水泥混凝土路面设计PPT课件.ppt

主要内容 第一节水泥路面设计概述 第二节水泥路面弹性地基板理论 第三节水泥路面的应力分析 第四节路面结构的可靠度 第五节水泥路面的设计参数 第六节水泥路面结构组合设计 第七节我国水泥路面设计方法 第十九章水泥混凝土路面设计 1 第一节水泥路面设计概述 1 水泥混凝土路面的力学及工作特点 1 水泥路面的力学特征 强度及模量远大于基层和土基强度和模量 本身的抗压强度远大于抗拉 折 强度 板块厚度相对于平面尺寸较小 板块在荷载作用下的挠度 竖向位移 很小 在自然条件下 存在沿板厚方向的温度梯度 会产生翘曲现象 如受到约束 会在板内产生翘曲应力 荷载重复作用 温度梯度反复变化 混凝土板出现疲劳破坏 2 2 水泥混凝土路面的力学模式 弹性地基上的小挠度薄板模型 弹性地基 混凝土板下的基层与土基的应力应变很小 不超过材料的弹性区域 弹性板 板的模量高 应力承受能力强 一般受力不超过弹性比例极限应力 挠度与板厚相比很小 水泥混凝土路面设计理论 弹性地基上的小挠度薄板理论 3 3 水泥混凝土路面的工作及设计特点 抗弯拉强度低于抗压强度 决定路面板厚度的强度设计指标是抗弯拉强度 车轮荷载作用主要的影响是疲劳效应 温度差造成板有内应力 出现翘曲变形及翘曲应力 也有疲劳特性 板的使用还受限于支承条件 不均匀支承及板底脱空对板内应力的分布影响极大 4 2 水泥路面的荷载类型与设计标准 1 水泥路面的荷载类型 重载作用 5 6 2 水泥路面的设计标准 结构承载能力控制板不出现断裂 要求荷载应力与温度应力的疲劳综合作用满足材料的设计抗拉强度 即 r p t fr r可靠度系数 p行车疲劳应力 t温度梯度疲劳应力 fr水泥混凝土弯拉强度标准值 7 行驶舒适性控制错台量 要求设置传力杆 基层及结构布置满足 稳定耐久性控制唧泥与拱胀 要求基层水稳定性好 板与基层联结 8 3 水泥路面结构设计的主要内容 1 路面结构层组合设计 2 混凝土路面板厚度设计 3 混凝土面板的平面尺寸与接缝设计 4 路肩设计 5 混凝土路面的钢筋配筋率设计 9 4 水泥路面的轴载换算与交通分级 1 水泥路面的标准轴载及轴载换算 公路等级纵缝边缘处 临界荷位 高速公路 一级公路0 17 0 22二级 三级 四级公路行车道宽 7m0 54 0 62行车道宽 7m0 34 0 39 Ne 365Ns 1 t 1 车道系数 取值 累计当量轴次 10 2 水泥路面的交通等级划分及设计基准期 11 第二节水泥路面弹性地基板理论 1 小挠度弹性薄板假设 薄板 板厚h远小于板最小边尺寸b的板 中面 平分板厚度h的平面 弹性曲面 薄板弯曲时 中面所弯成的曲面 挠度 中面内各点在横向的 垂直于中面方向 位移 小挠度弹性薄板 当板弯曲时因具有相当的弯曲刚度 中间弹性曲面所产生的挠度远小于板厚度的弹性薄板即称为小挠度弹性薄板 12 基本假定 1 中面的法向变形微小 2 中面的法线在板弯曲前后保持直线且垂直于中面 3 中面上各点无平行于中面的位移 4 板和基层始终接触 5 板和基层之间没有摩擦 可以自由活动 13 2薄板截面上的弯矩 扭矩 正应力和剪力 14 第三节水泥路面的应力分析 1三个车轮荷位及最大弯拉应力位置 15 1 荷载作用于板中 荷位 荷载中心处板底最大弯拉应力 2 荷载作用于板边缘中部 荷位 荷位下板底的最大弯拉应力 3 荷载作用于板角隅 荷位 最大拉应力产生在板的表面离荷载中心为的分角线上 最大弯拉应力位置 16 2威斯特卡德早期应力计算公式 17 3多轮荷载作用下板的应力计算 18 4 水泥路面板的荷载应力有限元分析 1 水泥混凝土路面荷载应力的有限元分析特点 可以按板块的实际大小求解有限尺寸板 从而消除无限大半的假设所带来的误差 可以考虑各种荷载状况 包括荷载组合和荷载位置 可以考虑板的实际边界条件 如接缝的传荷能力 板和地基的脱空 可以得到整个板体的应力和位移场 从而全面了解板的受力 19 5 弹性地基双层板的荷载应力分析 20 6 水泥混凝土路面的温度应力分析 1 胀缩应力 温度均匀变化时产生 2 无限大板的翘曲应力 板内任一点在温差影响下的应变 21 板纵向边缘中部或窄长板 x 0 y 0 因此 板中部受到地基摩阻力作用 板中心点不产生平面位移 x y 0 因此 22 3 有限尺寸板的翘曲应力 当气温变化较快时 由于混凝土板导热性能差 在板内产生温度差 当气温升高时板中部有隆起趋势 当气温降低时板边缘和角隅有翘起趋势 由于板的自重 地基反力和相邻板的约束作用 使部分翘曲变形受阻 从而使板内产生应力 这种应力即称为水泥混凝土板的翘曲应力 威斯特卡德对文克勒地基的作进一步假定来计算温度应力 1 温度沿板断面呈线性变化 2 板与地基始终保持接触 3 不计板自重 有限尺寸板 沿板长和板宽方向上的翘曲应力解答 板长L 板宽B 23 4 温度线性分布时翘曲应力 温度沿板断面呈线性变化 板边中点 弹性半空间体地基 24 25 5 温度非线性分布时翘曲应力计算 对于较厚的板 采用温度沿板断面呈直线分布的假设 即按板顶和板底的温度差确定的温度梯度计算的温度翘曲应力 会得到偏大的温度翘曲应力值 为此 应考虑由于温度的非线性分布而引起的内应力 我国规范的温度应力计算 26 27 1 结构的极限状态 整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求 此特定状态称为该功能的极限状态 2 结构的极限状态分类 1 承载力极限状态 结构或结构构件达到最大承载力 出现疲劳破坏或不适于继续承载的变形 2 正常使用极限状态 结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值 第四节路面结构的可靠度 28 3 水泥混凝土路面可靠度的定义 定义 在规定的设计使用年限内 在环境条件和荷载作用下 路面能够发挥其预期功能的概率 我国水泥混凝土路面设计方法 路面板的车辆荷载疲劳应力及温度疲劳应力之和小于混凝土的极限抗折强度 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极限抗折强度 r p t fr 29 4 水泥混凝土路面可靠度的概念 NR路面结构的疲劳寿命 Ne设计年限内累计当量标准轴 R P NR Ne R P fr r p t 0 30 正态分布的概率密度函数 是服从正态分布的随机变量的均值 是此随机变量的方差 31 第五节水泥路面的设计参数 1 设计基准期 目标可靠度和目标可靠度指标 32 2 材料参数与结构参数的变异性范围 变异系数 标准差与均值的比值 33 3 对应于目标可靠度的可靠度系数 34 2020 1 7 35 4 交通分级指标 5 混凝土材料要求 36 6 垫层要求 37 7 温度梯度 38 第六节水泥路面结构组合设计 1 水泥混凝土板1 面板要求 39 2 厚度要求 40 3 面板构造深度要求 41 2 基层 1 基层要求 刚度和稳定性 厚度要求 基顶当量回弹模量要求 2 基层类型要求 42 3 基层厚度要求 43 3 垫层 4 路基 土基 1 干湿类型保证 2 填料 3 密实 稳定和均匀 44 第七节我国水泥路面设计方法 1 荷载疲劳应力分析1 临界荷位概念 最大荷载和温度梯度综合疲劳损坏最大的位置 临界荷位 2 临界荷位位置 混凝土板的纵向边缘中部3 荷载疲劳应力计算 pr krkfkc ps 45 kr 考虑接缝传荷能力的应力折减系数 即应力传荷系数 kf 考虑轴载累计作用次数的疲劳应力系数 kc 考虑偏载和动荷载等因素对路面疲劳损坏综合影响的系数 ps 标准轴载在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力 46 各类接缝的传荷系数及规范取值 47 接缝类型挠度传荷系数Ew应力传荷系数kj设传力杆胀缝 60 0 82不设传力杆胀缝50 55 0 84 0 86设传力杆缩缝 75 0 75设拉杆平口纵缝35 55 0 80 0 91设拉杆企口纵缝77 82 0 72 0 74 48 考虑轴载累计作用次数的疲劳应力系数 kf 考虑轴载累计作用次数的疲劳应力系数 kf Ne 式中 Ne 设计基准期内标准轴载累计作用次数 与混合料性质有关的指数 普通混凝土 钢筋混凝土 连续配筋混凝土 0 057 碾压混凝土和贫混凝土 0 065 钢纤维混凝土 0 053 0 017 f lf df计算 f 钢纤维的体积率 lf 钢纤维的长度 mm df 钢纤维的直径 mm 49 标准轴载在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力 ps 标准荷载在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力 MPa 按下式计算 ps 0 077r0 60h 2 ps 0 537h Ec Et 1 3式中 r 混凝土板的相对刚度半径 m h 混凝土板的厚度 m Ec 水泥混凝土的弯拉弹性模量 MPa Et 基层顶面当量回弹模量 MPa 50 标准轴载在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力 51 综合系数kc 52 2 基层顶面当量回弹模量和计算回弹模量 1 新建公路 规范中采用三层体系 按等弯曲刚度原则换算回弹模量和厚度 将基层和底基层换算为单层 公式为 53 2 旧路加铺 原有沥青路面加铺水泥混凝土路面时 3 路基和结构层参数参见相应规范 54 3 温度疲劳应力 临界荷位处的温度应力 kt 考虑温度翘曲应力累计疲劳作用的疲劳应力系数 按下式确定 55 56 回归系数a b c 4 设计标准 r pr tr fr 57 5 板的平面尺寸 纵缝间距 板块过宽易产生纵向断裂 特别是在旧路加宽或半填半挖的路段上 一般不超过4 5m 纵缝间距通常按车道宽度确定 带有路缘带的高速公路和一级公路 板宽可按车道和路缘带的宽度确定 横缝间距 横缝间距大小直接影响板内温度应力 接缝缝隙宽度和接缝传荷能力 一般取4 6m 板越厚 基层顶面的回弹模量越小 横缝间距可较大 58 板的平面形状 混凝土路面板的平面尺寸尽可能接近正方形 以改善其受力状况 一般将板宽和板长之比控制在1 1 3以内 6 接缝设计 水泥混凝土路面板的接缝分为 横向缩缝 胀缝 横向施工缝和纵缝四种 接缝设计主要内容是确定接缝的结构 布置 间距 59 设计 公路自然区划 区拟新建一条二级公路 路基为粘质土 采用普通混凝土路面 路面宽9m 二级公路的设计基准期为20年 其可靠度设计标准的安全等级为三级 临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数为0 39 取交通量年增长率为5 设计基准期内的设计车道标准荷载累计作用次数 计算为9 85x106次 属重交通等级 交通分析 Ne 365Ns 1 t 1 60 初拟路面结构 相应于安全等级三级的变异水平为中级 根据二级公路 重交通等级和中级变异水平 初拟普通混凝土面层厚度为0 22m 基层选用水泥稳定粒料 水泥用量5 厚0 18m Dianceng为0 15m低剂量无机结合料稳定土 普通混凝土板的平面尺寸为宽4 5m 长5m 纵缝为设拉杆平缝 横缝为不设传力杆的假缝 61 路面材料参数确定 取重交通等级的普通混凝土面层弯拉强度标准值查表为5 0MPa 相应弯拉弹性模量标准值查参考值表为31GP 根据中湿路基路床顶面回弹模量经验参考值表 取路基回弹模量为30MPa 根据底基层 基层材料回弹模量经验参考值表 取低剂量无机结合料稳定土底基层回弹模量为600MPa 水泥稳定粒料基层回弹模量为1300MPa 62 计算基层顶面当量回弹模量 63 荷载疲劳应力 1 普通混凝土面层的刚度半径 2 荷载应力标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力 64 3 修正系数确定因纵缝为设拉杆平缝 查表得到接缝传荷能力的应力折减系数kr 0 87 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kf 4 修正的荷载疲劳应力 kf Ne 9 885 106 0 057 2 504 根据公路等级 查表得到考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数kc 1 20 65 温度疲劳应力参数 区最大温度梯度查表取88 m 板长5m L r 5 0 67 7 46 由查图得普通混凝土