水泥混凝土路面设计计算书上课讲义

1、精品文档目 录1课程设计题目 .22课程设计主要内容 .23路面厚度计算 .23.1 交通分析 .23.2初拟路面结构 .43.3路面材料参数确定 .63.4荷载疲劳应力 .103.5温度疲劳应力 .113.6验算初拟路面结构 .134接缝设计 .134.1纵向接缝 .134.2横向接缝 .145混凝土面板钢筋设计 .155.1边缘补强钢筋 .155.2角隅钢筋 .156材料用量计算 .166.1面层 .166.2基层 .176.3垫层 .187施工的方案及工艺 .15精品文档精品文档泥混凝土路面设计计算书1 课程设计题目水泥混凝土路面设计：此为城市主干道三级公路，路基为粘质土，采用普通混凝土

2、路面，路面宽24m ，经交通调查得知，设计车道使用初期轴载日作用次数为500 。试设计该路面结构。2 课程设计主要内容（1）结构组合设计；（2）材料组成设计；（3）混凝土板厚的确定；（4）板的平面尺寸确定；（5）接缝设计；（6）配筋设计；（7）材料用量计算；4 路面厚度计算4.1 交通分析根据公路水泥混凝土路面设计规范(JTJ012 一 94) ，不同等级公路的路面结构设计安全等级及相应的设计基准期、可靠度指标和目标可靠度查规范可知：三级公路的设计基准期为30 年，安全等级为四级。混凝土路面临界荷位车辆轮迹横向分部系数精品文档精品文档表 4-2公路等级纵缝边缘处高速公路、一级公路、二级公路0.

3、170.22二级及二级以行车道宽 7m0.340.39下公路行车道宽 7m0.540.62由表 4-2知，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.35已知交通量设计年限内年增长率：8% 。荷载累计作用次数为：Ns (1g r ) t1500 (10.08)301723.597 10（4次）N eg r3650.08365 0.35交通量相轴载大小是路面设计的基本依据。 随着交通量增大， 对路面使用性能和使用寿命的要求相应提高。 由此，在使用年限内对混凝土强度、 面板厚度、 基层类型和模量等方面提出了不同的技术要求。 为了区分各项要求在程度上的差别， 按使用初期设计车道每日通过的标准铀载作用次数，

4、 将水泥混凝土路面承受的交通划分为特重、重、中等和轻四个等级，标准如下：公路混凝土路面交通分级表 4-4交通等级特重重中等轻设计车道标准轴载累计作用次数200010020003100 3Ne ( 104 )精品文档精品文档由表 4-4 可得该公路属于重交通等级。4.2 初拟路面结构由上表 4-1 知，安全等级为四级的道路对应的变异水平等级为低级。水泥混凝土面层厚度的参考范围表 4-5交通等级特重重公路等级高速一级二高速一级二级级变异水平等级低中低中低中低中面层厚度 260 250 2402702260250220（ mm ）40230交通等级中等轻公路等级二级三、三、四级三、四级四级变异水平等

5、级高中高中高中面层厚度240210230200220200 230 220（ mm ）精品文档精品文档根据三级公路、重交通等级和低级变异水平等级，由表 4-5 知，初拟普通混凝土面层厚度为 220mm 。各类基层适宜交通等级与适宜厚度的范围表 4-6基层类型厚度适宜的范围适宜交通等级（mm ）贫混凝土或碾压混凝土基120200特重交通层水泥稳定粒料基层150250重交通沥青混凝土基层4060特重交通沥青稳定碎石基层80100重交通石灰粉煤灰稳定粒料、级150200中等或轻交通配粒料基层多孔隙水泥稳定碎石排水100140高速、一级、重基层交高速、一级、重沥青稳定碎石排水基层80100交如上表 4

6、-6 ，基层可选用水泥稳定粒料类，厚180mm ，垫层选用低剂量无机结合料稳定土，厚 150mm 。普通混凝土板的平面尺寸宽 4.5m 、长 5.0m ；纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。精品文档精品文档4.3 路面材料参数确定混凝土面板在行车荷载和温度变化等因素的作用下，将产生压应力和弯拉应力。 混凝土面板所受的压应力与混凝土的抗压强度相比很小，而所受的弯拉应力与抗弯拉强度相比则大得多，可能导致混凝土面板开裂破坏。因此，在设计混凝土面板厚度时，应以弯拉强度为其设计标准。混凝土的强度随龄期而增长，通常以28 日龄期的强度为标准。各级交通要求的混凝土设计弯拉强度不得低于表 4-7 的规定。

7、当 90 日内不开放交通时， 则可采用 90 日龄期的强度 (为 28 日强度的 1.1 倍 )。混凝土的强度对路面的使用寿命有重大影响， 强度的变化同路面容许的标准铀载作用次数的对数成正比。增加混凝土的强度，可以大大延长路面的使用寿命，取得十分显著的经济效益。因而，应尽可能提高混凝土的强度。 结合我国的材料情况和施工工艺水平，公路水泥混凝土路面设计规范 (JTJ012 94) 规定了设计强度的最低值。条件许可时，应尽量采用高值，尤其是对于特重交通的公路。混凝土弯拉强度标准值 f r表 4-7精品文档精品文档交通等级特重中等轻重水泥混凝土的弯拉强度标准值5.05.04.54.0（ MPa ）钢

8、纤维混凝土的弯拉强度标准6.06.05.55.0值（ MPa ）混凝土弯拉弹性模量的测试工作， 很费时而又不易准确， 且其数值的变化对荷载应力计算结果的影响不大。 因而，在无条件测试时，直接采用表 4-7 所列数值， f r =5.0MPa 。水泥混凝土弯拉弹性模量经验参考值表4-8弯拉强度（ MPa ）1.01.52.02.53.0抗压强度（ MPa ）5.07.711.014.919.3弯拉弹性模量1015182123（ GPa ）弯拉强度（ MPa ）3.54.04.55.05.5抗压强度（ MPa ）24.219.735.841.848.4弯拉弹性模量2527293133精品文档精品文

9、档（ GPa ）按表4-8取普通混凝土面层的弯拉弹性模量标准值为Ec31GPa 。中湿路基路床顶面回弹模量经验参考值范围表 4-9土组公路自然区划土质砂26424050395035605060黏质土25453040254530453045粉质土22463254305027433045垫层和基层材料回弹模量经验参考值范围表 4-10材料类型回弹模量材料类型回弹模量（ MPa ）（ MPa ）中、粗砂80100石灰粉煤灰稳定粒13001700料天然砂砾150200水泥稳定粒料13001700180220沥青碎石（粗粒式，600800未筛分碎石20C）极配碎砾石200250沥青混凝土8001200精

10、品文档精品文档（垫层）（粗粒式， 20C ）极配碎砾石沥青混凝土10001400250350（基层）（中粒式， 20C ）多孔隙水泥碎石石灰土200700（水泥剂量130017009.5%11% ）多孔隙沥青碎石石灰粉煤灰（20 C，600900600800土沥青含量2.5%3.5% ）按表 4-9 ，路基土回弹模量取E030MPa 。按表4-10 ，低剂量无机结合料稳定土垫层回弹模量取E2600MPa ，水泥稳定粒料基层回弹模量取E21300MPa 。则有：基层顶面当量回弹模量计算如下：Exh12 E1h22 E213000.1826000.152h12h220.18 20.1521013M

11、PaE1h13E2 h23(h1 h2 ) 2111D x124E1 h1E2 h213000.1836000.153(0.180.15) 211112413000.186000.152.57( MNm)hx312D x3122.570.312( m)EX10130.450.45a6.221Ex6.2211.5113004.2931.5130E0精品文档精品文档0.5510130.55b11.44Ex10.792E01.44301 31 3Etahxb E0Ex4.293 0.3120.816301013165MPaE030普通混凝土面层的相对刚度半径按下式计算为r0.537h3 Ec Et0

12、.5370.223 31000 1650.677m4.4 荷载疲劳应力标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为：ps0.077r0. 6h20.0770.6770.60.22 21.259MPa因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数为Kr0.87 0.92 ,故取 K r0.87 。考虑设计基准期内荷载应力疲劳作用的疲劳应力系数K fN ev(9.885 106 ) 0.0572.504 。由于超过额定载重和载重在各侧车轮上分配的不均匀性， 在行驶过程中因路表不平整和车辆自振所引起的变动， 以及路面结构厚度和材料性质的变异等因素对路面疲劳损坏的影响的综合系数。其数值是参照国内外资料确定

13、。综合系数 K c表 4-11三、四级公公路等级高速公路一级公路二级公路路K c1.301.251.201.10精品文档精品文档根据公路等级和表4-11 ，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数为K c1.20 。则荷载疲劳应力为prK r K f K cps0.872.5041.201.2593.29MPa4.5 温度疲劳应力混凝土面板顶面和底面的温度之差除以板的厚度，即为板的温度梯度。 在晴天， 混凝土面板的温度梯度经历了由零经正最大(板顶高于板底 )到零，再经负最大(板顶低于板底 )后回到零的周期性变化。混凝土面板的最大温度梯度计算值 Tg ，可根据公路所在地的公路自然区划按表

14、 4-12 选用。最大温度梯度标准值 Tg表 4-12公路自然区划、 、 最大温度梯度8388909586929398（ C / m ）由表 4-12，区最大温度梯度为 88（ C / m ），板长为 5m ，l r 5 0.6777.39 。则当混凝土板厚度为h 0.22m时，查下图 5-1 可得 Bx 0.71 。精品文档精品文档图 5-1温度应力系数则有最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力为c Ec hTg110 5310000.22 880.71 2.13MPatmBx22回归系数 a 、 b 和 c表 4-13系数公路自然区划a0.8280.8550.8410.8710.8370.8

15、34b0.0410.0410.0580.0710.0380.052c1.3231.3551.3231.2871.3821.270温度疲劳应力系数Kt ，按下式计算，根据表4-13 知，自然区划区中， a0.828 ， b0.041 ， c1.323 ， K t 为f rc5.01.323atmb2.13K tf r0.8280.041 0.532tm2.135.0则温度疲劳应力为精品文档精品文档trK ttm0.5322.131.13MPa4.6 验算初拟路面结构可靠度系数表 4-14变异水平目标可靠度（ % ）等级95908580低1.201.331.091.161.041.08中1.331

16、.501.161.231.081.131.041.07高1.231.33 1.131.18 1.071.11由表 4-1知，三级公路的安全等级为四级， 相应于四级安全等级的变异水平等级为低级，目标可靠度为90% 。再据查得的目标可靠度和安全等级， 由表 4-14知，可靠度系数为r 1.13 。则，r ( prtr ) 1.13 (3.291.13) 4.99MPa fr5.0MPa因而，所选普通混凝土面层厚度（0.22m ）可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。5 接缝设计为避免混凝土面层因为热胀冷缩而引起的变形计破坏， 在纵横两个方向设置许多接缝， 且做成垂直正交， 把整个路

17、面分割成许多板块。5.1 纵向接缝原定平面尺寸宽3.75 米，长 4 米，则应在纵向设置施工缝，纵向接缝的布设根据路面宽度和施工铺筑宽度而定。本段路面设精品文档精品文档计按一个车道施工， 故采用拉杆平缝形式。接缝拉杆采用螺纹钢筋，设置在板厚的中央， 并对拉杆中部100mm范围内作防锈处理。拉杆的直径、长度和间距查下表选用14800900 。接缝布置如下表 5-1 所示：拉杆直径、长度和间距 (mm)表 5-1面层厚度到自由边或未设拉杆纵缝的距离(m)（mm)3.003.503.754.506.007.52002501470090014700800147007001470060014700500

18、14700400260300168009001680080016800700168006001680050016800400注：拉杆直径、长度和间距的数字为直径长度间距。缝的上部锯切槽口，深度为 60mm ，宽度为 8mm ，槽内灌塞填缝料。5.2 横向接缝每日施工结束或因临时原因中断施工时，必须设置横向施工缝，其位置应尽可能选在缩缝或胀缝处。且由于本路属于重交通等级，故施工缝采用加传力杆的平缝形式。 横向缩缝采用假缝等间距设置。缝的上部锯切槽口，深度为 60mm ，宽度为 8mm ，槽内灌塞填缝料。传力杆采用光圆钢筋， 其尺寸和间距根据表5-2 可选用传力杆直径为 28mm ，长度为400m

19、m ，间距为 300mm 。最外侧传力杆距纵向接缝或自由边的距离为 150mm。传力杆尺寸和间距（ mm ）表5-2精品文档精品文档面层厚度传力杆直径传力杆最小长传力杆最大间（mm ）度距22028400300240304003002603245030028035450300300385003006 混凝土面板钢筋设计混凝土面板纵横自由边边缘下的基础，当有可能产生较大的塑性变形时， 宜在板边缘加设边缘补强钢筋， 角隅加设发针形钢筋或钢筋网。6.1 边缘补强钢筋混凝土面板边缘部分的补强，选用 2 根 16mm 的螺纹钢筋，布置在板的下部， 距板底约为板厚的 1/ 4 即 65mm，间距为 100

20、mm ，钢筋两端应向上弯起，钢筋保护层的厚度为 50mm。6.2 角隅钢筋角隅补强部分的补强，选用 2 根直径为 14mm 的螺纹钢，布置在板的上部， 距板顶 wa ，距板边为 100mm ，钢筋保护层的厚度为50mm 。精品文档精品文档7 材料用量计算7.1 面层面层工程量表主要包括： 面板混凝土数量； 接缝数量表；接缝钢筋数量角隅等处的钢筋数量，计算结果见表7.1 。取长度 1000m为计算标准。基层工程数量表表 7-1材料普通混凝土面板长度（ m ）1000宽度（ m ）20.5厚度（ cm ）25体积（ m3 ）20.510000.255125混凝土面板数量100020.543.751

21、367（m 3 ）接缝数横缝4 1000 (40.008)998量 表9982499（个）纵缝接缝钢横缝传9983.750.453.14( 0.032 ) 27850 35424力杆0.32筋数量（kg ）纵缝拉4493.14 ( 0.016) 2478504048杆20.7边缘补强钢筋4673.14 ( 0.016)244 785011787.352精品文档精品文档水泥用量（ kg ）砂和碎石（ kg ）钢筋用量（ kg ）7.2 基层107.668 1000 910009690121000237.08131.361000 9368440100018853 .022251.3711787.3

22、522891.74W/C 一般为 0.3 ，水泥用量为 220kg / m3 。粗集料使用连续级配，集料的最大粒径一般为 15 mm 。细浆料含砂率超过 25% 。利用粉煤灰掺量为 30% 。基层工程数量表涵盖了基层的长度，宽度，厚度等一些基本的数据，为概预算设计作铺垫。基层拟采用小型机具施工， 依据规范知基层的宽度应比混凝土面层每侧至少宽出 250mm ，取为 0.30m ，计算结果见表 7.2 所示。基层工程数量表表 7-2材料碾压混凝土基层长度（ m ）1000宽度（ m ）10.5+2 0.30=11.1厚度（ m ）0.18体积（ m3 ）11.110000.181998水泥用量（

23、kg ）1998 220439560砂和碎石（ kg ）4395600.252442001- 0.25- 0.3粉煤灰（ kg ）4395600.30 / 0.45293040精品文档精品文档7.3 垫层垫层工程量表的内容和基层差不多， 垫层拟采用小型机具施工，垫层的宽度比基层每侧宽出 250mm ，取为 0.25m ，详细内容见表 7.3 所示。垫层工程数量表表 7-3材料石灰粉煤灰稳定粒料垫层长度（ m ）1000宽度（ m ）10.1+20.30+20.30=11.6厚度（ m ）0.15体积（ m3 ）11.61000 0.151740砂和碎石（ kg ）179463粉煤灰（ kg ）102243石灰（ kg ）383417.施工的方案及工艺1、基层的准备及放样：将基层上的杂物及