AASHTO刚性路面.doc

一、刚性路面的AASHTO法刚性路面设计指南是与柔性路面设计指南同时编制完成的，并且公布在同一手册中。设计是根据AASHTO道路试验和进一步理论和经验修正的经验方程来进行的。本节仅介绍厚度设计。钢筋和拉杆的设计与4.3.2节所述相类似，这里不作介绍。一、设计方程式 由AASHTO道路试验推导的刚性路面基本方程式，与柔性路面的方程形式相同，只是回归常数值有区别。后来对次方程式作了修正，包括了原先AASHTO道路试验没有考虑的许多变量。一、初始方程式与柔性路面相似，回归方程式为：式中：，这里4.5为AASHTO道路试验时刚性路面的初始服务能力，该值与柔性路面的4.2不同。为时间t时的服务能力，D=板厚，用以代替柔性路面的SN。对于80KN当量单轴荷载，=18，=1， （12-12）式中：为到时间t,80KN单轴荷载的作用次数。此式适用于具有下列条件的AASHTO道路试验的路面：混凝土弹性模量，混凝土抗弯拉强度，地基反映模量，传荷系数J=3.2和排水系数。二、修正方程式 为了考虑与道路试验不同的其它条件，必须按经验和理论对上式进行修正。将道路试验路面量测的应变计算所得应力，与理论解作比较之后，AASHTO选用角隅加荷的史盼格勒方程。 （12-13）式中：为混凝土的最大拉应力,J为传荷系数，P为轮重，为板角至荷载中心的距离。而为相对刚度半径，可改写成：（12-14）式中：，而为混凝土泊松比。假设=254mm和=0.2， （12-15）用（12-15）计算道路试验变量不同组合情况下的应力值。将计算所得应力与抗弯拉强度之比，再与轴载作用次数作比较。结果表明，对于任何给定和载荷服务能力水平，存在着一个类似于一般疲劳方程的关系式： （12-16） （12-17） （12-18） （12-19）将式（12-12）、（12-18）、(12-19)合并，结果为（12-20）设，和J=3.2,加上排水系数和可靠度项，用代替（4.5-）项，为了简化起见去掉撇号，最后刚性路面设计方程式变为：（12-21）图12-17为求解式（12-21）的诺谟图。二、地基反映模量刚性路面所用的地基土性质为地基反应模量k,而不是回弹模量。因此有必要将换成和一样，k值也随一年的季节而变化，而由于k的变化产生的相对损伤也需要进行计算。一、与回弹模量的关系和之间的任何关系都是随机的，它取决于用应力还是用挠度进行比较，夹在位置是在板中、板边还是板角。（一）不设底基层若是面层直接铺在土基上而不设底基层，AASHTO建议采用由承载板试验分析得到的如下理论关系： （12-22） 式中：k单位为pci,而单位为psi。这个方程给出的k值太大。式（12-22）根据k的定义采用762 mm的承载板。以施加压力q与挠度之比定义的地基反应模量可以用下式表示： （12-23）式中：为地基泊松比，而a为板的半径。若v=0.45,和a=381mm,则式（12-23）变成：（12-24）此式是柔性承载板作用下表面平均挠度的近似解。（二）设底基层如果在板与土基之间设有底基层，综合地基反应模量可以用图12.18确定。此模量是基于无限深的土基，并且以表示。该图采用了与均质半空间体相同的方法制成，不过762mm的板是放置在双层体系上的。因此，由图所得到的k值偏大，不能反应野外的实际情况。（三）浅埋式刚性基层式12.22和图12.18是根据土基为无限深制定的。若土基以下有刚性垫层，且刚性垫层上的土基深度Dsg小于3m(10ft)，则低价反应模量应根据图12.19所示曲线予以修正。无论板下是否设有基层，该图都可以应用。二、有效地及反应模量有效地基反应模量为一当量模量，它所产生的损伤与一年中季节性模量所产生的损伤相同。（一）相对损伤由式（12-21），k对的影响可用下式表示： 或 （12-25）式中：C为除了与k有关的各项之外其余所有项之和。由于和变化很小，可以假设=34.5GPa,和=2.5,而将式（12-25）简化为 （12-26）若为预期的总交通量，则损伤率可用下式表示： （12-27）若为均匀分布在n个时期，则累计损伤率为： （12-28）令式（12-27）与（12-28）相等，得 （12-29）式（12-28）可用于确定以季节性模量表示的有效地基反应模量k.刚性路面的相对损伤定义为： （12-30）图12.20为求解式（12.30）的用图。（二）计算例12.10已知D=229mm(9in)而k=147MN/m3(540pci),用式（12.30）求ur，并将结果与图12.20相比较。解：由式12.30，=60.3,与由图所得相对损伤60相吻合。表12-17 所示为板厚为229mm的有效地基反应模量的计算。假设面板直接铺设在土基上其各月回弹模量如表所示。对表中各列的说明：1、将一年分为12个月，每个月有不同的土基模量。2、路基回弹模量与表11.10所示的DAMA程序对MAAT为15.5 (60F)标准模量为31MPa时，所用的值相同。最大模量为345MPa,发生在土基冰冻的三月份。3、k值可由式（12-22）得到。由于不须作刚性垫层修正，这些k只可用于计算相对损伤。4、相对损伤可由式（12-30）或图（12-20）得到。相对损伤之和为988.7，12个月的平均值为82.4,它相当于有效模量为71.4MN/ .值得注意的事，在冻融条件下，柔性和刚性路面有很大差别。由图11.26所分析的柔性路面，五月春融产生的损伤约为总损伤的65%；有效路基土模量为15MPa,而标准模量为31MPa.由表12.17所分析的刚性路面，四月春融产生的损伤仅占总损伤的12%，有效的地基反应模量为71.4MN/ ,而标准模量为62.9MN/ .有效模量甚至大于标准模量，这证明了PCA(1984)提出的论点，即为了避免考虑季节变化的复杂性，夏季或秋季的标准k值可以用于设计。三、土基支承减弱为了考虑因地基冲刷或土基差异沉降引起的支承减弱，有效的地基反应模量应通过系数LS进行折减。图12.21所示为有效地基反应模量因迪基支承减弱的修正用途。例如，对于完全解除的情况，LS=0,有效地基反应模量为147MN/ ,对于部分杰出的情况，LS=1,有效地基反应模量为46MN/ .图12.21针对四种不同接触条件，取LS=0,1,2,3通过计算单轴荷载作用下最大主应力而得到的。 LS=0表示板与地基完全接触属于最好的情况。 LS=3表示板边有2.7m长和2.2m宽的面积与土基不接触属于最差情况。 LS=2表示不接触的面积小于LS =3,但大于LS=1的情况。由于AASHTO道路试验结果表明混凝土路面中产生的应力，与其所能承受的荷载作用次数成正比，部分接触的当量k值可以通过变化的k值时的完全解除条件下的最大主应力与初始k只部分接触条件下的最大主应力相等而得到。三、设计变量一、混凝土弹性模量 混凝土的弹性模量可以按ASTM C469所述的方法来确定，或者应用抗压强度的关系式来确定。下列公式为美国混凝土协会所建议的关系式： （12-31）式中：为混凝土弹性模量（psi）,为用AASHTO T22、T140或ASTM C39确定的抗压强度（psi）。二、混凝土抗弯拉强度设计方法中所用的抗弯拉强度是按AASHTO T97或ASTM C78的规定在28d后用三分点加载试验确定的平均值。若采用中心点加载，应建立两种实验方法之间的关系式。 三、传荷系数传荷系数J是刚性路面设计采用的一个系数。用于考虑混凝土路面结构在接风和裂缝处传递荷载的能力。应用荷载传递装置和设有拉杆的混凝土路肩，是荷载传递量增加，而传荷系数减小。表12.19所示为不同路面结构类型和设计条件下，建议的传荷系数。AASHTO道路试验条件下J的代表值为3.2，因为所有接缝均为传力杆和不设有拉杆的混凝土路肩。不同路面类型和设计条件下建议的传荷系数 表12.19路肩类型沥青有拉杆PCC传荷装置有无有无JPCP和JRCP323.84.4253.13.64.2CRCP293.2不适用2.32.9不适用四、排水系数排水系数具有和传荷系数J相同的作用。如式（12-21）所示，增加值相当于减小J值，两者均使值增大。表12根据排水的质量和路面结构含水量接近饱和状态的时间百分数提出了建议的值。和柔性路面一样，时间百分数取决于年均降水量和基本的排水状况。 刚性路面排水系数建议值 表12.20排水质量路面结构含水量接近饱和状态的时间百分数