十六水泥混凝土路面设计PPT课件

1 第十六章水泥混凝土路面设计 2 16 1概述 混凝土板工作在弹性阶段 即在计算汽车荷载作用下 板内产生的最大应力不超过水泥混凝土的比例极限应力 基层和土基所承受的荷载单位压力及产生的变形也微小 都工作于弹性阶段 水泥混凝土路面结构属于弹性层状体系 3 一 同柔性路面相比 水泥混凝土路面的特性 1 混凝土路面板的弹性模量及力学强度大大高于基层和土基的相应模量和强度 2 混凝土的抗弯拉强度远小于抗压强度 约为1 7 1 6 因此决定水泥混凝土板尺寸的强度指标是抗弯拉应力 3 由于混凝土板与基层或土基之间的摩阻力一般不大 所以在力学图式上可把水泥混凝土路面结构看作是弹性地基板 用弹性地基板理论进行分析计算 由于混凝土的抗弯拉强度比抗压强度低得多 在车轮荷载作用下当弯拉应力超过混凝土的极限抗弯拉强度时 混凝土板便产生断裂破坏 且在车轮荷载的重复作用下 混凝土板会在低于其极限抗弯拉强度时出现破坏 此外 由于板顶面和底面的温差会使板产生温度翘曲应力 板的平面尺寸越大 翘曲应力也越大 另外 水泥混凝土又是一种脆性材料 它在断裂时的相对拉伸变形很小 因此 在荷载作用下土基和基层的变形情况对混凝土板的影响很大 不均匀的基础变形会使混凝土板与基层脱空 在车轮荷载作用下板产生过大的弯拉应力而遭破坏 为使路面能够经受车轮荷载的多次重复作用 抵抗温度翘曲应力 并对地基变形有较强的适应能力 混凝土板必须具有足够的抗弯拉强度和厚度 水泥混凝土路面在行车荷载和环境因素的作用下可能出现的破坏类型主要有 1 断裂 2 唧泥 3 错台 4 拱起 5 接缝挤碎等 从水泥混凝士路面的几个主要破坏类型可以看出 影响混凝土路面的使用性能的因素是多方面的 如轮载 温度 水分 基层 接缝构造 材料以及施工和养护情况等 从保证路面结构承载能力的角度 混凝土路面结构设计应以防止面层板断裂为主要设计标准 从保证汽车行驶性能的角度 应严格控制接缝两侧的错台量 产生断裂 错台等的原因是多方面的 如基层的冲刷和排水条件 因此 混凝土路面设计必须从多方向采取措施来保证它的使用寿命 6 二 水泥混凝土路面破坏形式 破坏形式分为接缝破坏和混凝土面板损坏损坏性质分为功能性损坏和结构性损坏 功能性损坏 由于路面的不平整 使其不再具有预期的功能 结构性损坏 路面结构的整体或其某一个或几个组成部分的破坏 严重时可能不能支承车辆的荷载 1 接缝的破坏A 挤碎 出现于横向接缝两侧数十厘米宽度内 传力杆位置不正确 或滑动功能失效 或缝内有混凝土或硬杂屑 7 B 拱起 受热膨胀受阻时 某一接缝两侧的板突然向上拱起 硬杂屑塞满缝隙 C 错台 横向接缝两侧路面板出现的竖向相对位移 胀缝两侧混凝土面壁不垂直 或接缝渗水基础软化 或接缝传荷能力不足 失效 或基础沉降不均匀等 D 唧泥 汽车行经接缝时 由缝内喷溅出稀泥浆的现象 8 2 混凝土板本身的破坏断裂和裂缝原因 板太薄或轮载太重 渠化荷载 板的尺寸太大 地基变形 收缩应力过大 或材料 施工质量不良 混凝土未能达到设计要求等 9 三 水泥混凝土路面结构设计内容 1 路面结构层组合设计应根据该路的交通繁重程度 结合当地环境条件和恢料供应情况 选择安排混凝土路面的结构层层次 包括土基 垫层 基层和面层的结构组合设计 各层的路面结构类型 弹性模量和厚度 能给混凝土面层以均匀支承 承受预期交通的作用 提供良好使用性能的混凝土路面结构 其设计过程与柔性路面结构组合设计相仿 10 水泥混凝土面板要求具有较高的弯拉强度 表面平整 抗滑 耐磨 常选用的面板类型有普通混凝土路面 钢筋混凝土路面 连续配筋混凝土路面 钢纤维混凝土路面 混凝土板料路面等 基层和垫层有粒料类 碎石 砂砾 稳定类 水泥 石灰 工业废渣 和贫混凝土三大类 分别具有不同的刚度 冲刷能力和透水性 在重交通的道路上 选用水泥稳定类或贫混凝土作为基层具有良好的使用性能 2 混凝土面板厚度设计按照设计标准的要求 确定满足设计年限内使用要求所需的混凝土面层的厚度 3 混凝土面板的平面尺寸与接缝设计 根据混凝土面层板内产生的荷载应力和温度应力作出板的平面尺寸设计 确定接缝的位置 设计接缝的构造 并采取有效措施提高接缝的传荷能力 4 路肩设计高速公路和一级公路中间带和路肩路缘带的结构应与行车道的混凝土路面相同 并与行车道部分的混凝土面板浇筑成整体 路肩可采用水泥混凝土面层或沥青混合料面层 其基层结构应满足行车道路面结构和排水的要求 一般公路的混凝土路面应设置路缘石或加固路肩 路肩加固可采用沥青混合料或其它材料 5 普通混凝土路面的钢筋配筋率设计当混凝土路面板较长或交通量较大时 地基有不均匀沉降或板的形状不规则时 可沿板的自由边缘加设补强钢筋 在角隅处加设发针形钢筋或钢筋网 以阻止可能出现的裂缝 39 三 有限尺寸矩形板 生产实践中的混凝土路面板都具有有限尺寸 而且大都属于有限尺寸的矩形板 真正的无限大板实际并不存在 对于弹性半空间体地基上有限尺寸矩形板的板中 板边和板角作用车轮荷载时 求解相应位置的挠度和弯矩 属非轴对称课题 在数学上遇到很大困难 故至今尚未得到解析表达式 有限元方法是结构和连续介质应力分析中的一种较新而较有效的计算方法 采用有限元法分析水泥混凝土路面的荷载应力 有着比积分解 解平衡微分方程 优越的地方 主要表现在 40 1 可以按板块的实际大小求解有限尺寸的板 从而消除无限大板的假设所带来的误差 此误差随荷载接近板边缘和相对刚度半径的增大而增加 2 可以考虑各种荷载情况 包括荷载组合和荷载位置 而不必象前述方法那样规定若干种典型的荷位 并且能解算简单的荷载组合情况 因此 可以用于符合实际荷载情况的应力分析 3 可以计及板的实际边界条件 如接缝的传荷能力 板和地基的脱空 不连续接触 等 4 所解得的结果是整个板面上的位移场和应力场 从而可以更全面地分析板的受荷情况 现行 公路水泥混凝土路面设计规范 JTJ012 94 用有限元法分析了荷载作用下板的极限应力值 由此给出了应力计算诺漠图 42 6 4水泥混凝土路面温度应力分析 水泥混凝土路面板内不同深处的温度 随气温的变化而变化 这种变化使混凝土板出现膨胀和收缩变形的趋势 当变形受阻时 板内便产生胀缩应力或翘曲应力 46 二 翘曲应力 由于板的自重 地基反力和相邻板的钳制作用 使部分翘曲变形受阻 从而使板内产生翘曲应力 由气温升高引起的板中部隆起受到限制时 板底面出现拉应力 而当气温降低引起的板四周翘起受阻时 板顶面出现拉应力 为了分析翘曲应力 威斯特卡德对文克勒地基板作了如下假设 1 温度沿板断面呈直线变化 2 板和地基始终保持接触 3 不计板自重 4 板仅受地基约束此时的翘曲应力计算公式 53 例题 i 2 22 103Pi 0 43 1 或 i 1 07 10 5Pi 0 22 2 或 i 2 24 10 8Pi 0 22 3 i 轴 轮型系数 单轴双轮组 i 1单轴单轮组 按 1 式计算双轴双轮组 按 2 式计算三轴双轮组 按 3 式计算 61 Et 基层顶面的当量回弹模量 MPa E0 路床顶面的当量回弹模量 MPa Ex 基层和底基层或垫层的当量回弹模量 MPa 按 1 式计算 E1 E2 基层和底基层或垫层的回弹模量 MPa hx 基层和底基层或垫层的当量厚度 m 按 2 式计算Dx 基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度 MN m 按 3 式计算h1 h2 基层和底基层或垫层的厚度 m a b 与Ex E0有关的回归系数 分别按 4 和 5 式计算 ps 标准轴载Ps在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力 MPa r 相对刚度半径 m h 混凝土的板厚