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文檔簡介

水泥混凝土路面結構設計目

錄·

1

述·

2

論·

3

計·4混凝混凝土路面結構組合設計·

5

·6

紹第

節(jié)

述1

.

1

容1

.

2

則1.3混凝土路面結構設計理論與方法1

.

4

級1

.

1路面結構設計內容1

.

1

.

1路面結構層組合設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

。1

.

1

.

2混凝土面板厚度設計混凝土面層板厚設計應按照設計標準要求,確定滿足設計年限內使用要求所需的混凝土面層厚度。1

.

1

.

3

設計根據混

凝土

板內產

生的

應力

做出板的平面尺寸設計,確定接縫的位置和接縫的結構,

并采用有效措施提高接縫的傳荷能力。1

.

1

.

4路肩設計高速公路和一級公路中間帶和路肩路緣帶的結構應于

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)層結構應滿足行車道路面結構和排水的要求。

般公路的混凝土路面應設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

設計包括連續(xù)配筋與

筋混

土路

面的配筋

計,

凝土路面板較長或者

大時、路基

有不均勻

沉降或

者板的形狀不規(guī)則時,可沿板的縱向假設鋼筋,在角隅或

者鋼筋網,以阻止可能出現的裂縫1

.

2混凝土路面設計原則·1.應根據使用要求及氣候、水文、土質等自然因素完成設計;

·2.選擇技術先進、經濟合理、安全可靠的發(fā)方案;·3.應結合當地實踐基礎,積極推廣成熟的科研成果;

·

4

.

慮眼

環(huán)

境的

,自

態(tài)

;·5.保證施工質量,盡可能使用機械化、工廠化施工。1

.

3

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,在設計方法中摻入動力響應系數?!?.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.

態(tài):

半空間彈性地基上

的無

限大原板求解方法

。1.4混

級路面結構設計目的:混凝土路面結構在設計基準期被滿足預測交通量累計標準軸載通行時,具有快速、安全、

穩(wěn)定的服務功能,路面結構具有相應的承載能力,路面板的彎拉應力滿足疲勞極限應力的容許標準。(1)混凝土路面設計基準期混凝土路面設計基準期與公路等級有關,可根據公路在路網中的定位等因素論證后確定、通常參照下表:公

級設

(

)公

級設

(

)高速公路30二級公路20一級公路30三

、

路20式中:Ns—100KN的單軸-雙輪組標準軸載的通行次數;Pi一各類軸-輪型i級軸載的重量(KN);n—軸型和軸載級維數;N;一各類軸-輪型i形軸載的通行次數;

δi—軸-輪型系數。(2)標準軸載即軸載當量換算混凝土路面設計以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,應按下式換算為標準

軸載作用次數。(3)交通調查與軸載分析通過當地的交通量觀測站歷年統(tǒng)計資料進行交通調

查,用于分析并提出設計車道的年平均日貨車交通量ADTT

以及設計基準期內的交通量年平均增長率gt公路通行車輛在橫斷面的分布是不均勻的,根據統(tǒng)

計規(guī)律,車道數不同,分布概率不同,將分布概率集中的

車道作為設計車道。因此上述調查獲得的雙向年平均日貨

車交通量,還應當乘以方向系數(0.5)和車道分布系數(下表)才能獲得設計車道在設計基準期初期的年平均貨

日交

量ADTT

(單

向)

。單

數123>=4車

數1.00.8-1.00.6-0.80.5-0.75ADTT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

。由軸載譜和軸載當量換算系數Kp,j,按下式計算

得到設計車道在設計基準期初期的標準軸載日作用次數Ns。(4)標準軸載累計當量作用次數設計基準期內混凝土面板臨界荷位出所承受的標準軸

載累計當量作用次數Ne

可以通過下式計算確定,η為橫向分

布系數公路等級縱

處高速公路

、

一級公路

收費站0.17-0.22二

級以

及以

路行

>

7

m0.34-0.39行

<

7

m0.54-0.62橫向分布系數(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,按照設計基準期

內設計車道臨界荷位承受的標準軸載當量累積作用次數分為4級

,

。分

表交通等級特重重中等輕Ne(×104)>2000100-20003-100<3第

節(jié)

理論介紹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

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

。2

.

1

設1.板的厚度h遠小于中面的最小尺寸b(b/8-b/5)稱為薄板;

2.垂直于中面方向的應變εz極其微小可以忽略不計;3.垂直于中面發(fā)現,在彎曲變形后均保持為直線并垂直于中

;4.中面上各點無平行于中面的位移;5.變形過程中,板與地基接觸面始終吻合;6.板與地基的倆接觸面沒有摩擦,即接觸面剪應力為0.M?dy(M+

dx)d

Mxydy

(M?+=ar)(Q,+號

dy)dx

nY>apas(ns+

ayax圖1

6

-1

彈性

析gdxdy2

.1

撓曲

程Q,dxdxPdxdy司/Q,dy(Q+dx)dyM?dxMsdx依據單元平衡條件(Zz=0,EMy=0,2Mx=0)可導出當板表面作用橫向荷載p,地基對板底面作用豎

向反力q時,板中心撓曲面的微分方程以及截面上的彎

矩和

:微分方程:D

V2

▽2W=p-q彎矩和扭矩方程第

節(jié)

計3.1路面可靠度的定義和極限狀態(tài)函數:路面可靠度定義:在設計使用年限內,在將遇到的環(huán)

境條件和荷載作用下,路面能夠發(fā)揮其預期功能的概率。我國現行的混凝土路面設計規(guī)范采用結構設計方法是

以混凝土路面板在車輛荷載應力和配料應力綜合作用下,在

縱縫邊緣中部出現縱向疲勞開裂作為臨界損壞狀態(tài),設計時

以荷載應力和疲勞溫度應力的疊加小于等于混凝土疲勞強度

作為設計標準。極限狀態(tài)函數如下:op+0t≤0rf=σs(A-BlgN)混凝土路面結構可靠度定義:在設計使用年限內,在

車輛荷載應力和

溫度

,

中部不出現疲勞開裂的概率:R=p(op+σt≤Orr)安全等級一級二級三級公

級高速一級二級目

度959085目

標1.6451.2821.0363

.

2

度我國公路工程結構可靠度設計統(tǒng)一標準規(guī)定了各級公路

目標可靠度和相應的目標可靠度標值,

如下表。3

.

3設計參數均值和變異系數范圍限內

量以及路

。1.設計年限內累積當量標準軸載次數累積軸載作用次數是有使用初期當量軸次、年增長率

和橫向分布系數三個隨機變量決定的,他的變異系數見下模年性計彈設和:度數強參拉關彎相抗的的計土設凝度混靠的累積軸載作用次數水泥混凝土路面結構公路等級高速一級二級三級設計基

(

)30302020標

差σ

ve0.03850.03850.04700.0794變

C

v

N

e0.3040.2520.1970.237表

。交通等級特重重中等輕設計彎拉強度(Mpa)5.05.04.54.0彎拉彈性模量(*103Mpa)30302827變異水平彎拉強度變異系數基層頂面回彈模量變異系數低0.05-0.100.15-0.25中0.10-0.150.25-0.35高0.15-0.200.35-0.552.混凝土的抗彎拉強度和彈性模量路用混凝土設計強度以28d的彎拉強度為標準,各級交通要求的水泥混凝土設計彎拉強度和彈性模量以及其變異系

數見

下表。變異水平低中高變異系數0.02-0.040.04-0.060.06-0.083

度3

.

4

計路面結構可靠度系數γγ定義:疲勞方程求得的最大

允許應力[op+σt]

與實際最大應力[op+σt]之比。它的倒

數1/γγ就是混凝土極限抗折強度的折減系數。計算表面R一定,γr的大小取決于個參數的變異水

平,下圖給出各參數的變異系數按變異水平低、中、高三

級情況的R-γγ曲線變異水平Cv(Es)Cv(Et)低0.100.15中0.150.30高0.220.50變異水平Cv(os)Cv(h)低0.060.02中0.100.05高0.150.091.711.61.51.41.31.2-1.11.0E60

70

80(M)(E)99(H)90

95

可靠度R圖16-13

R—y,關系曲線變

值可靠度系數丫表16-15第

節(jié)

計4

.

1

板水泥混凝土面層板應具有足夠的強度、耐久性、表面抗滑、耐磨、平整等良好的路用性能,

一般采用設接縫、

不設配筋的普通混凝土路面板。其他面層類型及適用條件面層類型適用條件連續(xù)配筋混凝土面層高速公路碾

層二

級以

級以

、

務區(qū)

場鋼

層高程受限的路段

收費站

、

混凝土加鋪層和橋面鋪裝矩

層服務區(qū)停車場

、

二級和二級

等見

?;鶎宇愋秃?/p>

(

m

m

)適

級貧混凝土或碾壓混凝土基層120-200特重交通水

穩(wěn)

層150-250重交通瀝

層40-60特重交通瀝

穩(wěn)

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

通多孔隙水泥穩(wěn)定碎石排水基層100-140高

、

、

交瀝青穩(wěn)定碎石排水基層80-100高

、

、

交4

.

2

構混凝土路面的基層應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

。4

.

3墊層結構混凝土路面墊層結構一般是對路基的特殊要求而設置,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構

總厚度不滿足規(guī)范要求最小防凍要求時,應設置防凍墊層,

保證總厚度滿足最小防凍厚度要求。(2)對于水文地質條件不良的土質路塹,路床土的

濕度較大時,為防止地下水對路面結構的侵蝕,應設置排

水墊層。(3)當路基土特別軟弱,經加固后,仍可能

出現不均勻沉降、變形時,應設置加固墊層以增強路床的承載能力。第

節(jié)

方法5.1目標可靠度與疲勞極限狀態(tài)方程式5

.

2

計5.3

接縫

計5.4混凝土路面板厚度計算實例公

級高速公路一級公路二級公路三

、

路安全等級一級二級三級四級設計

基準

(

年)30302020目標

可靠

(%

)95908580目

標1.641.281.040.84變

級低低-中中中-高5.1目標可靠度與疲勞極限狀態(tài)方程式級公路

度指標和目標可靠度見下表。靠等可同的路面結構設計安全等級及相應的設計基準期我國水泥混凝土路面按可靠度方法進行設計,變

級低中高混

度Cv≤0.100.10<C,≤0.150.15<C,≤0.20基頂面當量回彈模量Cy≤0.250.25<Cv≤0.350.35<Cγ≤0.55水

度Cp≤0.040.04<C,≤0.060.06<C?

≤0.08水泥混凝土路面結構設計以行車荷載和溫度梯度綜合

作用產生的疲勞斷裂作為設計的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)方程如

:Yr(opr+Gtr)≤fr可靠度系數γ變

級目

(

%

)95908580低1.20-1.331.09-1.161.04-1.08一中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

值(Mpa)6.06.05.55.0混凝土彎拉強度標準值f,5

.

2彎拉應力分析及厚度設計(

1)荷載

析產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在臨界荷位處產生

的荷載配料應力按下式計算確定。σpr

=KrKfKcops式中:σpr

-標準荷載Ps在臨界荷位處產生的荷載疲勞應力;K,-考慮接縫傳荷能力的應力折減系數;Ky-設計基準期內荷載應力累積疲勞作用的疲勞應力系數Kr=N式中:

NV-設計基準期內標準軸載累計作用次數;v-與混合料限制有關的系數。彎拉強度1.01.52.02.53.0抗壓強度5.07.711.014.919.3彎拉彈

量1015182123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2527293144σps

=0.077r0.60h-21/3式中:r-混凝土板的相對剛度半徑(m);h-

混凝土板的厚度(m);Ec-水泥混凝土的彎拉彈性模量(Mpa

)公路等級高速公路一級公路二級公路三、四級公路Kc1.301.251.201.10水泥混凝土彎拉彈性模量經驗參考值綜合系數Kc式中:

Eo-路床頂面回彈模量;Ex-基層和底基層或者墊層的當量回彈模量;

E?E?-基層和底基層或者墊層的回彈模量;hx-基層和底基層或者墊層的當量厚度;Dx-基層和底基層或者墊層的當量彎曲剛度;

a、b-與Ex/E

?

有關的回歸系數。新建公路的基層頂面當量回彈模量值:(1)溫度應力分析在臨界荷位處的溫度疲勞應力按下式計算:Otr

=KtOtm式中:Gtr-臨界荷位處的溫度疲勞應力;Otm-最

力Kt-考慮溫度應力累積疲勞作用的疲勞應力系數。式中:

αc-混凝土的溫度線膨脹系數;Tg-最大溫度梯度;Bx-綜合溫度翹曲應力和內應力作用的溫度應力系數

最大溫度梯度標準值Tg公

區(qū)

劃Ⅱ、VIIV、VIVI最

度83-8890-9586-9293-98溫度應力系數Bx圖明

;(

3

)

計1按第3章進行行車道路面結構的組合設計,初擬路面結構,包括路床、墊層、基層

和面層的材料類型和厚度,并按第4章條文說明表4-3所列的水泥混凝土面層厚度建議

范圍,依據交通等級、公路等級和所選變異水平等級初選混凝土板厚度。2按照初擬路面結構的組合情況,選擇相應的結構分析模型。3參照圖B,7

所示的混凝土路面板厚度計算流程,分別計算混凝土面層板(單層板

或雙層板的面層板)的最重軸載產生的最大荷載應力、設計軸載產生的荷載疲勞應力、最

大溫度梯度產生的最大溫度應力及溫度疲勞應力。4當荷載疲勞應力與溫度疲勞應力之和與可靠度系數的乘積,小于且接近于混凝土彎拉強度標準值,同時,最大荷載應力與最大溫度應力之和與可靠度系數的乘積,小于混

凝土彎拉強度標準值,即滿足式(3.0.4-1)和式(3.0.4-2)時,初選厚度可作為混凝土板的

計算厚度。5貧混凝土或碾壓混凝土基層或者雙層板的下面層板,需計算其荷載疲勞應力,并

檢算荷載疲勞應力與可靠度系數的乘積是否小于其材料的彎拉強度標準值,即應滿足式

(3.0.5)。6

若不能同時滿足式(3.0.4)及式(3.0.5),則應改選混凝土面層板厚度或(和)整

調基層類型或(和)厚度,重新計算,直到同時滿足式(3.0.4)及式(3.0.5)。7

計算厚度加6mm

磨損厚度后,應按10mm

向上取整,作為混凝土面層的設計

。交

調

查設

載P極限軸載P設

¥交通

級荷

系數車換

數&理論偏差和動載

是結

(

)D.(),G,B?

等設

載臨

力),最大

度C

力em湍

數A荷載酸勞應力及荷

載最

力()公路

級安

公路

自然區(qū)劃路

層材

調

驗港

彎拉

度(h)溫

男應

力(cm+n)/X

S(C+可

度醫(yī)數×變

級本平目

度是結

束溫度梯度Z初

構否5.3接縫設計1.縱向接縫縱向接縫的布設應根據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,應設置縱向施工縫,縱向施

工縫采用平縫;

一次鋪筑寬度大于4.5m時,應設置縱向縮縫,

縱向縮縫

??v向接縫的拉桿應采用螺紋鋼筋,設置在板厚的中央,

并應對拉桿中部100mm

范圍內做防銹處理。面

(

m

m

)傳力桿直徑傳力桿最小長度傳力桿最大間距22028400300240304003002603245030028035450300300385003002.橫向接縫(1)每日施工結束或臨時中段施工設置橫向施工縫;

(2)橫向縮縫可等距設置,采用假縫形式;(3)橫向漲縫只在臨近橋梁或者其他固定構造物處或與其他道路相交處設置;(4)傳力桿采用光面鋼筋,尺寸間距見下表。5

.

4

例公路自然區(qū)劃I區(qū)擬新建一條二級公路,路基為粘質土,采用普通混凝土路面,路面寬9m。交通調查得知,設計

車道使用初期標準軸日作用次數2100.試設計該路面厚度?!?/p>

(

1

)

析二級公路的設計基準期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去0.39。取交通量年平均增長率為5%。計算得到設計基準期內設計車道標準荷載累計作

為=

9

.

8

8

1

0?

次屬

級(2

)

構安全等級為三級的道路應對的變異水平等級為中級。根據二級公路、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

5

%

)

,

度0.18m

。墊層為0.15m

低劑量無機結合料穩(wěn)定

土。普通混凝土板的平面尺寸為寬4.5m

、長5.0m

??v縫為設拉桿平縫,橫峰為設傳力桿的假縫。(3)

定取普通混凝土面層的彎拉強度標準值為5.0Mpa,相應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

。計算基層頂面當量回彈模量如下:=2,57MN·m計算基層頂面當量回彈模量如下:=4.293(3)

荷載疲勞應力標準軸載在臨界荷位處產生的荷載應力計算為Gps=0.777r0.6h-2=0.077×0.6770.6×0.22-2

=1.259Mpa縱縫設拉桿平縫,接縫傳荷能力的應力折減系數K?=0.87。

考慮設計基準期內荷載應力累積疲勞作用的疲勞

應力系數Ky=Ng=(9.885×106)0057=2.504。依據公路等

級,考慮偏載和動載等因素對路面疲勞損壞影響的綜合系數Kc=1.20。荷載疲

勞應

為Gpr=KrKrKcops=0.87×2.504×1.20×1.259

=3.29Mpa溫度疲勞應力系數Kt計算如下,其中a=0.828,b=0.041,c=1.323:溫度疲勞應力計算如下Otr=KtOtm=0.532×2.13=1.13Mpa(4)溫度

力Ⅱ區(qū)最大溫度梯度去88(℃/

m)

。

板長5m,l/r-5/0.677=7.39,普通混凝土板厚h=0.22m,Bx=0.71m,所以最大溫度

梯度時混凝土板的溫度翹曲應力計算為(5

)

證二級公路的安全等級為三級,相應對于三級安全等級的變異水平等級為中級,

目標可靠度為85%。依據可靠度和變

異水平等級,確定可靠度系數γγ=

1.13。γ-(opr+σtr)=1.13×(3.29+1.13)=4.99Mpa≤=5.0Mpa因此所選普通混凝土面層厚度(0.22m)

可以承受設計

基準期內荷載應力和溫度應力的綜合疲勞作用。第

節(jié)

紹6.1

美國AASHTO設計方法[3,4]美國各州公路及運輸工作者協(xié)會(AASHTO)

方法是以20世紀50年代后期至60年代初在渥太華等進行的AASHO道路試驗所

得到的大量試驗成果為基礎。1961

年第一次出版了暫行指南,之

后多次修訂,與1986年出版了現版設計指南。設計參數:(

1

)

析(

2

)

平(3

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