水泥路面結構創(chuàng)新設計

水泥路面結構創(chuàng)新設計教學目標教學要求：基本設計理論（重點掌握）可靠度設計基本原理（掌握）設計方法和步驟（熟練掌握）其它設計方法（一般了解）教學目標：讓學生掌握水泥混凝土路面設計理論的發(fā)展過程，掌握規(guī)范設計步驟與方法，可獨立設計難點：理論演化發(fā)展過程及其與規(guī)范方法的關系水泥路面結構創(chuàng)新設計病害引出設計指標——彎拉應力斷板、角隅斷裂是常見的結構性病害特征主要原因是：板塊裂縫處在重復彎拉疲勞作用下，材料力學指標（抗折強度）下降，最后單次荷載作用超出材料強度產(chǎn)生微裂縫，逐步發(fā)展成為上述病害。水泥路面結構創(chuàng)新設計水泥混凝土路面特點（1）1水泥混凝土本身的抗壓強度遠大于抗折強度——以抗折強度作為設計標準；2混凝土板在自然條件下，存在沿板厚方向的溫度梯度，會產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象，如果受到約束，會在板中產(chǎn)生翹曲應力——溫度翹曲應力3荷載多次重復作用，溫度梯度也反復變化，混凝土板有疲勞現(xiàn)象——要考慮交通量重復作用的疲勞效應水泥路面結構創(chuàng)新設計水泥混凝土路面力學特點（2）1混凝土的強度遠大于基層和土基模量和強度——地基被簡化為單一體2基層表面與路面板間摩擦力較小——滑動假定，只傳遞豎向力3板塊厚度相對與平面尺寸較小，板塊在荷載作用下的撓度（豎向位移）很小——忽略z方向應力應變變化細節(jié)——發(fā)展出小撓度彈性薄板理論水泥路面結構創(chuàng)新設計水泥混凝土板的基本力學模型為分析水泥混凝土板塊受拉而發(fā)展：1、起點：完全彈性問題（彈性力學經(jīng)典三方程）2、簡化：力學特點假定具體公式3、結果：水泥路面結構創(chuàng)新設計理論解析解——q（x，y)不同荷載應力：1、Winkler——溫克勒地基特點（“浮板”）2、Westergaard解——溫克勒地基上的小撓度彈性無限大板（板中）、半無限大（板邊）、四分之一無限大（角隅）的解答，Kelly根據(jù)阿靈頓試驗段結果進行修正3、Hogg解——彈性半空間體地基上的小撓度彈性無限大圓板（軸對稱課題）溫度應力：1、均勻降溫應力——板塊尺寸有限而舍去2、翹曲應力——線性變溫、板受到地基完全約束情況下的Westergaard解水泥路面結構創(chuàng)新設計理論還未解決的問題1、彈性地基上有限尺寸板的解答；2、規(guī)范中設計方法給出的計算諾模圖采用了有限元計算方法，是一種數(shù)值方法。水泥路面結構創(chuàng)新設計水泥混凝土路面設計內(nèi)容1、結構組合設計——結合規(guī)范2、平面尺寸設計、配筋設計——常用3、厚度設計——基于理論和設計計算水泥路面結構創(chuàng)新設計規(guī)范設計方法——基本公式分析公式構成，各項物理意義。其標準是：因荷載和溫度產(chǎn)生的某最不利荷載作用位置處的疲勞應力，在一定可靠度保證的情況下，小于等于材料的抗折強度，不發(fā)生拉裂破壞。水泥路面結構創(chuàng)新設計第一項——可靠度系數(shù)來源：材料不均勻、施工過程的不均勻、厚度的不均勻等造成實際路面與設計路面的差異，為保證設計路面的可靠性，需要引入該參數(shù)實際采用的目標可靠度是多因素根據(jù)累積數(shù)據(jù)分析綜合得到反過來，可靠度可用于控制施工中的參數(shù)變異——不詳細講，示意規(guī)范可靠度要求表水泥路面結構創(chuàng)新設計右側(cè)項——抗折強度由材料試驗得到，或根據(jù)工程經(jīng)驗選取試驗方法：小梁試件，三分點加載，單次加載至破壞（單次強度試驗）水泥路面結構創(chuàng)新設計應力項之一——荷載應力兩個層次——單次標準荷載作用下，最不利荷載作用位置處的拉應力；該處的荷載疲勞應力荷載疲勞應力計算公式的構成三修正系數(shù)：傳荷、疲勞、動偏載修正單次應力水泥路面結構創(chuàng)新設計單次應力計算標準荷載在四邊自由板的臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應力公式分析：1、回歸公式，通過有限元計算得到；2、基層及其以下以Et簡化表征，彈性半空間體；3、無板與地基摩擦相關系數(shù)，滑動處理；結論：參考了經(jīng)典解析解的一般原理但不同點在哪里？——有限尺寸板，但公式中無相關參數(shù)水泥路面結構創(chuàng)新設計臨界荷載位置定義：其他條件相同，標準荷載移動在有限尺寸板上，如果在板體內(nèi)某處（通常是板頂）出現(xiàn)了最大拉應力，則確定該位置為最不利荷載位置，由此引起的應力是單次應力計算的標準取值。方法：有限元內(nèi)分布荷載進行搜索，尋找最大拉應力位置，比較拉應力大小，最終確定最不利荷位。特點：是一種極限（可能出現(xiàn)的最大）的情況水泥路面結構創(chuàng)新設計相對剛度半徑來源：荷載單次作用應力計算過程中引入的一個組合參數(shù)，由地基當量回彈模量、水泥混凝土模量的比值及板厚確定物理意義的理解：可認為是荷載在板中引起的應力響應范圍，水泥混凝土模量越高、地基模量越低，厚度越大，則在標準荷載作用下的板塊承擔的荷載效應越多，響應范圍越大。注意點：相對剛度半徑針對不同的地基模型有不同的計算公式。水泥路面結構創(chuàng)新設計傳荷、動偏載與疲勞修正系數(shù)傳荷修正——相鄰板的分擔作用，小于1動偏載修正——動力沖擊與偏載，大于1疲勞修正——考慮了疲勞效應，往往兩種方式，一種是放大單次應力（乘以大于1的系數(shù)），一種是減小材料強度（乘以小于1的系數(shù)）觀察公式發(fā)現(xiàn)，這里考慮了荷載重復作用次數(shù)水泥路面結構創(chuàng)新設計設計基準期內(nèi)標準軸載累計作用次數(shù)特點：1、實際交通荷載（軸載）變化很大；2、需要考慮板塊的累積疲勞效應；3、計算單次應力往往只能針對一種特定的荷載（標準軸載）4、引出軸載換算和交通量分布概念5、給出換算與車道分配系數(shù)取值方法水泥路面結構創(chuàng)新設計輪跡橫向分布水泥路面結構創(chuàng)新設計車道分配系數(shù)指交通量在道路橫向各車道上的分布規(guī)律。設計時按交通量分配最多的車道上的交通量作為設計路面結構時的參數(shù)（再一次的最不利）。如果滿足要求，則橫向其它位置也應滿足結構要求。水泥路面結構創(chuàng)新設計應力項之二——翹曲應力兩個層次——根據(jù)自然區(qū)劃確定的溫度梯度確定的單次翹曲應力，長期的翹曲重復作用的影響溫度疲勞應力計算公式的構成公式分析：單次應力計算公式與Westergaard解形式相似而應力系數(shù)取值不同（理論解、數(shù)值解回歸）水泥路面結構創(chuàng)新設計翹曲應力疲勞修正特點：1、與路面所處自然區(qū)劃有關，不同自然區(qū)劃的可能最大溫度梯度不同2、修正系數(shù)一般小于1原因：考慮了單次應力為板完全受地基約束，而實際不可能，且長期重復后，有應力松弛，對單次應力進行折減。水泥路面結構創(chuàng)新設計實踐性教學1、給出算例，給出設計流程2、按步驟教學設計方法3、課程實習安排相關設計內(nèi)容水泥路面結構創(chuàng)新設計問題11、板和地基到底是滑動還是約束？2、實際的情況可認為偏滑動；3、在計算荷載應力時滑動，在計算翹曲應力時約束，都是按最不利去考慮。水泥路面結構創(chuàng)新設計問題2水泥