分布系数,注：车道或行车道较窄或者交通量较大时，取高值；反之，取低值。,0 附表,表B.2.1 综合系数kc,0 附表,表B.3.4 回归系数at、bt 和ct,0 附图,图C.1.2 系数a图,0 附图,图C.2.1 系数a图,0 附表,表C.2.1 有沥青上面层的混凝土板的温度梯度修正系数t,0 附表,表E.0.1-1 路基回弹模量经验参考值,0 附表,表E.0.1-2 路基回弹模量湿度调整系数,注：1.对于砾和砂，D60（通过率为60%时的颗粒粒径）大时，调整系数取高值，D60小时，调整系数取低值；2.对于其他含细粒的土组，小于0.075mm颗粒含量大和塑性指数高时，调整系数取低值，反之，调整系数取高值。,0 附表,表E.0.2-1 粒料类基层和底基层材料回弹模量经验参考值,0 附表,表E.0.2-2 无机结合料类基层和底基层材料弹性模量经验参考值(MPa),0 附表,表E.0.2-3 沥青结合料类基层材料动态模量经验参考值,0 附表,表E.0.3-1 水泥混凝土强度和弹性模量经验参考值,0 附表,表E.0.3-2 水泥混凝土线膨胀系数经验参考值,0 附表,表E.0.3-3 混凝土面层与基层间摩阻系数经验参考值,注：当基层不是沥青混合料，但基层与面层间设置沥青隔层时，摩阻系数按照沥青混合料基层时选取。,0 附表,表E.0.4 钢筋强度和弹性模量经验参考值,0 附表3-1,表3-1 可靠度系数,注：变异系数接近表下限时，可靠度系数取低值；上限时，取高值。,0 附表4-3,表4-3 水泥混凝土面层厚度的参考范围,0 设计流程图,1 普通混凝土路面设计,示例1 粒料基层上混凝土面板厚度计算示例2 水泥稳定粒料基层上混凝土面板厚度计算示例3 碾压混凝土基层上混凝土面板厚度计算示例4 面层复合板的厚度计算,1.1 粒料基层上混凝土面板厚度计算,示例1 某地拟新建一条二级公路，水泥混凝土路面，粒料基层 公路自然区划II区 二级公路，路面宽7m 路基为低液限粘土，路床顶距地下水位平均1.2m 当地的粗集料以花岗岩为主 设计轴载Ps=100kN，最重轴载Pm=150kN 设计车道使用初期设计轴载的日作用次数为100次 交通量年平均增长率为5,1)交通分析,1.1-1 交通分析,由表，二级公路的设计基准期为20年，安全等级为二级。由附录A表，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.62。按式(A.2.4)计算得到设计基准期内设计车道设计轴载累计作用次数：,由表可知，属中等交通荷载等级。,次,1.1-2 初拟路面结构,2)初拟路面结构,由表，施工质量变异水平选择中级。根据二级公路、中等交通荷载等级和中级变异水平，查表4-3，初拟普通混凝土面层厚度为0.23m，基层选用级配碎石，厚0.20m。普通混凝土板的平面尺寸4.53.5m，纵缝为设拉杆平缝，横缝为不设传力杆的假缝，路肩面层与行车道面层等厚并设拉杆相连。,1.1-3.1 路面材料参数确定,3)路面材料参数确定,按表，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为4.5MPa，相应弯拉弹性模量与泊松比为29GPa、0.15。查附录E表，粗集料为花岗岩的混凝土热膨胀系数c=1010-6/。查表，取低液限粘土路基回弹模量80MPa，查表，取距地下水位1.2m时的湿度调整系数为0.75，由此得到路床顶综合回弹模量为800.75=60MPa。查表，取级配碎石基层回弹模量为300MPa。按附录B式（）B式（）计算板底地基当量回弹模量如下：,1.1-3.2 路面材料参数确定,板底地基当量回弹模量Et取为120 MPa。,普通混凝土面层的弯曲刚度Dc按式（）计算，相对刚度半径r按式（）计算：,1.1-4 荷载应力,4)荷载应力,按式（）计算设计轴载和最重荷载在临界荷位处产生的荷载应力：,按式（）计算荷载疲劳应力,式（B.2.6)）计算最大荷载应力：,其中，考虑接缝传荷能力的应力折减系数kr=0.87（条）；综合系数kc=1.05（表）；疲劳应力系数,(式(B.2.3-1)。,1.1-5.1 温度应力,5)温度应力,由表，最大温度梯度取88/m。按式（）计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数BL：,按式（）计算最大温度应力：,1.1-5.2 温度应力,温度疲劳应力系数kt，按式（）计算：,再由式（）计算温度疲劳应力:,1.1-6.1 结构极限状态校核,6)结构极限状态校核,查表及表3-1，二级公路、中等变异水平条件下的可靠度系数r取1.13。按式（）和式（）校核路面结构极限状态是否满足要求：,显然，初拟的路面结构不能满足要求。将混凝土面层厚度增至0.24m。重复以上计算，得到荷载疲劳应力pr=3.26MPa，最大荷载应力 p.max=2.21MPa，最大温度应力：t.max=1.47MPa，温度疲劳应力tr=0.67MPa，然后再进行结构极限状态验算：,满足结构极限状态要求，所选的普通混凝土面层计算厚度0.24m可以承受设计基准期内设计轴载荷载和温度梯度的综合疲劳作用，以及最重轴载在最大温度梯度时的一次极限作用。取设计厚度为0.25m！,1.1-6.2 结构极限状态校核,1.2 水泥稳定粒料基层上混凝土面板厚度计算,示例2 某地拟新建一条一级公路，水泥混凝土路面，水泥稳定砂砾基层 公路自然区划IV区 一级公路 路基土为低液限粉土，路床顶距地下水位1.0m 当地粗集料以砾石为主 设计轴载为Ps=100kN，最重轴载Pm=180kN 设计车道使用初期标准轴载日作用次数为3200 交通量年平均增长率为5,1)交通分析,1.2-1 交通分析,由表，一级公路的设计基准期为30年，安全等级为一级。由附录表，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.22。按式（）计算得到设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数：,由表3.0.7 可知，属重交通荷载等级。,次,1.2-2 初拟路面结构,2)初拟路面结构,施工变异水平取低等级。根据一级公路重交通荷载等级和低变异水平等级，查表4-3，初拟普通混凝土面层厚度为0.26m，水泥稳定砂砾基层0.20m，底基层选用级配砾石，厚0.18m。单向路幅宽度为23.75m(行车道)+2.75 m(硬路肩)，行车道水泥混凝土面层板平面尺寸取5.03.75m，纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。硬路肩面层采用与行车道面层等厚的混凝土，并设拉杆与行车道板相连。,路面材料参数确定,3)路面材料参数确定,按表和附录，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0MPa，相应的弯拉弹性模量与泊松比为31GPa、0.15。砾石粗集料的混凝土的热膨胀系数c=1110-6/。查附录表，取低液限粉土的回弹模量为100MPa，查表，取距地下水位1.0m时的湿度调整系数为0.80，由此，路床顶综合回弹模量取为1000.80=80MPa。查附录，水泥稳定砂砾基层的弹性模量取2000MPa，泊松比取0.20，级配砾石底基层回弹模量取250MPa，泊松比取0.35。,按式(B.2.4-1)式(B.2.4-4)计算板底地基综合回弹模量如下：,1.2-3.2 路面材料参数确定,板底地基综合回弹模量Et取为125 MPa。,混凝土面层板的弯曲刚度Dc(式(B.2.2-3)、半刚性基层板的弯曲刚度Db(式(B.4.1-2)，路面结构总相对刚度半径rg(式(B.4.1-3)为：,1.2-4 荷载应力,4)荷载应力,按式(B.4.1-1)，标准轴载和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力计算：,按式(B.2.1)计算面层荷载疲劳应力,式(B.2.6)计算面层最大荷载应力：,其中：应力折减系数kr=0.87（条）；综合系数kc=1.10（表）；疲劳应力系数,(式(B.2.3-1)。,1.2-5.1 温度应力,5)温度应力,由表，最大温度梯度取92/m。按式（）和式（）计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数BL：,1.2-5.2 温度应力,按式(B.3.3)计算面层最大温度应力：,温度疲劳应力系数kt，按式(B.3.4)计算：,按式(B.3.1)计算温度疲劳应力：,1.2-6 结构极限状态校核,6)结构极限状态校核,查表3-1，一级安全等级，低变异水平条件下，可靠度系数r取1.14。按式(3.0.4-1)和式(3.0.4-2)校核路面结构极限状态是否满足要求：,拟定的由计算厚度0.26m的普通混凝土面层和厚度0.18m的水泥稳定粒料基层组成的路面结构满足要求，可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用，以及最重轴载在最大温度梯度时的一次作用，取混凝土面层设计厚度为0.27m。,1.3 碾压混凝土基层上混凝土面板厚度计算,示例3 某地拟新建一条高速公路，水泥混凝土路面，碾压混凝土基层 公路自然区划III区 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 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7,1)交通分析,1.3-1 交通分析,由表，高速公路的设计基准期为30年，安全等级为一级。由表，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.22。按式(A.2.4)计算得到设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数：,次,由表3.0.7 可知，属特重交通荷载等级。,1.3-2 初拟路面结构,2)初拟路面结构,由表，相应于安全等级一级的变异水平等级宜为低级。根据高速公路特重交通荷载等级和低变异水平等级，查表4-3，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。水泥混凝土上面层板的平面尺寸：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3.50m，采用与行车道等厚混凝土并设拉杆与行车道板相连。,1.3-3.1 路面材料参数确定,3)路面材料参数确定,按表和附录，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、泊松比为27GPa、0.15。花岗岩为粗集料的混凝土热膨胀系数c=1010-6/。查附录表取低液限粉土的回弹模量为95MPa，查表，取距地下水位2.0m时的湿度调整系数为0.85，由此得到路床顶综合回弹模量为950.85=80MPa。查附录，级配碎石底基层回弹模量取250MPa。按式(B.2.4)计算板底地基综合当量回弹模量如下：,板底地基综合当量回弹模量Et取为130 MPa。,1.3-3.2 路面材料参数确定,混凝土面层板的弯曲刚度Dc(式(B.2.2-3)、半刚性基层板的弯曲刚度Db(式(B.4.1-2)，路面结构总相对刚度半径rg(式(B.4.1-3)为：,1.3-4.1 荷载应力,4)荷载应力,按式(B.4.1)，标准轴载和最重荷载在临界荷位处产生的荷载应力计算如下：,按式(B.2.1)计算面层荷载疲劳应力：,1.3-4.2 荷载应力,按式(B.2.6)计算面层最大荷载应力：,按式(B.4.2-1)计算基层荷载疲劳应力：,其中：接缝传荷应力折减系数kr=0.87（条）；综合系数kc=1.15（表）；,面层疲劳应力系数,（式（）；,基层疲劳应力系数,（式（）。,1.3-5.1 温度应力,5)温度应力,由表，最大温度梯度取90/m。按条，面层与基层之间（设沥青混凝土夹层)的竖向接触刚度kn取3000 MPa/m。按(B.3.3、计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数BL：,1.3-5.2 温度应力,按式(B.3.2)计算面层最大温度应力：,温度疲劳应力系数kt，按式(B.3.4)计算：,再由式(B.3.1)计算温度疲劳应力为:,1.3-6 结构极限状态校核,6)结构极限状态校核,查表3-1，确定可靠度系数r=1.30。按式(3.0.4-1)和式(3.0.4-2)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，贫混凝土基层设计厚度为0.18m，沥青混凝土夹层设计厚度0.04m。,1.4 面层复合板的厚度计算,示例4 某市新建一条穿城四车道一级公路，面层复合板，基层水稳碎石 公路自然区划区 穿城四车道一级公路 路基土为低液限粘土，路床顶距地下水位0.9m，地区粗集料为石灰岩 面层复合板：低噪音的橡胶水泥混凝土上面层+普通混凝土下面层 设计轴载Ps=100kN，极限轴载Pm=180kN 设计车道使用初期标准轴载日作用次数为750 交通量年平均增长率为5,1)交通分析,1.4-1 交通分析,由表，一级公路的设计基准期为30年，安全等级为二级。由表，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.22。按式(A.2.4)计算得到设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数：,次,由表3.0.7 可知，属重交通荷载等级。,1.4-2 初拟路面结构,2)初拟路面结构,由表，相应于安全等级二级的变异水平等级为低-中级。根据一级公路重交通荷载等级和中等变异水平等级，查表4-3，初拟面层复合板厚度为0.25m，其中，橡胶水泥混凝土上面厚0.08m，普通水泥混凝土下面厚0.17m，水泥稳定碎石基层0.20m，底基层选用级配砾石，厚0.20m。行车道，水泥混凝土路面板的平面尺寸为5.0m3.75m，纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。硬路肩宽3.0m，采用与行车道等厚普通混凝土面层，并设拉杆与行车道板相连。,1.4-3.1 路面材料参数确定,3)路面材料参数确定,按表，和附录，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为31GPa、0.15。橡胶水泥混凝土弯拉强度标准值为4.5MPa，弯拉弹性模量和泊松比为27GPa、0.15。石灰石为粗集料的混凝土热膨胀系数c=810-6 1/。查附录表，取低液限粘土回弹模量为85MPa，查表，取距地下水位0.9m时的湿度调整系数为0.70，由此，路床顶综合回弹模量为850.70=60MPa。查附录，水泥稳定碎石基层弹性模量取2000MPa，泊松比取0.20，级配砾石底基层回弹模量取250MPa，泊松比取0.35。,按式(B.2.4)计算板底地基综合回弹模量如下：,1.4-3.2 路面材料参数确定,板底地基综合回弹模量Et取为110 MPa。,混凝土面层复合板的等效弯曲刚度,(式(B.6.1-1)、,等效厚度(式(B.6.1-2)，半刚性基层板的弯曲刚度Db(式(B.4.1-2)），路面结构总相对刚度半径rg(式(B.4.1-3)计算如下：,1.4-3.3 路面材料参数确定,1.4-4.1 荷载应力,4)荷载应力,按式(B.4.1-1)和式(B.6.1-1)，计算设计轴载和最重荷载在临界荷位处产生的荷载应力：,按式(B.2.1)计算面层复合板荷载疲劳应力,式(B.2.6)计算面层复合板最大荷载应力：,1.4-4.2 荷载应力,其中：接缝传荷能力的应力折减系数kr=0.87（条）；综合系数kc=1.10（）；面层疲劳应力系数,（式（）。,1.4-5.1 温度应力,5)温度应力,由表，最大温度梯度取84/m。按式（）、式（）计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数BL：,1.4-5.2 温度应力,按式(B.6.2-1)式(B.6.2-2)计算面层复合板最大温度应力：,1.4-5.3 温度应力,温度疲劳应力系数kt，按式(B.3.4)计算：,再由式(B.3.1)计算温度疲劳应力：,1.4-6 结构极限状态校核,6)结构极限状态校核,查表3-1，一级公路、中变异水平下的可靠度系数r=1.20。按式(3.0.4-1)和式(3.0.4-2)校核路面结构极限状态是否满足要求：,拟定的由计算厚度0.08m厚的橡胶水泥混凝土与0.17m厚的普通混凝土复合而成面层满足要求，可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用，最重轴载在最大温度梯度时的一次作用。,2 沥青加铺层设计,示例 旧混凝土路面上加铺沥青混凝土层设计,公路自然区划的一条已建一级公路，原混凝土面层厚0.26m，板长5m，纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆假缝，基层为厚0.20m的水泥稳定砂砾。经交通调查分析得知，设计轴载Ps=100kN，最重轴载Pm=200kN，设计车道目前设计轴载日作用次数为7000，已建成通车10年。经调查评定，路面损坏状况和接缝传荷能力的分级标准为优良，无板底脱空。旧混凝土路面结构参数调查结果：弯拉强度实测标准值为4.5MPa，弯拉弹性模量标准值为29GPa，基层顶面回弹模量标准值为100MPa。拟加铺沥青混凝土面层，以改善路面使用性能。试确定沥青混凝土加铺层厚度。,1)交通分析,2.1 交通分析,由表，一级公路的设计基准期为30年。由附录A表，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.22。取交通量年平均增长率为5%。按式（）计算，剩余设计基准期内设计车道设计荷载累计作用次数为,由表3.0.7 可知，属重交通等级。,次,2.2 初拟路面结构,2)初拟路面结构,根据规范条的规定，初拟沥青混凝土面加铺层厚度为0.1m，由40 mm细粒式沥青混凝土和60 mm粗粒式沥青混凝土两层组成。按弹性地基单层板进行路面结构的应力分析。,2.3 路面材料参数确定,3)旧混凝土路面刚度半径,混凝土面层的弯拉强度标准值为4.5MPa，相应弯拉弹性模量为29GPa，泊松比为0.15。砾石粗集料的混凝土的热膨胀系数c=1010-6/。基层顶面当量回弹模量Et取100MPa。按式（）计算混凝土面层板的弯曲刚度Dc,按式（）计算路面结构总相对刚度半径r,2.4.1 荷载应力,4)荷载应力,按式（），设计轴载和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力计算：,由hc=0.26m，Ec/Et=29000/100=290，查图，得a=1.53。,MPa,MPa,2.4.2 荷载应力,按式（）计算有沥青混凝土上面层的旧混凝土板在设计轴载和极限荷载作用下临界荷位处产生的荷载应力为：,MPa,MPa,按式（）计算疲劳应力系数,根据条，取应力折减系数kr=0.87，综合系数kc=1.10。,按式（）计算混凝土面层的荷载疲劳应力,按式（）计算最大荷载应力：,MPa,MPa,2.5.1 温度应力,5)温度应力,根据表，IV区，无沥青上面层时温度梯度为89m，ha=0.1m时，查表得温度梯度修正系数t=0.59，则温度梯度Tg=890.59=53（m）。按式（）计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数BL：,按式（）计算最大温度梯度时混凝土面层板最大温度应力：,2.5.2 温度应力,MPa,查表，IV区，at=0.841，bt=1.323，ct=0.058。温度疲劳应力系数kt，按式（）计算：,按式（）计算面层板温度疲劳应力：,MPa,由hc=0.26m，Ec=29000MPa，查图，得a=0.675。,2.5.3 温度应力,按式（）计算有沥青混凝土上面层的混凝土面层板温度疲劳应力和最大温度应力：,MPa,MPa,2.6 结构极限状态校核,6)结构极限状态校核,查表，一级公路的安全等级为一级，目标可靠度为90%，变异水平等级为中级。再查表3-1，确定可靠度系数r=1.20。按式（）和式（）计算：,因而，所选沥青混凝土加铺层厚度（0.1m），使得旧混凝土面层不仅可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用，也可以承受最重轴载在最大温度梯度时的一次作用。,3 连续配筋混凝土配筋,公路自然区划III区新建一条一级公路，重交通荷载等级，选用连续配筋混凝土面层厚0.26m。路基土为粘土，基层采用厚0.18m的水泥稳定碎石。,示例 连续配筋混凝土路面配筋设计,1)计算参数,3.1 计算参数,混凝土弯拉强度为5.0MPa，查表，混凝土抗压强度fc=42MPa，混凝土抗拉强度ft=3.22MPa。混凝土泊松比c=0.15，混凝土容重c=24kN/m3，混凝土线膨胀系数c=1.110-5/C。查表，混凝土面层与基层间摩阻系数=7.5。由表，取公路自然区划III区的最大正温度梯度为92C/m，最大负温度梯度按1/3正温度梯度取值，Tg=-92/3=-30.7C/m。公路自然区划III区，k1=0.68。年平均空气相对湿度a=40%，钢筋埋置处混凝土温度与硬化时温度的最大温差T=35C。混凝土水灰比W/C=0.4，混凝土用水量w0=1400N/m3。采用盖麻布养生，a1=1.0。纵向钢筋选用HRB335钢筋，设配筋率=0.75%，钢筋的埋置深度=0.10m，钢筋直径ds=16mm，钢筋的线膨胀系数s=910-6/C。按附录，取钢筋的弹性模量Es=200000MPa，钢筋屈服强度fsy=335MPa。,3.2-1 计算横向裂缝间距,2)计算横向裂缝间距,3.2-2 计算横向裂缝间距,混凝土板相对刚度半径r=0.870 m，由式（）计算得到翘曲应力系数CL=0.494。设平均裂缝间距初始值为0.7 m，经迭代计算得到c1=1.148，根据式（D.1-1）计算得到Ld=0.722 m0.72m（小于裂缝平均间距1.80m的要求）。,3.3 计算横向裂缝平均缝隙宽度,3)计算横向裂缝平均缝隙宽度,小于缝隙平均宽度0.50mm的要求。,3.4 计算裂缝处纵向钢筋应力,4)计算裂缝处纵向钢筋应力,MPa（小于钢筋屈服强度335MPa）,计算结果满足裂缝宽度、裂缝间距和裂缝处钢筋的应力三方面的要求，因此初拟的纵向钢筋配筋率是合适的。,3.5 钢筋间距或根数计算,5)钢筋间距或根数计算,钢筋间距为,或每延米纵向钢筋根数为,根,联系方式和公共邮箱,周玉民同济大学交通运输工程学院上海嘉定区曹安公路4800号，201804公共邮箱：密码：glpxnn1229,谢谢大家！,