水泥混凝土路面课程设计讲稿

普通水泥混凝土路面设计
—课程设计
东南大学交通学院道路工程系
•复习普通水泥混凝土路面结构的受力状态•掌握普通水泥混凝土路面设计原理、步骤和方法
•进行设计实践，从中明确各设计参数对水泥混凝土路面的影响，从理论角度了解水
泥混凝土路面构造与结构因素的重要性。

•三大部分：
•1、平面尺寸设计
•2、接缝设计
•3、板厚设计
先后顺序：平面尺寸－>接缝－>板厚
原因：平面尺寸、接缝形式都会影响板块受力状态，从而改变板厚设计结果，所
以需先行确定。

•目标：普通水泥混凝土路面存在接缝，将路面划分为多个板块，平面尺寸设计就是确定板块的平面尺寸，实际上也就是确定接缝（横（缩）缝和纵缝）的间距。

•设计原则：
•1、板块在路面设计宽度内尽量均匀布置；
•2、有分隔带的，在一侧行车宽度范围内，结合路缘带宽度确定；
•3、在半填半挖路段，为防板块纵裂，宽度不宜大于4.5m；•4、板块最小宽度需兼顾行车道宽度，一般宜大于3.5m；
•5、板块长度一般4-6m，是宽度的1-1.3倍。

•主要确定纵缝、横缝处的构造、布置和间距（如：胀缝间距等）
•接缝种类：纵缝、横缝（缩缝、胀缝、施工缝）
•接缝类型：
•纵缝有：设拉杆平口纵缝、设拉杆企口纵缝等
•横缝有：假缝、加传力杆的假缝等。

接缝构造示意图
•1、在板块尺寸和接缝设计之后进行；•2、设计理论涉及的参数很多，常采用试算方法：即固定其他参数，试取一个初始厚度计算板块疲劳应力，然后与材料抗折强度比较，小于材料强度的则减小厚度，直到刚好满足设计准则公式为
止，否则增大板厚。

设计准则关系式
•公式左边三项分别代表：可靠度系数、荷载疲劳应力和温度疲劳应力；右边是水泥混凝土面板材料的弯拉强度。

按水泥混凝土弯拉强度为设计标准，要求因荷载和温度产生的疲劳应力，在一定可靠度保证的情况下，小于材料的弯拉强度，不发生破坏。

r
tr pr r f ≤+)(σσγ
•2、初拟路面结构，确定路面材料参数；
•3、计算基层顶面当量回弹模量，板块的相对刚度半径；
•4、计算荷载应力、修正系数及荷载疲劳应力；•5、计算温度翘曲应力、温度疲劳应力系数及温度疲劳应力；
•6、可靠度系数的选取；
•7、结构安全性判别、厚度调整与优化；
•8、验证最小防冻厚度要求。

交通量分析
•分析步骤（目标：设计基准期内的设计车道标准荷载累计作用次数）：
•1、先获取公路一个断面（双向）设计初始年份的初始年平均日交通量（新建路面为预测值）；
•2、一般情况下乘以0.5得到单向交通量；
•3、然后乘以车道分配系数得到设计车道初始年平均日交通量；
•4、再进行轴载换算得到设计车道使用初期标准轴载日作用次数；
•5、最后根据交通量增长率（新建路面为预测值）和车辆轮迹横向分布系数得到设计基准期内的设计车道标准荷载
累计作用次数N
e 。

•1、指交通量在道路横向各车道上的分布规律；
•2、车道数越多，分配到每个车道上的交通量越小；
•3、设计时将交通量分配最多的车道作为
设计车道。

轴载换算方法
•为考虑公路上多种轴载作用对路面的总疲劳效应，而分析时可按标准轴载计算，需进行轴载换算，将不同轴载疲劳效应换算为等效效应下标准轴载的作用次数
•－轴－轮型系数。

单轴－双轮组时为1；单轴－单轮、双轴－双轮组、三轴－双轮组时，分别按式（1）、（2）、（3）计算。

∑==n
i i i i s P N N 116
)
100/(δ(3)
1024.2(2) 1007.1(1) 1022.222
.08
22.0543
.03−−−−−×=×=×=i
i i i i
i P P P δδδi δ
标准轴载累计作用次数•设计基准期内的设计车道不利位置（一般是纵缝边缘中部）标准荷载累计作用次数
交通等级
•根据计算出的设计基准期内的设计车道标准荷载累计作用次数大小，可划分公路交通等级
•根据交通等级，需满足相应的板块混凝土弯拉强度标准要求
•交通等级确定了适宜的基层材料类型
•各类基层材料有其适宜的厚度范围
初拟路面结构（面层）•不同交通等级、公路等级有最小路面厚度要求
路面材料参数的确定
•两种方法获得，一是试验法，一是按规范经验参考表取值法
计算基层顶面当量回弹模量（1）
•与弹性半空间体地基上的板的理论相对应•计算方法：
•1、将多层材料的厚度和模量折算成单层厚度与模量
MPa
h
h h E h E E x 单位： 22
2122221
1++=m
E D h m MN h
E h E h h h E h E D x g x g 单位：单位： /12 114)
(121231
22112
2132
231
1=⋅⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝⎛++++=−
计算基层顶面当量回弹模量（2）
•2、根据折算后单层厚度和模量，结合路基回弹模量计算基层顶面当量回弹模量
MPa E
E E ah E E
E b E
E a x
b x
t x
x
单位： 44.1151.1122.63
/10
055
.0045
.00⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝⎛=⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝⎛−=⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝⎛−=−−
相对刚度半径
•板块（弯拉模量）相对于路基（顶面回弹模量）的刚度半径
•它与板块受力有直接联系。

m
E E h r t c 单位： /537.03=
荷载应力计算
•与相对刚度半径有关，根据有限元计算结果回归的关系式
MPa h r ps 单位： 077.02
66.0−=σ
修正系数确定（1）
•
共三个：•
（反映接缝传荷能力的）应力折减系数•
（反映疲劳作用的）疲劳应力系数•（考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的）综合系数•纵缝为设拉杆的平缝时，取0.87～0.92（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1.0；纵缝为设拉杆的企口缝时，取0.76～0.84。

r k f
k c
k r k
修正系数确定（2）
•疲劳应力系数•与面板材料混合料性质有关的指数，根据水泥混凝土路面类型不同而取不同值，对普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土，取0.057，碾压混凝土取0.065
•考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏
影响的
ν
e f N k =f k c k
温度翘曲应力计算（1）•与板块内部沿板厚的温度分布有关，用温度梯度表征
•温度翘曲应力计算公式
MPa B hT E x g c c tm 单位： 2
ασ=
温度翘曲应力计算（2）
的确定方法：根据l、r和h查图确定•B
x
温度疲劳应力系数
与温度疲劳应力
•考虑了蠕变、应力松弛等情况后，对单次翘曲应力进行修正，得到温度疲劳应力的系数⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=b f a f k c r tm tm r t σσMPa k tm t tr 单位： σσ=
可靠度系数的选取
•公路等级不同，要求的安全等级不同，控制的变异性（变异水平等级指标）高低不同（对施工控制提出了明确指标）。

结构安全性判别与厚度调整•安全判别公式（设计准则）：
•厚度调整：
•1、初步拟定的面板厚度不一定是最佳厚度（使准则关系式成立且两边差值最小）；•2、需根据初拟厚度计算结果调整初拟厚度，如不满足则增加厚度1cm ，如果满足则减小厚度1cm ；
•3、直到获得满足关系式的最小厚度（取整数厘米值）为止。

r
tr pr r f ≤+)(σσγ
•1、季节性冰冻地区；
•2、路面总厚度必须大于一定值才能避免冰冻的影响；
•3、水泥混凝土路面路基以上各层总厚度如
小于最小防冻厚度，则需增加垫层补足。

•公路自然区划III区拟新建一条二级公路，路基回弹模量根据以往经验取30MPa，采用普通混凝土路面，路面宽16m（双向四车道），经交通调查与预测知设计车道使用初期标准轴载日作用次数为3200，交通量年增长率取4%。

试设计该路面厚度。

•为统一计算结果，补充下列条件：
•平面尺寸设计：板长5m，板宽4m；
•接缝设计：纵缝采用设拉杆平缝，横缝采用不设传力杆的假缝；
•初拟路面结构：底基层20cm石灰粉煤灰稳定土，基层
18cm水泥稳定碎石。