第十九讲我国沥青路面设计指标与极限标准
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s
E0 l s s F a 0 2 p
0.38
E0
0
r
A1为路面类型系数
用弯沉作设计指标,提出了容许弯沉的概念
5
1 我国沥青路面结构设计方法发展历史回顾
78版《公路柔性路面设计规范》
轴载换算方法—疲劳等效原则
多层体系换算为双层体系的方法——弯沉等效 提出了公路自然区划 初步建立了我国柔性路面设计体系
载重复作用下达到疲劳临界状态时结构层容许的最 大拉应力。
反映结构层强度随累计当量轴次Ne作用次数 衰减的指标可用结构强度系数Ks来表示。 结构强度系数Ks的定义式:
KS
R
PS
沥青类面层或整体性基层材料的极限抗弯拉强度 与允许疲劳强度之比值定义为结构强度系数。
86规范存在的不足
三层体系与实际路面结构不符,层间滑动假设与实际状 态不符、作为设计控制指标的容许弯沉不起控制作用;
1 我国沥青路面结构设计方法发展历史回顾
路面设计规范(草案)(1958)-交通部公路总局 公路路面设计规范(1966)-交通部 公路柔性路面设计规范(1978)-交通部公路局 公路柔性路面设计规范(JTJ 014-86)-交通部 公路沥青路面设计规范(JTJ 014-97)-交通部 公路沥青路面设计规范(JTG D50-2006)-交通部
22
以容许弯沉为指标的设计标准的提出
(2)调查路段的分类 路况 等级
好 I
路面外观描述
平整无裂缝或只有平均间距12~15m以上的细横缝 (缝宽3.0mm以下) 基本平整,有平均间距小于12~15m的较宽横缝或 不规则的纵、横缝或局部出现网状裂缝。 有明显变形,横缝和纵缝联成间距1.5~2m以上的 块状裂缝或间距为10~50cm的网状裂缝和龟裂。
23
中
II
差
III
以容许弯沉为指标的设计标准的提出
(3)测点的分类
路况 等级
好 I
路面外观描述
弯沉测点附近半径大于1m的范围内无任何可见的 结构性破坏。
测点不落在开裂部位,但在半径小于1m的范围内 有裂缝。 测点正好位于纵、横缝缝边或半径大于1m的龟裂 缝中心。
24
中
II
差
III
以容许弯沉为指标的设计标准的提出
设计指标:双轮轮隙中心路表设计弯沉值 ld 600 Ac As Ab 0.2 Ne 2 p 设计标准:实际弯沉 l s 1000 c F ld E1 0.38 0.36 l E ——修正了综合弯沉修正系数 F s 1.63 s 0
(4)极限标准的选择(极限状态设计法与极限强度设计法)
开始破损状与完全破损状态之间的中间状态为极限状 态,并以此作为决定容许弯沉的依据。
25
以容许弯沉为指标的设计标准的提出
(5)数据处理
若路段只有I 类点,表明路段尚未破坏,不纳入统计; 若路段只有III类点,表明路段完全破坏,不纳入统计; I类路段剔除III类点:l1 l1 2 1 III类路段剔除I类点: l3 l3 - 2 3
27
路面等级 高速公路 一级公路 二级公路
k3
1.00 1.00 1/1.10
结构类型 沥青混凝土 沥青碎石(上拌下贯) 沥青表处
以容许弯沉为指标的设计标准的提出
(7)容许弯沉的回归
统一换算为标准状态:不利季节,轴载100KN、路面标准温度为 20℃、一级公路沥青混凝土路面。 半刚性基层沥青路面: l
2
1 我国沥青路面结构设计方法发展历史回顾
58版《路面设计规范(草案)》
设计理论:单圆均布荷载作用下弹性半空间理论解 设计指标:相对弯沉 k l k
D
设计标准:设计模量 ETP p K 综合模量Ee 2 k
3
1 我国沥青路面结构设计方法发展历史回顾
66版《公路路面设计规范》
l d 600Ne
Ac As Ab
0.2
A c As A b
N e ---为设计年限内的累计当量轴次;
--- (gradation)为公路等级系数; --- (surface courses)为面层类型系数; --- (base courses)为基层类型系数。 •设计弯沉定义 :根据设计年限内一个车道 上预测通过的累计当量轴次,公路等级,面 层类型而确定的路面弯沉设计值。
6
路表弯沉--路面结构设计的第一个指标
定义:路面结构受到荷载作用时产生的路表凹 陷量(沉陷量或称垂直位移)称弯沉。
L1
弯沉 盆
L2
注意: 设计时用的是回弹弯沉,即加载时总弯沉 L1 , L 回 简称弯沉。 减掉卸载后的弯沉 L2 ,称回弹弯沉 L回 ,
L1 L2 L回
允许弯沉LR allowable deformation)
0.2 l R 720N e Ac As Ab
Ac :公路等级系数,As :面层结构系数
Ab :基层类型系数
30
以容许弯沉为指标的设计标准的提出
(10)容许弯沉的各类修正系数
高速公路 一级公路 二级公路 三、四级公路 沥青混凝土路面 沥青碎石、沥青贯入、沥青上拌下贯路面 沥青表面处路面 半刚性基层 柔性基层 1.0 1.0 1.1 1.2 1.0 1.1 1.2 1.0 1.6
路况状况分级(好、中、差)—测弯沉三类布 点—确定允许弯沉的极限状态—数据温度与季节 修正—弯沉临界状态方程回归—方程超载、面层 类型、基层类型、道路等级修正—分析弯沉随年 限的变化,定义弯沉相对系数(相对弯沉)AT— —AT=LO/LR—取LO=LD,并取 AT=1.2得到设计弯 沉LD和设计状态
R
PS
KS
PS ——路面结构材料的极限抗拉强度 (Mpa)由实验按标准方法测得; R ——路面结构材料的允许拉应力, 即该材料能承受设计年限内加载的疲劳 弯拉应力(Mpa); Ks ——抗拉结构强度系数。
允许拉应力与结构强度系数的概念
允许拉应力 R 的概念:指路面结构在行车荷
s
验算指标:容许拉应力 T , (Ks a N b ) R
Ks A
E1
1
R
考虑了不同的层间接触状态 建立了多层体系换算为三层体系的方法
12
以弯拉应力作为控制结构层疲劳开裂的验算指标 路面疲劳开裂由下而上发生、发展,它的外观特征是 先发生纵向开裂再逐步发展成纵向网裂、龟裂破坏。 • 沥青路面在车轮反复多次作用下,沥青面层和刚性、 半刚性基层的层底拉应力超过极限,形成初始裂缝并 逐步扩展至断裂的过程,属疲劳断裂损伤。 • 通过大量路面试验,环道试验和小梁疲劳试验后表明, 承受一次加载断裂的极限弯拉应力与受多次加载后达 到同样断裂所施加的疲劳应力之间的比值与加载的次 数之间存在如下相关关系:
验算指标:容许拉应力 R SP , (Ks Aa a N b )
KS Ac
0
2000 P
重新建立了沥青面层和半刚性基层的轴载换算方法 建立以弹性层状体系理论为基础的补强设计方法
17
1 我国沥青路面结构设计方法发展历史回顾
2006版《公路沥青路面设计规范》 设计理论、设计指标和设计标准均未变化
0.204 0.77, n 50 650 N R e
28
以容许弯沉为指标的设计标准的提出
(8)柔性基层沥青路面弯沉的验证
29
以容许弯沉为指标的设计标准的提出
(9)超载因素影响考虑 考虑当时我国公路上各类车辆普遍超载的现象,通过交 通资料计算所得的累计标准轴次少于实际累计标准轴次, 将容许弯沉曲线向右平移一段距离,及公式右端乘以 1.1,且将回归方程指数调整为0.2,得到:
设计理论、设计指标和设计标准均未变化; 调整了k 值和安全系数的计算公式
K 0.5 0.65 lgN r
4
1 我国沥青路面结构设计方法发展历史回顾
78版《公路柔性路面设计规范》
双层弹性体系理论 1.37 设计指标:双轮轮隙中心路表容许弯沉 l R 0.2 A1 N 设计标准:实际弯沉 l 2 p F l
• 我国的弯沉测试(deflection testing)采用Bzz-100标准轴载,使 用按前进卸荷法则定。
贝克曼梁弯沉仪
落锤式弯沉仪测弯沉示意图
落锤式弯沉仪(FWD)
1 我国沥青路面结构设计方法发展历史回顾
86版《公路柔性路面设计规范》
设计理论:双圆垂直均布荷载作用下三层弹性体系理论 1.1 设计指标:双轮轮隙中心路表容许弯沉值 l R 0.2 A A1 N 设计标准:实际弯沉 l 2 p F l
原设计标准相对大量采用的半刚性基层沥青路面结构而 言明显偏低;
设计参数与设计状态相矛盾,无法进行竣工验收;
三参数补强设计经验方法与改扩建工程的实际不符;
提出弯沉综合修正系数的前提条件发生了变化。
16
1 我国沥青路面结构设计方法发展历史回顾
97版《公路沥青路面设计规范》
设计理论:双圆垂直均布荷载下多层弹性连续体系理论
(基层类型系数采用插值技术取值) 调整了材料参数的取值方法和推荐值 我国已经颁布6部规范一直沿用了路表弯沉的设计指标, 原因是该指标反映了结构综合刚度,具有可检测性。
18
设计弯沉值的概念与得出
• 我国现行《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)l d 将路面竣工后第1年的不利季节取为设计状态,根据弯 沉变化规律和容许弯沉值调查结果,可得设计弯沉 计算公式:
我国沥青路面的设计标准
1 了解我国沥青路面设计方法的历程,理解 弯沉与设计极限状态的基本概念与我国沥青 路面设计的两个基本方程的含义; 2 理解与掌握设计弯沉、允许弯拉应力、结 构强度系数的基本概念?了解这三项指标的 确定方法。 3 弯沉与弯拉应力计算点位、计算方法?
4 了解轴载换算、结构厚度等效换算及计算参数的 确定,掌握路面设计程序与方法。
n1 l1 n2 l 2 n3 l 3 n1 n2 n3
II类路段:
l2
26
以容许弯沉为指标的设计标准的提出
(6)数据修正
季节修正和温度修正 结构类型和公路等级修正
l k1 k2 l
l k3 k4 l
k4
1.00 1/1.10 1/1.20
2 我国现行设计标准的得出—97设计规范的设计指标与标准的得
出
以容许弯沉为指标的设计标准的提出 (1)容许弯沉的调查——92-93年不利季节实测
分别调查了吉林、山东、山西、四川、湖南、湖北、 西藏、江西、黑龙江、天津、上海九省两市计60多个 路段两万多个测点弯沉调查。 调查路段大多为使用了三年以上未经罩面,并开始出 现局部结构性破坏的高速公路、一级公路、二级公路 的半刚性基层沥青路面。
所以:路表回弹弯沉指标反映了结构综合刚度。 • 在一次轮载作用下,弯沉越大且弯沉盆越陡深的疲劳寿 命(Fatigue Life)越短; 弯沉越小的且弯沉盆越宽 缓的疲劳寿命(Fatigue Life)越长。 弯沉值标准(容许弯沉)状态:以路面在车辆荷载反复作 用下出现纵向裂缝为临界状态,以纵向网裂为破坏状态。 所以,弯沉值主要反映车辆荷载作用下路面结构整体、 包括结构层部分应力与抗力对比失衡状态的表观特征。 • 以弯沉值作为设计控制指标的一个优点是便于直接量测。 因此我国沥青路面设计方法较长时间都以路表弯沉作为 设计控制指标。
定义:路面在使用期末的不利季节,在设计标 准轴载作用下,容许出现的最大回弹弯沉值称 允许弯沉 LR 。 这是72年交通部组织弯沉调查时提出来的。对 于不同的路面结构,达到相同程度的破坏状态, 所承受的标准轴载累计作用次数Ne与相对应的 回弹弯沉是不同的。
• 路表回弹弯沉是路面结构层与路基回弹变形之和,它与 路基顶面压应变有密切关系,且路基变形占总变形的量 约>90%。
• 设计弯沉是路面竣工验收时应该达到的 弯沉标准。根据相对弯沉变化系数 A T 的定义,将 l o 取值为 l d ,由此便可得 到路面使用期内任一年的弯沉评价标准 l t
l t ld AT 600Ne
0.2
Ac As Ab AT
AT lt / l0
2 我国现行设计标准的得出—97设计规范的设计指标与标准的得出
E0 l s s F a 0 2 p
0.38
E0
0
r
A1为路面类型系数
用弯沉作设计指标,提出了容许弯沉的概念
5
1 我国沥青路面结构设计方法发展历史回顾
78版《公路柔性路面设计规范》
轴载换算方法—疲劳等效原则
多层体系换算为双层体系的方法——弯沉等效 提出了公路自然区划 初步建立了我国柔性路面设计体系
载重复作用下达到疲劳临界状态时结构层容许的最 大拉应力。
反映结构层强度随累计当量轴次Ne作用次数 衰减的指标可用结构强度系数Ks来表示。 结构强度系数Ks的定义式:
KS
R
PS
沥青类面层或整体性基层材料的极限抗弯拉强度 与允许疲劳强度之比值定义为结构强度系数。
86规范存在的不足
三层体系与实际路面结构不符,层间滑动假设与实际状 态不符、作为设计控制指标的容许弯沉不起控制作用;
1 我国沥青路面结构设计方法发展历史回顾
路面设计规范(草案)(1958)-交通部公路总局 公路路面设计规范(1966)-交通部 公路柔性路面设计规范(1978)-交通部公路局 公路柔性路面设计规范(JTJ 014-86)-交通部 公路沥青路面设计规范(JTJ 014-97)-交通部 公路沥青路面设计规范(JTG D50-2006)-交通部
22
以容许弯沉为指标的设计标准的提出
(2)调查路段的分类 路况 等级
好 I
路面外观描述
平整无裂缝或只有平均间距12~15m以上的细横缝 (缝宽3.0mm以下) 基本平整,有平均间距小于12~15m的较宽横缝或 不规则的纵、横缝或局部出现网状裂缝。 有明显变形,横缝和纵缝联成间距1.5~2m以上的 块状裂缝或间距为10~50cm的网状裂缝和龟裂。
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中
II
差
III
以容许弯沉为指标的设计标准的提出
(3)测点的分类
路况 等级
好 I
路面外观描述
弯沉测点附近半径大于1m的范围内无任何可见的 结构性破坏。
测点不落在开裂部位,但在半径小于1m的范围内 有裂缝。 测点正好位于纵、横缝缝边或半径大于1m的龟裂 缝中心。
24
中
II
差
III
以容许弯沉为指标的设计标准的提出
设计指标:双轮轮隙中心路表设计弯沉值 ld 600 Ac As Ab 0.2 Ne 2 p 设计标准:实际弯沉 l s 1000 c F ld E1 0.38 0.36 l E ——修正了综合弯沉修正系数 F s 1.63 s 0
(4)极限标准的选择(极限状态设计法与极限强度设计法)
开始破损状与完全破损状态之间的中间状态为极限状 态,并以此作为决定容许弯沉的依据。
25
以容许弯沉为指标的设计标准的提出
(5)数据处理
若路段只有I 类点,表明路段尚未破坏,不纳入统计; 若路段只有III类点,表明路段完全破坏,不纳入统计; I类路段剔除III类点:l1 l1 2 1 III类路段剔除I类点: l3 l3 - 2 3
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路面等级 高速公路 一级公路 二级公路
k3
1.00 1.00 1/1.10
结构类型 沥青混凝土 沥青碎石(上拌下贯) 沥青表处
以容许弯沉为指标的设计标准的提出
(7)容许弯沉的回归
统一换算为标准状态:不利季节,轴载100KN、路面标准温度为 20℃、一级公路沥青混凝土路面。 半刚性基层沥青路面: l
2
1 我国沥青路面结构设计方法发展历史回顾
58版《路面设计规范(草案)》
设计理论:单圆均布荷载作用下弹性半空间理论解 设计指标:相对弯沉 k l k
D
设计标准:设计模量 ETP p K 综合模量Ee 2 k
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1 我国沥青路面结构设计方法发展历史回顾
66版《公路路面设计规范》
l d 600Ne
Ac As Ab
0.2
A c As A b
N e ---为设计年限内的累计当量轴次;
--- (gradation)为公路等级系数; --- (surface courses)为面层类型系数; --- (base courses)为基层类型系数。 •设计弯沉定义 :根据设计年限内一个车道 上预测通过的累计当量轴次,公路等级,面 层类型而确定的路面弯沉设计值。
6
路表弯沉--路面结构设计的第一个指标
定义:路面结构受到荷载作用时产生的路表凹 陷量(沉陷量或称垂直位移)称弯沉。
L1
弯沉 盆
L2
注意: 设计时用的是回弹弯沉,即加载时总弯沉 L1 , L 回 简称弯沉。 减掉卸载后的弯沉 L2 ,称回弹弯沉 L回 ,
L1 L2 L回
允许弯沉LR allowable deformation)
0.2 l R 720N e Ac As Ab
Ac :公路等级系数,As :面层结构系数
Ab :基层类型系数
30
以容许弯沉为指标的设计标准的提出
(10)容许弯沉的各类修正系数
高速公路 一级公路 二级公路 三、四级公路 沥青混凝土路面 沥青碎石、沥青贯入、沥青上拌下贯路面 沥青表面处路面 半刚性基层 柔性基层 1.0 1.0 1.1 1.2 1.0 1.1 1.2 1.0 1.6
路况状况分级(好、中、差)—测弯沉三类布 点—确定允许弯沉的极限状态—数据温度与季节 修正—弯沉临界状态方程回归—方程超载、面层 类型、基层类型、道路等级修正—分析弯沉随年 限的变化,定义弯沉相对系数(相对弯沉)AT— —AT=LO/LR—取LO=LD,并取 AT=1.2得到设计弯 沉LD和设计状态
R
PS
KS
PS ——路面结构材料的极限抗拉强度 (Mpa)由实验按标准方法测得; R ——路面结构材料的允许拉应力, 即该材料能承受设计年限内加载的疲劳 弯拉应力(Mpa); Ks ——抗拉结构强度系数。
允许拉应力与结构强度系数的概念
允许拉应力 R 的概念:指路面结构在行车荷
s
验算指标:容许拉应力 T , (Ks a N b ) R
Ks A
E1
1
R
考虑了不同的层间接触状态 建立了多层体系换算为三层体系的方法
12
以弯拉应力作为控制结构层疲劳开裂的验算指标 路面疲劳开裂由下而上发生、发展,它的外观特征是 先发生纵向开裂再逐步发展成纵向网裂、龟裂破坏。 • 沥青路面在车轮反复多次作用下,沥青面层和刚性、 半刚性基层的层底拉应力超过极限,形成初始裂缝并 逐步扩展至断裂的过程,属疲劳断裂损伤。 • 通过大量路面试验,环道试验和小梁疲劳试验后表明, 承受一次加载断裂的极限弯拉应力与受多次加载后达 到同样断裂所施加的疲劳应力之间的比值与加载的次 数之间存在如下相关关系:
验算指标:容许拉应力 R SP , (Ks Aa a N b )
KS Ac
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重新建立了沥青面层和半刚性基层的轴载换算方法 建立以弹性层状体系理论为基础的补强设计方法
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1 我国沥青路面结构设计方法发展历史回顾
2006版《公路沥青路面设计规范》 设计理论、设计指标和设计标准均未变化
0.204 0.77, n 50 650 N R e
28
以容许弯沉为指标的设计标准的提出
(8)柔性基层沥青路面弯沉的验证
29
以容许弯沉为指标的设计标准的提出
(9)超载因素影响考虑 考虑当时我国公路上各类车辆普遍超载的现象,通过交 通资料计算所得的累计标准轴次少于实际累计标准轴次, 将容许弯沉曲线向右平移一段距离,及公式右端乘以 1.1,且将回归方程指数调整为0.2,得到:
设计理论、设计指标和设计标准均未变化; 调整了k 值和安全系数的计算公式
K 0.5 0.65 lgN r
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1 我国沥青路面结构设计方法发展历史回顾
78版《公路柔性路面设计规范》
双层弹性体系理论 1.37 设计指标:双轮轮隙中心路表容许弯沉 l R 0.2 A1 N 设计标准:实际弯沉 l 2 p F l
• 我国的弯沉测试(deflection testing)采用Bzz-100标准轴载,使 用按前进卸荷法则定。
贝克曼梁弯沉仪
落锤式弯沉仪测弯沉示意图
落锤式弯沉仪(FWD)
1 我国沥青路面结构设计方法发展历史回顾
86版《公路柔性路面设计规范》
设计理论:双圆垂直均布荷载作用下三层弹性体系理论 1.1 设计指标:双轮轮隙中心路表容许弯沉值 l R 0.2 A A1 N 设计标准:实际弯沉 l 2 p F l
原设计标准相对大量采用的半刚性基层沥青路面结构而 言明显偏低;
设计参数与设计状态相矛盾,无法进行竣工验收;
三参数补强设计经验方法与改扩建工程的实际不符;
提出弯沉综合修正系数的前提条件发生了变化。
16
1 我国沥青路面结构设计方法发展历史回顾
97版《公路沥青路面设计规范》
设计理论:双圆垂直均布荷载下多层弹性连续体系理论
(基层类型系数采用插值技术取值) 调整了材料参数的取值方法和推荐值 我国已经颁布6部规范一直沿用了路表弯沉的设计指标, 原因是该指标反映了结构综合刚度,具有可检测性。
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设计弯沉值的概念与得出
• 我国现行《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)l d 将路面竣工后第1年的不利季节取为设计状态,根据弯 沉变化规律和容许弯沉值调查结果,可得设计弯沉 计算公式:
我国沥青路面的设计标准
1 了解我国沥青路面设计方法的历程,理解 弯沉与设计极限状态的基本概念与我国沥青 路面设计的两个基本方程的含义; 2 理解与掌握设计弯沉、允许弯拉应力、结 构强度系数的基本概念?了解这三项指标的 确定方法。 3 弯沉与弯拉应力计算点位、计算方法?
4 了解轴载换算、结构厚度等效换算及计算参数的 确定,掌握路面设计程序与方法。
n1 l1 n2 l 2 n3 l 3 n1 n2 n3
II类路段:
l2
26
以容许弯沉为指标的设计标准的提出
(6)数据修正
季节修正和温度修正 结构类型和公路等级修正
l k1 k2 l
l k3 k4 l
k4
1.00 1/1.10 1/1.20
2 我国现行设计标准的得出—97设计规范的设计指标与标准的得
出
以容许弯沉为指标的设计标准的提出 (1)容许弯沉的调查——92-93年不利季节实测
分别调查了吉林、山东、山西、四川、湖南、湖北、 西藏、江西、黑龙江、天津、上海九省两市计60多个 路段两万多个测点弯沉调查。 调查路段大多为使用了三年以上未经罩面,并开始出 现局部结构性破坏的高速公路、一级公路、二级公路 的半刚性基层沥青路面。
所以:路表回弹弯沉指标反映了结构综合刚度。 • 在一次轮载作用下,弯沉越大且弯沉盆越陡深的疲劳寿 命(Fatigue Life)越短; 弯沉越小的且弯沉盆越宽 缓的疲劳寿命(Fatigue Life)越长。 弯沉值标准(容许弯沉)状态:以路面在车辆荷载反复作 用下出现纵向裂缝为临界状态,以纵向网裂为破坏状态。 所以,弯沉值主要反映车辆荷载作用下路面结构整体、 包括结构层部分应力与抗力对比失衡状态的表观特征。 • 以弯沉值作为设计控制指标的一个优点是便于直接量测。 因此我国沥青路面设计方法较长时间都以路表弯沉作为 设计控制指标。
定义:路面在使用期末的不利季节,在设计标 准轴载作用下,容许出现的最大回弹弯沉值称 允许弯沉 LR 。 这是72年交通部组织弯沉调查时提出来的。对 于不同的路面结构,达到相同程度的破坏状态, 所承受的标准轴载累计作用次数Ne与相对应的 回弹弯沉是不同的。
• 路表回弹弯沉是路面结构层与路基回弹变形之和,它与 路基顶面压应变有密切关系,且路基变形占总变形的量 约>90%。
• 设计弯沉是路面竣工验收时应该达到的 弯沉标准。根据相对弯沉变化系数 A T 的定义,将 l o 取值为 l d ,由此便可得 到路面使用期内任一年的弯沉评价标准 l t
l t ld AT 600Ne
0.2
Ac As Ab AT
AT lt / l0
2 我国现行设计标准的得出—97设计规范的设计指标与标准的得出