I9水泥混凝土路面结构设计

null第 九 章第 九 章水泥混凝土路面结构 Design Of Pavement Structure For Cement Concretenull水泥混凝土路面：指以水泥混凝土板作为主要承载结构层，而板下的基垫层及路基统称为地基，起支承作用。水泥混凝土路面分类：1.普通混凝土（仅在接缝或边角配筋）；2.钢筋混凝土；3.连续配筋混凝土；4.碾压混凝土；5.钢纤维混凝土。设计理论：弹性地基板理论设计内容：1.结构层次组合；2.路面板尺寸确定；3.接缝构造及配筋设计9.1 混凝土路面的损坏模式和设计要求一、损坏模式：1.断裂：原因为板太薄或轮载过重和作用次数过多，板的平面尺寸太大。2.挤碎：接缝附近受挤压而碎裂。3.拱起：接缝两侧的板突然向上拱起，为纵向屈曲失稳引起。4.唧泥：接缝内喷溅出泥浆现象，使路面板边缘和角隅部分逐渐失去支承， 导致断裂。5.错台：竖向相对位移。水泥混凝土路面优缺点：强度高、稳定性好、耐久性好、养护费用少、经济效益高、有利于夜间行车；对水泥需要量大、有接缝、开放交通迟、修复困难。null二、设计要求：1.路基和基层设计：要求密实、均匀、稳定和防冻厚度及E。大于值。2.混凝土材料组成设计：配合比及材料要达到高强、耐磨和抗冻。3.路面板几何尺寸设计：平面尺寸、板厚设计，以使强度（σp,σt）满足要求。4.接缝及配筋设计：选接缝类型、布置接缝位置、定接缝构造，以提高接缝传荷能力。 混凝土面板承受的应力很多，有荷载应力σp 、温度应力σt 、收缩应力、体积变化应力等，设计时，主要考虑σp，σt。9.2 弹性地基板的应力分析 混凝土路面在荷载P作用下变形很小，其Ｅ远大于路基和基垫层的Ｅ，其间的摩阻力一般也不大，鉴于这个特性，用弹性地基板理论分析。一、荷载应力分析：1.弹性地基小挠度薄板理论：厚度不到平面尺寸的1/10的板叫薄板，竖向位移远小于厚度的变形叫小挠度。null 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. σz,εz≈0,W为（x,y)的。2. 无横向剪应变，γxz =γyz = 0 。3. 中面上各点无x、y方向位移，u = v = 0 ,只有 W 。则板挠曲面微分方程为：null采用圆柱坐标时：2.Winkler地基（K地基）：1）板中受荷时：当δ<0.5h时，偏差较大，用代替δ。2）板边部中受荷时：当δ<0.5h时，偏差较大，用b代替δ。3）板角受荷时：当板角脱开时：δ下降。在以上诸式中，l为板的相对刚度null例题：黄河JN-150型车后轴一侧双轮组，P=50.8KN，p=0.7MPa,h=0.22m, Ec=30000MPa,µc=0.15,k=50MPa,求不同轮载位置时的最大应力值。解：双轮组按单圆荷载考虑查P197图得：Ci=1.29，Ce=1.92，Cc=1.69，Cc′=2.43∴板中应力：∴板边中部应力：∴板角应力：null3.弹性半无限地基板（E地基）：半无限地基上无限大板受到集中或圆形分布荷载作用时，属于轴对称问题。距荷载中心r处挠度：为半无限地基板的相对刚度半径，Es、µs为地基参数。距集中荷载作用中心r处，板在单位宽度的幅向弯矩Mr和切向弯矩Mt:nullM算出后，得到单位板宽应力当板受到多个车轮荷载时，可取其中一个为主轮 算出M。按均布荷载考虑，其他各轮按集中荷载考虑,算出Mr、Mt。然后叠加它们的影响，叠加时注意应力的方向。如统一取x,y方向，则Mr、Mt转换为Mx、My时，用材料力学公式：看到书上199页例题9.14.弹性地基板的有限元解：A、m、n为回归系数。见P201表9-3。二、温度应力分析：1、胀缩应力：1）二维板中部：Td为温差。升高时为正,降低时为负．null看到书上204页例题9.2,例题9.33)对于窄长混凝土板：　　混凝土Ｅc的取值，应考虑应力作用的持续时间．由于混凝土的蠕变效应，其持久Ｅ仅为Ｅ的1/3~2/3．γc为混凝土容重,取0.024KN/m3,f为板与地基间的摩阻系数,采用1~2 2）一维板边中部： 约束板长变化的地基摩阻力随板的重量而变,也即同离板自由端的距离x成正比。此时:σt=γc · f · x 为减小胀缩应力,可将路面板划分为有限尺寸板,若板长为6米时,σt=0.1MPa左右,可不计.2、翘曲应力：　　由于混凝土导热性能差，当气温变化时,板顶和板底产生温差,胀缩应力将不同,会引起翘曲. 当板顶温度高于板底时,板中部力图隆起.受到约束后板底将出现拉应力.反之,板顶出现拉应力.null1)文克勒地基(K地基)：三个假设：温度沿板厚呈直线变化;板的自重不计;板与地基始终保持接触.当板较厚时,温度变化(沿板厚)为非线性.则:2)E地基：无解析解,只有数值解(有限元解),查P206图9-14.null9.3 结构层组合设计主要考虑交通等级、气候、路基及材料情况，与柔性路面不同。一、路基和基（垫）层：1、路基：控制变形，如不均匀变形→脱空现象→应力增大→破坏。措施：按填筑规则填；压实时含水量→ 最佳；压实度、排水、加固、设垫层。2、垫层：3、基层：均匀、稳定的支承，防止唧泥、错台，延长寿命，方便。要求有足够刚度、稳定性，断面正确、平整，耐冲蚀能力。宽度比面板宽25~35cm，或与路基同宽。基层顶面Et不小于P209表9-5的E值。由此定h。新建道路hmin=15cm，补强（在柔性路面上）时，h=8cm(砂、砾石),h=10cm（水稳类）,对岩石路基h=6~8cm。1）改善路基水温状况；2）阻止路基土挤入基层；3）保证路面结构的稳定性，以减少路基顶面的应力和变形； 4）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)5）具有一定的强度、好的水稳性、抗冻性。null二、混凝土面板：等厚式：hmin=8cm，一般情况下P209表9-5。为减少σt，将面板分成有限尺寸的矩形板，板宽Bmax=4.5，板长一般4-5m，不大于6m。9.4 路面板尺寸的确定设计理论和方法：我国采用弹性半无限地基板理论和有限元方法计算板内弯拉应力σ。1.E地基：我国设计人员特别喜欢用，更接近实际。2.有限元法：路面结构临界损坏状态：以设计使用年限末期，板出现疲劳开裂。荷载：标准轴载。设计指标：荷载疲劳应力σrp+温度疲劳应力σrt=（0.95~1.03）fcm fcm为混凝土的抗弯拉强度。null一、交通分析：1.轴载换算：（水泥混凝土路面和柔性路面不同）换算系数：P i 为各级轴载的单轴重或双轴总重（KN），小于或等于40KN（单轴）和80KN（双轴）可不计。2.交通分级：按使用初期每日通过的标准轴载次数Ns可分为：特重Ns>1500次/天；重Ns>200次/天；中Ns>5次/天；轻Ns<5次/天。3.累计作用次数（设计使用年限内）：γ为交通量的平均年增长率，η为轮迹分布系数。t为时间使用年限null二、荷载疲劳应力σrp分析：1.临界荷位：使路面板产生最大应力、最大挠度或最大疲劳破坏的一个荷载位置 除纵缝为企口加拉杆型和横缝为自由边（不设传荷能力的假缝）其临界荷位出现在横缝边缘中部外，其余均在纵缝边缘中部。2.材料参数：1）fcm(混凝土的抗弯拉强度):以28天龄期为准。如混凝土浇筑后90天不开放交通，fcm(90d)=1.1fcm(28d)；Ec以实测为准。3.荷载的疲劳应力：2）地基回弹模量:有基层顶面的当量回弹模量Et和计算回弹模量Es。原有柔性路面上铺混凝土板时：若所得的Et<9-5表规定，则用Et查图9-18得补强层厚度h 1 。计算回弹模量：Es=nEtαs为计算荷位系数，板中时取1.0，板边时取0.75。null三、温度疲劳应力σrt分析： σ r t = k t σ t mKt为疲劳系数，σtｍ为最大温度梯度时的温度翘曲应力。此时：四、混凝土板尺寸检验或确定： σ r p + σ rf = ( 0.95 ~ .03 ) f cm见P214-216例题9.49.5 接缝及配筋设计一、接缝设计：1、接缝的种类及构造：按方向分有纵缝和横缝；按形式分有真缝（分平口和企口）和假缝；按缝填封材料分有接缝板和填缝料。1）纵缝：有缩缝和施工缝；当一次铺筑小于路面宽度时，应设施工缝。null当一次铺筑宽度大于路面容许的板宽（4.0~4.5m)时，应设纵向缩缝。缩缝做成假缝形式，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。由于断裂表面凹凸不平、互相嵌锁，使这类接缝具有一定的传荷能力。缝槽深度要适中，过浅，混凝土截面的强度削弱得不够，从而不能保证以后的断裂发生在接缝的位置上；过深，不规则断裂面积过少，接缝的传荷能力就降低。一般缝槽深为1/4~1/5h。槽宽尽可能窄些，一般为3~8m。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。纵缝设置的横向拉杆，一般采用螺纹钢筋，中部10cm范围内应刷防锈涂料。每延米纵缝所需的拉杆钢筋面积As(c㎡)，按下式计算：B、h为混凝土板的宽度（m）和 厚度（cm）；［s］为钢筋的容许拉应力，螺纹钢筋取160MPa，光园钢筋取135MPa。null 拉杆应具有足够的长度，使锚固在混凝土内的拉杆能发挥其抗拉能力。此外，还要考虑施工误差，应留有一定的余地（例如5cm），故拉杆的长度Ls(cm)，按下式确定：ds为拉杆钢筋直径（cm）;[s]为钢筋同混凝土的容许粘结应力，螺纹钢筋取1.8MPa,光园钢筋取1.25MPa。拉杆的尺寸和间距可参见P217表9-12。2）横缝：有缩缝、施工缝和胀缝。为减小混凝土的收缩应力和温度翘曲应力而设置缩缝，横向缩缝一般采用假缝形式，重交通时设传力杆。传力杆采用光园钢筋，一半以上长度涂以沥青或套上塑料膜套等，使之在混凝土收缩时能够滑动。 每天施工结束或混凝土浇筑中断半小时以上时，需设置横向施工缝。其位置宜设在胀、缩缝处。设在缩缝处的横向施工缝采用平口加传力杆型，若施工缝设在两条缩缝中间，则做成企口加拉杆型。 设置胀缝的目的是使混凝土板有膨胀的余地，从而避免产生过大的热压应力。胀缝采用平缝形式，下部设接缝板，上部为填封料，并设置传力杆。常用的胀缝缝隙宽度为2.0~2.5cm。详见P218图9-22。null 接缝填封材料按使用部位分为接缝板和填缝料。填缝料按施工方式又分为加热灌入式、常温灌入式和嵌缝条三种。2、接缝布置：纵缝：车道线划分处（3~3.75m宽），避免纵缝设在轮迹上。 横缝：4、4.5、5、5.5、6m等，也可与纵缝斜交，减少行车跳动。 胀缝：尽量不设，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。二、配筋设计：1、普通砼板的补强钢筋：边缘钢筋：纵、横向自由边设置12~16螺纹筋，布设在板的下部，端部弯起，保护层5cm。角隅钢筋：胀缝两侧板的角隅及板的锐角处，可选用两根12~16的螺纹钢筋弯成发针型，布置在板的上部；板呈锐角形时，上下部都补强。2、钢筋砼板：当混凝土板的屏幕尺寸较大或形状不规则、板下埋置地下设施或地基有不均匀沉陷时，为防止裂缝缝隙张开需配置钢筋网。钢筋面积：L为计算纵（横）向筋时横（纵）缝间距。null 为使板内应力尽可能分散，宜用小直径钢筋。纵横向钢筋的直径宜相同。钢筋的最小直径为：6mm(光园筋）和10mm（螺纹筋）；钢筋的最小间距为集料的两倍。最大间距为：15cm（纵向，光园筋）、35cm（纵向，螺纹筋）、30cm（横向，光园筋）、75cm（横向，螺纹筋）。钢筋设在距顶面1/3~1/4板厚处，搭接长度大于25d，不小于25cm。钢筋混凝土板横缝间距一般为10~20m，最大不宜超过30m ，且需设置传力杆3.连续配筋砼路面：不设横缝，一般用于高速公路和一级公路。9.6 混凝土加铺层设计 混凝土路面加铺层指为提高原有混凝土路面的承载能力和改善表面功能而加，形成一种双层混凝土路面。一、加铺层的结构型式： 混凝土加铺层可采用普通砼 或钢纤维混凝土等。而钢纤维混凝土一般用于路面标高受限制的地段。1.结合式：新旧混凝土层牢固结合成整体。要求接缝必须与原板一致，但可不设拉杆（传力杆），适用于原板完整无裂缝，或有一些裂缝但不再发展并已修复的情况。null2.直接式：新旧直接浇筑混凝土加铺层。同样要求接缝对齐，但接缝形式或缝隙宽度可不一定完全相同。适用于旧路面的结构损坏不太严重并已修复时，可采用这种结构形式。3.分离式：在原路面与加铺层间设沥青类材料等隔离层，以防下层板的接缝、裂缝反射到上层来，并使上、下板分别发挥其强度作用，加铺层与新建路面一样设计。适用于：当旧路面板严重破坏或道路标高和路拱坡度需作调整时。二、双层板的应力分析： 旧混凝土路面加铺层结构的力学图式为弹性地基上的双层板。其应力可用等强度理论。按层间接触条件将双层砼板转换为等效的单层砼板设计。1.中面位置：1)结合式双层板：完全粘结。2)分离式双层板：完全光滑。看作为各自具有中面的双层薄板。K=03)直接式：加铺层与旧砼路面间既有一定的粘结和摩阻力作用，但又不完全结合。K在0~1之间。null2.等效换算：只要以双层板的弯曲刚度Dd代替单层板的弯曲刚度D即可按单层板计算方法和公式确定双层板的应力。d1为下层板底面至中面的距离，d 2为上层板底面至中面的距离。ku为层间结合系数。 结合式：ku取1.0；直接式：ku=0.4~0.7；分离式：ku=0。 混凝土弯拉弹性模量与上层板（加铺层）相同的等效单层混凝土板的厚度hd为：3.应力计算：单层混凝土板的荷载疲劳应力和温度疲劳应力分别按下式计算：null三、加铺层设计：1、原路面状况调查与评定：1）原路概况调查：调查记录裂缝条数、位置、原因，算出路段内断裂板和其它损坏板的百分率，以此作为路面评定的依据。2）结构强度评定：确定原有路面的承载能力，为加铺层厚度计算提供必要参数。①旧混凝土板的计算参数：旧混凝土板的弯拉强度（f1m)可采用钻孔取出的圆柱试件进行劈裂试验(得fsp)，按下式确定：旧混凝土弯拉弹性模量可采用右式计算：②地基（基层）顶面的回弹模量：旧混凝土板厚h1（ cm ）按右式计算：null旧混凝土路面板下基层顶面的当量回弹模量Et为：计算行车荷载应力时，结合式加铺层：Es=nEt直接式加铺层，还应乘以0.8的折减系数；分离式加铺层则根据厚度乘以相应的折减系数。计算翘曲应力时，n=0.35。2、加铺方式及厚度的确定： 根据原有路面的结构损坏状况、接缝布置和路拱坡度以及加铺层设计标高等条件，选用加铺层的种类和结构形式。普通混凝土加铺层的厚度要通过试算来确定。先预估加铺层的厚度h2，按双层板应力分析方法和公式计算σ1、σ2，当0.95<σ1/fcm1<1.03,且σ2<1.03fcm2时，即可。否则应改变h2，重新计算。考虑到混凝土板的结构完整性，结合式h2>10cm；直接式h2>14cm；分离式h2>18cm。null 钢纤维混凝土加铺层计算先按普通混凝土加铺层进行，然后按体积率取普通混凝土加铺层厚度的55%~65%，但结合式不宜小于5cm；直接式不宜小于8cm；分离式不宜小于10cm。 分离式钢纤维混凝土加铺层的接缝设置与钢纤维混凝土路面一样。全幅摊铺时，可不设纵向缩缝，横向缩缝间距一般为15~20cm.书上P226给出了加铺层设计的一个例题9.5。作业：9.9；9.11