水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計

水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計第一頁，共49頁。目錄1概述2彈性地基板體系理論3水泥混凝土路面可靠度設(shè)計4混凝混凝土路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計5我國水泥混凝土路面設(shè)計方法6外國混凝土路面設(shè)計方法介紹第二頁，共49頁。第一節(jié)概述1.1混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容1.2混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計原則1.3混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法1.4混凝土交通等級第三頁，共49頁。1.1.1路面結(jié)構(gòu)層組合設(shè)計

水泥混凝土路面板要求具有較高的彎拉強度、表面平整度、抗滑、耐磨。常選用的面板類型：

1.普通混凝土路面 2.鋼筋混凝土路面 3.連續(xù)配筋混凝土路面 4.鋼纖維混凝土路面 5.混凝土塊料路面

基層和墊層有粒料類（碎石、砂礫）、穩(wěn)定類和貧水泥類三個類，分別具有不同的剛度、抗沖刷能力和透水性。1.1路面結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容第四頁，共49頁。1.1.2混凝土面板厚度設(shè)計

混凝土面層板厚設(shè)計應(yīng)按照設(shè)計標準要求，確定滿足設(shè)計年限內(nèi)使用要求所需的混凝土面層厚度。1.1.3混凝土面板平面尺寸設(shè)計

根據(jù)混凝土面層板內(nèi)產(chǎn)生的荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力做出板的平面尺寸設(shè)計，確定接縫的位置和接縫的結(jié)構(gòu)，并采用有效措施提高接縫的傳荷能力。第五頁，共49頁。1.1.4路肩設(shè)計

高速公路和一級公路中間帶和路肩路緣帶的結(jié)構(gòu)應(yīng)于行車道的混凝土路面相同，并與行車道部分的混凝土板澆筑成整體。路肩可采用水泥混凝土面層或瀝青混凝土料面層，其基（墊）層結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足行車道路面結(jié)構(gòu)和排水的要求。一般公路的混凝土路面應(yīng)設(shè)置路緣石或加固路肩，路肩加固可采用瀝青混合料或者其他材料。1.1.5混凝土路面的配筋率設(shè)計

包括連續(xù)配筋與鋼筋混凝土路面的配筋設(shè)計，當混凝土路面板較長或者交通量較大時、路基有不均勻沉降或者板的形狀不規(guī)則時，可沿板的縱向假設(shè)鋼筋，在角隅或者鋼筋網(wǎng)，以阻止可能出現(xiàn)的裂縫第六頁，共49頁。1.2混凝土路面設(shè)計原則1.應(yīng)根據(jù)使用要求及氣候、水文、土質(zhì)等自然因素完成設(shè)計；2.選擇技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全可靠的發(fā)方案；3.應(yīng)結(jié)合當?shù)貙嵺`基礎(chǔ)，積極推廣成熟的科研成果；4.充分考慮眼線環(huán)境的保護，自然生態(tài)平衡；5.保證施工質(zhì)量，盡可能使用機械化、工廠化施工。第七頁，共49頁。1.3混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計原理1.荷載圖式：考慮荷載動力影響因素，考慮荷載振動與移動效應(yīng)，在設(shè)計方法中摻入動力響應(yīng)系數(shù)。2.地基模型：一般采用溫克樂地基模型和彈性半空間均值地基模型。3.路面板形態(tài)：半空間彈性地基上的無限大原板求解方法。第八頁，共49頁。1.4混凝土路面交通等級

路面結(jié)構(gòu)設(shè)計目的：混凝土路面結(jié)構(gòu)在設(shè)計基準期被滿足預(yù)測交通量累計標準軸載通行時，具有快速、安全、穩(wěn)定的服務(wù)功能，路面結(jié)構(gòu)具有相應(yīng)的承載能力，路面板的彎拉應(yīng)力滿足疲勞極限應(yīng)力的容許標準。（1）混凝土路面設(shè)計基準期

混凝土路面設(shè)計基準期與公路等級有關(guān)，可根據(jù)公路在路網(wǎng)中的定位等因素論證后確定、通常參照下表：公路技術(shù)等級設(shè)計基準期（年）公路技術(shù)等級設(shè)計基準期（年）高速公路30二級公路20一級公路30三、四級公路20第九頁，共49頁。（2）標準軸載即軸載當量換算

混凝土路面設(shè)計以100KN單軸-雙輪組荷載為標準荷載。不同軸-輪型和軸載作用次數(shù)，應(yīng)按下式換算為標準軸載作用次數(shù)。

第十頁，共49頁。

單向車道數(shù)1234車道分配系數(shù)1.00.8-1.00.6-0.80.5-0.75第十一頁，共49頁。 ADTT換算為當量標準軸載書，首先通過軸重稱重站進行分軸型稱中，各個軸型不同軸載級位的標準當量換算系數(shù)按下式計算。

第十二頁，共49頁。

公路等級縱縫邊緣處高速公路、一級公路、收費站0.17-0.22二級以及以下公路行車道寬7m0.34-0.39行車道寬7m0.54-0.62橫向分布系數(shù)第十三頁，共49頁。（5）混凝土路面交通等級劃分

水泥混凝土路面所承受的軸載作用，按照設(shè)計基準期內(nèi)設(shè)計車道臨界荷位承受的標準軸載當量累積作用次數(shù)分為4級，分級范圍見表。交通等級特重重中等輕2000100-20003-1003分級范圍見表第十四頁，共49頁。第二節(jié)彈性地基板體系理論介紹2.1小撓度彈性薄板的基本假設(shè)

水泥混凝土路面板的剛度遠大于基層與路基的剛度。在車輪荷載作用下，它具有良好的擴散荷載能力，因此所產(chǎn)生的彎曲變形遠小于其厚度，可以用小撓度薄板理論進行分析。

第十五頁，共49頁。2.1板撓曲面微分方程第十六頁，共49頁。

第十七頁，共49頁。第三節(jié)可靠度設(shè)計3.1路面可靠度的定義和極限狀態(tài)函數(shù)：

路面可靠度定義：在設(shè)計使用年限內(nèi)，在將遇到的環(huán)境條件和荷載作用下，路面能夠發(fā)揮其預(yù)期功能的概率。

我國現(xiàn)行的混凝土路面設(shè)計規(guī)范采用結(jié)構(gòu)設(shè)計方法是以混凝土路面板在車輛荷載應(yīng)力和配料應(yīng)力綜合作用下，在縱縫邊緣中部出現(xiàn)縱向疲勞開裂作為臨界損壞狀態(tài)，設(shè)計時以荷載應(yīng)力和疲勞溫度應(yīng)力的疊加小于等于混凝土疲勞強度作為設(shè)計標準。極限狀態(tài)函數(shù)如下：

混凝土路面結(jié)構(gòu)可靠度定義:在設(shè)計使用年限內(nèi)，在車輛荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力綜合作用下，路面板縱縫邊緣中部不出現(xiàn)疲勞開裂的概率：

第十八頁，共49頁。3.2路面結(jié)構(gòu)目標可靠度

我國公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準規(guī)定了各級公路目標可靠度和相應(yīng)的目標可靠度標值，如下表。安全等級一級二級三級公路等級高速一級二級目標可靠度959085目標可靠指標1.6451.2821.036第十九頁，共49頁。3.3設(shè)計參數(shù)均值和變異系數(shù)范圍1.設(shè)計年限內(nèi)累積當量標準軸載次數(shù)

累積軸載作用次數(shù)是有使用初期當量軸次、年增長率和橫向分布系數(shù)三個隨機變量決定的，他的變異系數(shù)見下表。

水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計的相關(guān)參數(shù)：設(shè)計年限內(nèi)的累積軸載作用次數(shù)、混凝土的抗彎拉強度和彈性模量以及路面板厚度等。公路等級高速一級二級三級設(shè)計基準期（年）303020200.03850.03850.04700.07940.3040.2520.1970.237第二十頁，共49頁。2.混凝土的抗彎拉強度和彈性模量

路用混凝土設(shè)計強度以28d的彎拉強度為標準，各級交通要求的水泥混凝土設(shè)計彎拉強度和彈性模量以及其變異系數(shù)見下表。交通等級特重重中等輕設(shè)計彎拉強度（Mpa）5.05.04.54.030302827變異水平彎拉強度變異系數(shù)基層頂面回彈模量變異系數(shù)低0.05-0.100.15-0.25中0.10-0.150.25-0.35高0.15-0.200.35-0.553路面板厚度變異水平低中高變異系數(shù)0.02-0.040.04-0.060.06-0.08第二十一頁，共49頁。3.4路面結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計

變異水平低0.060.02中0.100.05高0.150.09變異水平低0.100.15中0.150.30高0.220.50第二十二頁，共49頁。第二十三頁，共49頁。第四節(jié)路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計4.1面層混凝土板

水泥混凝土面層板應(yīng)具有足夠的強度、耐久性、表面抗滑、耐磨、平整等良好的路用性能，一般采用設(shè)接縫、不設(shè)配筋的普通混凝土路面板。其他面層類型及適用條件見下表。面層類型適用條件連續(xù)配筋混凝土面層高速公路碾壓混凝土面層二級以及二級以下公路、服務(wù)區(qū)停車場鋼釬維混凝土面層高程受限的路段、收費站、混凝土加鋪層和橋面鋪裝矩形預(yù)制塊面層服務(wù)區(qū)停車場、二級和二級以下公路橋頭引道等第二十四頁，共49頁。4.2基層結(jié)構(gòu)

混凝土路面的基層應(yīng)具有足夠的抗沖刷能力和一定的剛度。各類基層的適宜交通等級與適宜厚度范圍見下表?；鶎宇愋秃穸冗m宜范圍（mm）適宜交通等級貧混凝土或碾壓混凝土基層120-200特重交通水泥穩(wěn)定粒料基層150-250重交通瀝青混凝土基層40-60特重交通瀝青穩(wěn)定碎石基層80-100重交通石灰粉煤灰穩(wěn)定粒料、級配粒料基層150-200中等或輕交通多孔隙水泥穩(wěn)定碎石排水基層100-140高速、一級、重交瀝青穩(wěn)定碎石排水基層80-100高速、一級、重交第二十五頁，共49頁。4.3墊層結(jié)構(gòu)

混凝土路面墊層結(jié)構(gòu)一般是對路基的特殊要求而設(shè)置，分為防凍墊層、排水墊層與加固墊層。

（1）在季節(jié)性冰凍地區(qū)修筑混凝土路面當路面結(jié)構(gòu)總厚度不滿足規(guī)范要求最小防凍要求時，應(yīng)設(shè)置防凍墊層，保證總厚度滿足最小防凍厚度要求。

（2）對于水文地質(zhì)條件不良的土質(zhì)路塹，路床土的濕度較大時，為防止地下水對路面結(jié)構(gòu)的侵蝕，應(yīng)設(shè)置排水墊層。

（3）當路基土特別軟弱，經(jīng)加固后，仍可能出現(xiàn)不均勻沉降、變形時，應(yīng)設(shè)置加固墊層以增強路床的承載能力。第二十六頁，共49頁。第五節(jié)我國水泥混凝土路面設(shè)計方法5.1目標可靠度與疲勞極限狀態(tài)方程式5.2彎拉應(yīng)力分析及厚度設(shè)計5.3接縫設(shè)計5.4混凝土路面板厚度計算實例第二十七頁，共49頁。5.1目標可靠度與疲勞極限狀態(tài)方程式

我國水泥混凝土路面按可靠度方法進行設(shè)計，不同等級公路的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計安全等級及相應(yīng)的設(shè)計基準期、可靠度指標和目標可靠度見下表。公路技術(shù)等級高速公路一級公路二級公路三、四級公路安全等級一級二級三級四級設(shè)計基準期（年）30302020目標可靠度（%）95908580目標可靠指標1.641.281.040.84變異水平等級低低-中中中-高變異水平等級低中高混凝土彎拉強度基頂面當量回彈模量水泥混凝土面層厚度第二十八頁，共49頁。

水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計以行車荷載和溫度梯度綜合作用產(chǎn)生的疲勞斷裂作為設(shè)計的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)方程如下：

變異水平等級目標可靠度（%）95908580低1.20-1.331.09-1.161.04-1.08-中1.33-1.501.16-1.231.08-1.131.04-1.07高-1.23-1.331.13-1.181.07-1.11

交通等級特重重中等輕水泥混凝土彎拉強度標準值（Mpa）5.05.04.54.0鋼釬維混凝土彎拉強度標準值（Mpa）6.06.05.55.0第二十九頁，共49頁。5.2彎拉應(yīng)力分析及厚度設(shè)計（1）荷載應(yīng)力分析

產(chǎn)生最大荷載和溫度梯度綜合疲勞損壞的臨界荷位位于混凝土板的縱向邊緣中部。標準軸載Ps在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載配料應(yīng)力按下式計算確定。

第三十頁，共49頁。

公路等級高速公路一級公路二級公路三、四級公路1.301.251.201.10

彎拉強度1.01.52.02.53.0抗壓強度5.07.711.014.919.3彎拉彈性模量1015182123水泥混凝土彎拉彈性模量經(jīng)驗參考值彎拉強度3.54.04.55.05.5抗壓強度24.229.735.841.848.4彎拉彈性模量2527293144第三十一頁，共49頁。

新建公路的基層頂面當量回彈模量值：

第三十二頁，共49頁。（1）溫度應(yīng)力分析

在臨界荷位處的溫度疲勞應(yīng)力按下式計算：

公路自然區(qū)劃II、VIIIIV、VIVII最大溫度梯度83-8890-9586-9293-98第三十三頁，共49頁。溫度應(yīng)力系數(shù)Bx圖第三十四頁，共49頁。（3）混凝土路面厚度設(shè)計第三十五頁，共49頁。第三十六頁，共49頁。5.3接縫設(shè)計1.縱向接縫

縱向接縫的布設(shè)應(yīng)根據(jù)路面寬度和施工鋪筑寬度耳釘。因此鋪筑寬度小于路面寬度時，應(yīng)設(shè)置縱向施工縫，縱向施工縫采用平縫；一次鋪筑寬度大于4.5m時，應(yīng)設(shè)置縱向縮縫，縱向縮縫采用假縫形式。

縱向接縫的拉桿應(yīng)采用螺紋鋼筋，設(shè)置在板厚的中央，并應(yīng)對拉桿中部100mm范圍內(nèi)做防銹處理。第三十七頁，共49頁。2.橫向接縫

（1）每日施工結(jié)束或臨時中段施工設(shè)置橫向施工縫；

（2）橫向縮縫可等距設(shè)置，采用假縫形式；

（3）橫向漲縫只在臨近橋梁或者其他固定構(gòu)造物處或與其他道路相交處設(shè)置；

（4）傳力桿采用光面鋼筋，尺寸間距見下表。面層厚度（mm）傳力桿直徑傳力桿最小長度傳力桿最大間距2202840030024030400300260324503002803545030030038500300第三十八頁，共49頁。5.4混凝土路面板厚度設(shè)計算例

公路自然區(qū)劃II區(qū)擬新建一條二級公路，路基為粘質(zhì)土，采用普通混凝土路面，路面寬9m。交通調(diào)查得知，設(shè)計車道使用初期標準軸日作用次數(shù)2100.試設(shè)計該路面厚度。第三十九頁，共49頁。（1）交通分析

二級公路的設(shè)計基準期20年，安全等級為三級。臨界荷位處的車輛輪機橫向分布系數(shù)去0.39。取交通量年平均增長率為5%。計算得到設(shè)計基準期內(nèi)設(shè)計車道標準荷載累計作用次數(shù)為

屬重交通等級第四十頁，共49頁。（2）初擬路面結(jié)構(gòu)

安全等級為三級的道路應(yīng)對的變異水平等級為中級。根據(jù)二級公路、重交通等級和中級變異水平等級，查表初擬普通混凝土面層厚度為0.22m?；鶎舆x用水泥穩(wěn)定粒料（水泥用量5%），厚度0.18m。墊層為0.15m低劑量無機結(jié)合料穩(wěn)定土。普通混凝土板的平面尺寸為寬4.5m、長5.0m?？v縫為設(shè)拉桿平縫，橫峰為設(shè)傳力桿的假縫。（3）路面材料參數(shù)確定

取普通混凝土面層的彎拉強度標準值為5.0Mpa，相應(yīng)彎拉彈性模量標準值為31Gpa。

路基混談模量取30Mpa。低劑量無機結(jié)合料穩(wěn)定土墊層回彈模量取600Mpa，水泥穩(wěn)定粒料基層回彈模量去1300Mpa。第四十一頁，共49頁。計算基層頂面當量回彈模量如下：