第十六章  水泥混凝土路面设计 第一节  概述 设计理论 弹性地基上的小挠度薄板理论 水泥混凝土路面破坏的力学分析 荷载的疲劳应力 温度翘曲应力 不均匀的基础变形使板底脱空而产生过大的弯拉应力 水泥路面的破坏型式：断裂、唧泥、错台、拱起、接缝挤碎等 设计要求：荷载疲劳应力＋温度翘曲应力不超过混凝土的抗弯拉强度即 水泥混凝土路面设计内容 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 路面排水设计 普通混凝土路面的钢筋配筋率设计  第二节   弹性地基板体系理论概述 小挠度弹性薄板的基本假设 薄板全厚度范围内的所有各点具有相同的竖向位移。 板内无横向剪切应变。 中性面上各点无平行于中面的位移。 在变形过程中，板与地基的接触面始终吻合，即板面与地基表面的竖向位移是相同的。 在板与地基的两接触面之间没有摩阻力（可以自由滑动），即接触面上的剪应力视为零。 2.板挠曲面微分方程 板挠曲面微分方程 由力的平衡方程得： 板中心挠曲面微分方程求解  由上式p、q、w、D知，         P、D已知，如求得                             的关系 ，则可求出W. 进而可求出板应力σ    两种地基模型： 文克勒地基模型q(x,y)=kW(x,y) 弹性半空间地基模型 q(x,y)=f[W(x,y)] 板内应力求解 第三节  水泥混凝土路面荷载应力分析 文克勒地基板的荷载应力分析－无限大板 文克勒地基模型q(x,y)=kW(x,y) 威斯特卡德(max.book118.com.Westergaard)求出三种荷位下无限大板的挠度、弯矩和板底的最大弯拉应力 第三节  水泥混凝土路面荷载应力分析 弹性半空间体地基板的荷载应力分析 弹性半空间体地基q(x,y)=f{W(x,y)}      无限大板－解析解 有限尺寸矩形板 无解析解 可得到有限元解 第四节  水泥混凝土路面温度应力分析 胀缩应力       混凝土面板设接缝划分为有限尺寸板后，因收缩而产生的应力很小，可不予考虑。 翘曲应力 气温升降，板顶和板底产生温差，使板产生翘曲变形。 翘曲应力公式（式16－37、式16－38） 第五节   水泥混凝土路面板厚设计方法 设计依据－结构可靠度设计方法 可靠度设计标准 2.变异系数范围 3.可靠度设计表达式 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，其表达式为： 可靠度系数 混凝土弯拉强度标准值 水泥混凝土的强度以28天龄期的弯拉强度控制。当混凝土浇筑后90天内不开放交通时，可采用90天龄期的弯拉强度。各交通等级要求的混凝土弯拉强度标准值不得低于下表的规定：  二、设计参数 标准轴载：100KN的单轴－双轮组荷载 轴载换算：不同轴－轮型和轴载的作用次数按下式换算为标准轴载的作用次数(P436式16-1)： 交通分级 4.设计基准期内设计车道的累计标准轴载作用次数 车轮轮迹横向分布系数 5.水泥混凝土面层厚度的参考范围 三、混凝土板荷载疲劳应力分析 临界荷位：选取混凝土板的纵向边缘中部作为产生最大荷载和温度梯度综合疲劳损坏的临界荷位。 2.标准轴载      在临界荷位处产生的荷载疲劳应力 四、温度疲劳应力分析 在临界荷位处的温度疲劳应力：  五、混凝土板厚度计算流程 路面结构组合设计           根据相关的设计依据，进行行车道路面结构的组合设计，即初拟路面结构，包括路床、垫层、基层和面层的材料类型和厚度。 初选混凝土路面层厚度            按混凝土面层厚度建议范围，依据交通等级、公路等级和所选变异水平等级初选混凝土板厚。 计算荷载疲劳应力和温度疲劳应力。 当                                                        时，则初选厚度可作为混凝土的计算板厚。否则，应改选混凝土板厚，重新计算，直到满足上式要求。设计厚度依计算厚度按10mm向上取整。          END                          *武汉理工大学             李月光 * P－－板表面竖向荷载 q－－地基对板底面竖向反力 气温升高时 气温降低时 中-高 中 低-中 低 变异水平等级 80% 85% 90% 95% 目标可靠度 0.84 1.04 1.28 1.64 目标可靠指标 20年 20年 30年 30年 设计基准期 四级 三级 二级 一级 安全等级 三、四级 二级 一级 高速 公路等级 0.06~0.08 0.04~0.06 0.02~0.04 面层厚度 0.35~0.55 0.25~0.35 0.15~0.25 基层顶面当量模量 0.15~0.20 0.10~0.15 0.05~0.10 混凝土弯拉强度、弯拉弹性模量 高 中 低 变异水平等级 式中：           －可靠度系数，依所选目标可靠度及变异水平等级确定；                            －行车荷载疲劳应力（MPa)，计算方法见后；                           －温度梯度疲劳应力（MPa),计算方法见后；                           －水泥混凝土弯拉强度标准值(MPa). 1.07~1.11 1.13~1.18 1.23~1.33 -- 高 1.04~1.07 1.08~1.13 1.16~1.23 1.33~1.50 中 -- 1.04~1.08 1.09~1.16 1.20~1.33 低 80 85 90 95 目标可靠度(%) 变异水平等级 5.0 5.5 6.0 6.0 钢纤维混凝土的弯拉强度标准值(MPa) 4.0 4.5 5.0 5.0 水泥混凝土的弯拉强度标准值(MPa) 轻  中等  重 特重 交通等级  3 3~100 100~2000  2000 设计车道标准累计作用轴次Ne(104) 轻 中等 重 特重 交通等级 0.54~0.62 行车道宽≤7m 0.34~0.39 行车道宽 7m 二、三、四级 公路 0.17~0.22 高速、一级公路 纵缝边缘处 公路等级 220～250 230～260 240～270 ≥240 ≥250 ≥260 面层厚度(mm) 中 低 中 低 中 低 中 低 变异水平等级 二级 一级 高速 二级 一级 高速 公路等级 重 特重 交通等级 中 ≤220 ≤230 220～200 230～220 240～210 面层厚度(mm) 中 高 中 高 高 变异水平等级 三、四级 三、四级 三、四级 二级 公路等级 轻 中等 交通等级 纵缝 标准轴载Ps在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力（MPa） 考虑接缝传荷能力的应力折减系数 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 考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数 标准轴载Ps在临界荷位处产生的荷载疲劳应力（MPa） 最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力（MPa） 考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力系数 * * *武汉理工大学             李月光 

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