1、第十二章 公路水泥混凝土路面設(shè)計方法,第一節(jié) 水泥混凝土路面損壞的極限狀態(tài)及設(shè)計原則 第二節(jié) 水泥混凝土路面平面及接縫設(shè)計 第三節(jié) 美國水泥混凝土路面設(shè)計方法 第四節(jié) 我國水泥混凝土路面設(shè)計方法,第一節(jié) 水泥混凝土路面損壞的極限狀態(tài)及設(shè)計原則,水泥混凝土路面在行車荷載和環(huán)境因素的作用下可能出現(xiàn)的破壞類型有：斷裂、唧泥、錯臺、拱起和接縫擠碎。 考慮到混凝土面板的疲勞斷裂是水泥混凝土路面損壞的主要模式，所以把疲勞開裂作為確定混凝土板厚時考慮的臨界損壞狀態(tài)。在設(shè)計混凝土板時，以混凝土材料的彎拉強度作為其設(shè)計技術(shù)指標。 在考慮可靠度因素因素影響情況下不超過混凝土的抗折強度，如下式所示： 以最重軸載和最

2、大溫度梯度綜合作用下，混凝土板不產(chǎn)生極,限斷裂為驗算標準，如下式所示：,第二節(jié) 水泥混凝土路面平面及接縫設(shè)計,設(shè)置原因：由于大氣溫度周期性的變化，致使水泥混凝土路面產(chǎn)生各種形式的溫度變形。由年溫差引起的溫度變形周期較長，溫度變化緩慢，因此路面板的脹縮在厚度范圍內(nèi)呈均勻分布，這種變形一旦受到約束，將轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟葍?nèi)應(yīng)力，若內(nèi)應(yīng)力超出容許范圍，路面板即產(chǎn)生裂縫或被擠碎。在冬季和夏季，日溫差較大，由于日溫差變化周期短，在路面板厚度范圍內(nèi)呈現(xiàn)不均勻分布，造成上下底面的溫度坡差，這種坡差將促使面板向上或向下翹曲。以縱向與橫向接縫將路面板分割成規(guī)則的性質(zhì)，對于消除溫度內(nèi)應(yīng)力，保持路面整齊的外觀是有效的措施。,

3、一 按均勻收縮應(yīng)力控制縮縫間距 按照均勻收縮變形受到地基摩擦阻力約束所產(chǎn)生的應(yīng)力不超過混凝土容許拉應(yīng)力的原則確定縮縫間距，是最基本的方法之一，計算公式如下： 二 按翹曲應(yīng)力控制縮縫間距 路面板在日溫差影響之下產(chǎn)生的翹曲變形受到阻止時，引起的翹曲應(yīng)力超過混凝土路面的彎拉強度，路面板將斷裂成平面尺寸較小的板塊，因此縮縫間距L必須保證路面板在當?shù)刈畲笕諟夭钣绊懴庐a(chǎn)生的翹曲應(yīng)力與荷載應(yīng)力的共同作用小于容許范圍。通過驗算后，縮縫間距一般為46m。,三 鋼筋混凝土路面的縮縫間距 縮縫間距L可以按下式計算： 四 機場混凝土道面的縮縫間距 由于機場跑道與滑行道的寬度遠大于道路路面的寬度，所以在機場道面設(shè)置縮縫

4、時，要同時考慮縱向與橫向的接縫設(shè)置。在機場設(shè)計中稱為平面分倉。機場道面板塊一般可采用正方形，取厚度的2025倍作為邊長。 五 脹縫的間距與脹縫寬度 冬季施工季節(jié)施工時，脹縫一般每100150m設(shè)置一道；夏季施工時，如板厚大于等于20cm，可不設(shè)脹縫，其它情況施工時一般每100200m設(shè)置一道。,六 縱縫間距與平面布置 縱縫的布置形式很多,歸結(jié)起來,可分為:(1)垂直縱縫；(2)錯縫；(3)斜縫。由于施工方法不同，國外目前有采用雙車道全寬混凝土攤鋪機，則縱縫可以采用鋸縫方法設(shè)置；如果在一個車道寬度內(nèi)鋪筑路面，則縱縫多設(shè)置上下貫穿的真縫，并加設(shè)拉桿。道路混凝土路面在交叉口廣場或彎道上的布置應(yīng)盡量不

5、用銳角,七 傳力桿系的布置與荷載分配 在接縫端部的橫斷面上，布置一組傳力桿，形成一個體系，共同承擔著由鄰板傳來的荷載。在車輪荷載作用下，體系內(nèi)各個傳力桿承擔的荷載是不同的，直接在車輪下的傳力桿承受的荷載最大，遠離車輪的傳力桿承受的荷載逐漸減少。弗雷伯格根據(jù)威斯特卡德提出的理論分析，在角隅荷載作用下，最大負彎矩發(fā)生在離開角隅1.8l處，因此，認為傳力桿的受力有效范圍為1.8l。,傳力桿承受的荷載應(yīng)該等于鄰板傳遞過來的一部分車輪荷載。假設(shè)傳力桿的效率達到100%，則最大的傳遞荷載為車輪重量的50%，也就是相鄰兩塊路面板各承擔一半輪重。 傳力桿的直徑、長度與間隔距離與路面厚度及荷載等級有關(guān)，一般可以

6、根據(jù)規(guī)定選用，然后驗算各項應(yīng)力是否符合規(guī)定。我國公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范（JTG D40-2011)建議按下表選用。,八 水泥混凝土路面接縫的傳荷能力 定義：混凝土路面板接縫所具有的，將車輪荷載由接縫一側(cè)直接承受的板塊向接縫另一側(cè)非直接承受荷載的板塊進行傳遞的能力，稱為接縫的傳荷能力。表征傳荷能力的指標是接縫兩側(cè)所承受的荷載之比值，即： P1與P2之和為車輪施加于路面板接縫位置的外力總荷載P。根據(jù)接縫傳荷能力的不同，可分為三種情況。 接縫完全不具備傳荷能力 接縫具有最佳的傳荷能力,接縫具有一定的傳荷能力，但是達不到最佳狀況 間接指標： 以撓度比值作為評定接縫傳荷能力的指標。 當車輪P作用與縫

7、邊，直接承重板承受的荷載為P1，板邊產(chǎn)生的撓度為1；非直接承重板承受了由接縫傳過來的荷載P2，板邊產(chǎn)生的撓度2，傳荷系數(shù)為：,以路面板邊緣最大應(yīng)變比值作為評定指標 當車輪作用于縫邊，直接承重板承受的荷載為P1，板邊產(chǎn)生最大應(yīng)變?yōu)?，非直接承重板承受由接縫傳過來的P2，板邊產(chǎn)生最大應(yīng)變2，傳荷系數(shù)為： 提高水泥混凝土路面接縫傳荷能力的途徑： 合理的平面分塊與接縫布置。平面分塊要嚴格按規(guī)定劃分，避免錯縫、銳角等不規(guī)則布置方法。對脹縫的設(shè)置要十分慎重，因為脹縫的傳荷能力差、病害多，而且脹縫的存在會引起縮縫的松弛，不能緊密接觸，結(jié)果使其他縮縫的傳荷能力也下降。因此，不設(shè)脹縫或少設(shè)脹縫是提高接縫傳荷能力

8、的有效措施,改進接縫構(gòu)造、提高施工質(zhì)量，使接縫長期保持良好的傳荷能力。接縫的形式、構(gòu)造、尺寸、材料以及施工養(yǎng)護方法等都可以進一步研究改進，使之更加合理，更加有利于提高接縫的傳荷能力。 修筑穩(wěn)定性良好的基層。實踐證明，基層的穩(wěn)定性和強度對接縫傳荷能力由明顯影響。因此，世界各國對于干線公路水泥混凝土路面一般都修筑穩(wěn)定性良好的基層。,第三節(jié) 美國水泥混凝土路面設(shè)計方法,一 AASHTO水泥混凝土路面設(shè)計方法 AASHTO試驗路采用“服務(wù)功能指數(shù)”的概念來表征路面對行車荷載的耐用程度。對于剛性路面，根據(jù)試驗結(jié)果的統(tǒng)計分析，采用下式確定現(xiàn)有服務(wù)功能指數(shù)（PSI）。 板厚、軸載、荷載重復作用次數(shù)和服務(wù)功能

9、指數(shù)之間存在如下關(guān)系：,1.設(shè)計使用年限與車輛換算 AASHTO法規(guī)定，混凝土路面的設(shè)計使用年限通常為20年，屆時的服務(wù)功能指數(shù)為2.5（干線道路）或2.0（非干線道路）。路上通行的各類車輛均換算成標準車數(shù)量。標準車規(guī)定為后軸重18klb的單后軸車，在使用年限內(nèi)通過的最大次數(shù)為 采用下式將各類軸載換算為標準軸載： 2.板厚設(shè)計 根據(jù)設(shè)計使用年限內(nèi)標準軸載的總通行次數(shù)、基礎(chǔ)反力模量和混凝土的允許彎拉應(yīng)力，可求得板厚,3.罩面層厚度設(shè)計 長期以來，混凝土罩面層設(shè)計都是基于這樣的基本假定的，即舊路面板與罩面層的綜合強度與一個厚度等于這兩層板平方和的開方根的單層板所具有的強度相當，以公式表示：,如果罩

10、面層直接鋪筑在現(xiàn)有路面之上，能保證兩層之間有一定程度的結(jié)合，則上式計算的厚度偏于保守。根據(jù)試驗結(jié)果，又提出了適用于兩層之間具有部分結(jié)合力時罩面層厚度T的計算公式，即： 若將現(xiàn)有路面的狀況以結(jié)構(gòu)條件系數(shù)C表示，則用于計算罩面層厚度的公式可分為三種情況分別表示： 罩面層與緣由路面之間完全隔離 層間部分結(jié)合 層間完全結(jié)合形成整體結(jié)構(gòu),二 美國波特蘭水泥協(xié)會設(shè)計方法 1.設(shè)計使用年限 PCA取混凝土路面設(shè)計使用年限為40年。 2.荷載安全系數(shù) （1）對于承受少量貨車交通的道路、居住區(qū)街道和其他道路，采用1.0； （2）對于承受中等貨車交通量的道路主要街道，采用1.1； （3）對于連續(xù)交通量和大量貨車交

11、通的州級道路和其他多車道路面，采用1.2。 3.基礎(chǔ)強度特征 基礎(chǔ)的強度特征以地基反力模量k表征。K值通過承載板試驗確定，它隨材料的形狀、承載板的直徑和撓度（或壓力）的取值不同而異。由于k值的變動對混凝土板內(nèi)應(yīng)力值的影響不大，在無試驗條件時，可按路基土類別參考選用。,4.荷載應(yīng)力 PCA采用橫縫邊緣作為計算臨界應(yīng)力的荷載位置。應(yīng)用威斯特卡德理論，下圖所示分別為單軸與雙軸荷載應(yīng)力計算圖。,5.疲勞與安全系數(shù) 總疲勞利用率： 用允許重復作用次數(shù) 同實際 重復作用次數(shù) 相比，即得各級軸載對疲勞抗力的利用率。疊加各級軸載的利用率，得總的疲勞利用率。,第四節(jié) 我國水泥混凝土路面設(shè)計方法,一 設(shè)計內(nèi)容 水

12、泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計包括下述內(nèi)容。 1.路面結(jié)構(gòu)層組合設(shè)計；2.混凝土面板厚度設(shè)計；3.混凝土面板的平面尺寸與接縫設(shè)計；4.路肩設(shè)計；5.普通混凝土路面的鋼筋配筋設(shè)計。 二 設(shè)計參數(shù) 1.標準軸載與軸載換算 我國公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范以汽車軸重100kN的單軸荷載作為設(shè)計標準軸載，凡是前、后軸載大于40kN的軸數(shù)均應(yīng)換算成標準軸數(shù)。,軸載換算公式為： 2.交通分級和累計作用次數(shù) 根據(jù)所得交通資料，按下式計算設(shè)計使用年限內(nèi)設(shè)計車道的標準軸載累計作用次數(shù)Ne:,的取值根據(jù)公路等級而定，見下表所示： 3.基層頂面的當量回彈模量 1）新建公路的基層頂面模量值 在設(shè)計新建公路時，可根據(jù)土基狀態(tài)擬定基

13、層、墊層結(jié)構(gòu)類型和厚度，采用規(guī)范建議的材料回彈模量值來計算基層頂面的當量回彈模量。同時建立下列基層頂面回彈模量計算公式：,2）原有路面的頂面當量回彈模量值 如下式公式表示：,4.水泥混凝土的設(shè)計強度與彎拉彈性模量 水泥混凝土面層的設(shè)計強度是以彎拉強度作為設(shè)計控制指標，在進行路面設(shè)計時，應(yīng)取尺寸為15cm15cm55cm的水泥混凝土小梁試件通過三分點加載試驗確定彎拉強度，并以其28d齡期的計算彎拉強度作為設(shè)計標準。,三 荷載疲勞應(yīng)力 1.臨界荷位 為了簡化計算工作，通常選取使面層板內(nèi)產(chǎn)生最大應(yīng)力或最大疲勞損壞的一個荷載位置作為應(yīng)力計算時的臨界荷位。由于現(xiàn)行設(shè)計方法采用疲勞斷裂作為設(shè)計標準，應(yīng)以產(chǎn)

14、生最大疲勞損耗的荷載位置作為臨界荷位。利用可考慮荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力綜合疲勞作用下的疲勞方程，分析不同接縫傳荷能力的路面疲勞損耗，得出下表所示不同情況下的臨界荷位：,2.荷載應(yīng)力計算 設(shè)計軸載在四邊自由板臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應(yīng)力應(yīng)按下式計算：,最重軸載在面層板臨界荷位處產(chǎn)生的最大荷載應(yīng)力，按下式計算： 3.接縫傳荷能力 混凝土路面接縫的荷載傳遞機構(gòu)分為三類： （1）集料嵌鎖：依靠接縫處斷裂面上集料的嚙合作用傳遞剪力。 （2）傳力桿：依靠埋設(shè)在接縫處的傳力桿傳遞剪力、彎矩和扭矩。 （3）傳力桿和集料嵌鎖：上述兩種類型的綜合。 4.荷載疲勞應(yīng)力 計算公式為：,四 溫度疲勞應(yīng)力分析 經(jīng)計算分析，在彈性

15、地基單層板臨界荷位處產(chǎn)生的溫度疲勞應(yīng)力可用下式表示： 其中最大溫度梯度標準值Tg和a、b、c三個回歸系數(shù)均差規(guī)范表格取值。,五 設(shè)計過程 1.收集并分析交通參數(shù)； 2.初擬路面結(jié)構(gòu)； 3.確定材料參數(shù)； 4.計算荷載疲勞效應(yīng)； 5.計算溫度應(yīng)力； 6.檢驗初擬路面結(jié)構(gòu)。其中可靠度系數(shù)按下表取值。,六 連續(xù)配筋混凝土路面 1.厚度設(shè)計 AASHTO設(shè)計方法 計算公式： 我國規(guī)范（JTG D40-2011)設(shè)計方法 控制連續(xù)配筋混凝土面層配筋率的指標有以下三個： 1.混凝土面層橫向裂縫的平均間距1.8m; 2.裂縫縫隙的最大寬度為0.5mm; 3.鋼筋拉應(yīng)力不超過鋼筋的屈服強度。 橫向裂縫平均間距

16、計算公式：,縱向鋼筋埋置深度處的橫向裂縫縫隙平均寬度應(yīng)按下式計算確定： 縱向鋼筋應(yīng)力按下式計算： 縱向配筋率的計算步驟： 1.初擬配筋率，計算裂縫間距； 2.計算裂縫縫隙寬度； 3.計算鋼筋應(yīng)力； 4.綜合上述三項計算結(jié)果，最終確定配筋率，并進一步確定鋼筋根數(shù)。在滿足縱向鋼筋間距要求的前提下，宜選用直徑較小的鋼筋。,端部錨固設(shè)計步驟： 1.根據(jù)地區(qū)的最大年溫差和溫度變化程度計算確定最大應(yīng)變 2.確定路面端部最大容許縱向位移量 3.地基的各種參數(shù)確定 4.混凝土的各種參數(shù)確定 5.錨固的深度、厚度等幾何尺寸 6.計算錨固件之間的最佳距離 7.計算錨固件極限抗力，最大彎矩及最大剪力和路面板內(nèi)附加內(nèi)力 8.求被約束