路基路面课程设计

CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE &TECHNOLOGY路基路面工程课程设计课题名称： 刚性路面结构设计 学生姓名： 学 号： 班 级: 专 业： 指导教师：2012 年 1 月《路基路面工程B》课程设计任务书及指导书长沙理工大学交通运输工程学院《路基路面工程B》课程设计任务书一、设计任务及内容：任务：刚性路面结构设计内容：1、初拟刚性路面结构（结构、材料、层厚、平面尺寸及接缝）；2、确定材料参数（确定各层回弹模量及当量回弹模量）；3、荷载及温度疲劳应力计算；4、检验并确定刚性路面结构；5、绘制水泥混凝土路面结构图设计、接缝构造图、补强钢筋布置图等。

二、设计资料(一)、路面结构设计依据IV5区平原微丘区某地新建高速公路，路基宽28m，双向4车道。

预计2012年末建成通车。

2009年调查的交通量组成如表1。

表1 2009年调查的交通量组成表（双向调查的结果）2、《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2011），人民交通出版社，2011年，北京；3、《公路路面设计手册》，人民交通出版社，1994年, 北京。

《路基路面工程B》课程设计指导书一、课程设计的目的和要求课程设计是高等学校学生在校学习专业课的一个重要环节，也是学生综合运用所学的知识解决实际问题和独立钻研的良好机会。

课程设计在教学上的要求是：1、培养综合运用所学知识、解决实际问题的独立工作能力；92、系统巩固并提高基础理论课与专业知识；3、掌握路面结构的设计计算方法；4、了解路基路面整体设计与个体设计的有机联系；5、加强与提高设计、计算、绘图及编制说明书的基本技能；6、对本专业某些理论性或技术性问题进行比较深入的探讨。

二、课程设计的步骤与方法1、研读路面结构设计与计算的有关例题。

2、认真分析设计任务书所提供的设计依据。

3、刚性路面结构设计(1) 交通参数分析根据公路等级，确定设计基准期、安全等级，选定设计年限及轮迹横向分布系数，计算使用年限内累计当量轴次，确定道路的交通分级。

(2) 初拟路面结构根据安全等级所确定的变异水平，初拟路面结构层次、类型和材料组成，各层的厚度、面层板平面尺寸和接缝构造。

(3) 确定材料参数根据交通等级，确定混凝土的弯拉强度标准值、弯拉弹性模量标准值，基层、垫层和路基的回弹模量，计算基层顶面的当量回弹模量和混凝土面层的相对刚度半径。

(4) 计算疲劳应力a) 计算临界荷位处产生的荷载应力；b) 确定接缝传荷能力的应力折减系数，疲劳应力系数，综合系数；c) 计算荷载疲劳应力；d) 计算温度疲劳应力。

由自然区划选最大温度梯度；按路面结构和板平面尺寸计算最大温度梯度时的翘曲温度应力，最后计算温度疲劳应力。

(5) 检验初拟路面结构按安全等级、变异水平、目标可靠度，按规范公式检验，如不满足，重拟路面结构，重复(2)～(4)步，直到满足要求。

计算厚度取整至厘米。

(6) 画出最后选定的路面结构图和接缝构造图等。

三、课程设计文件装订完成设计任务后，将设计任务书、指导书、设计说明书、计算书及全部设计计算图表并编好目录，装订成册。

目录1 交通分析 (7)1.1标准轴载与轴载当量换算 (7)1.2 标准荷载累计作用次数的计算 (8)2 初拟路面结构 (9)3 确定材料参数 (9)4 荷载应力 (11)5 温度应力 (13)6 结构极限状态校核 (14)路基路面课程设计1 交通分析1.1标准轴载与轴载当量换算我国公路水泥混凝土路面设计规范以汽车轴重为100kN 的单轴—双轮组荷载作为标准轴载，表示为BZZ —100。

凡前、后轴载大于40KN （单轴）的轴数均应换算成标准轴数，换算公式为：∑==ni i i s PN N 116)100(式中： s N — 100KN 的单轴—双轮组标准轴数的通行次数； i P — 各类轴—轮型i 级轴载的总重（KN ）； n — 轴型和轴载级位数；i N — 各类轴—轮型i 级轴载的通行次数； 表1-1 轴载换算结果1.2 标准荷载累计作用次数的计算表1-2 可靠度设计标准表1-3 车辆轮迹横向分布系数可知，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.22.计算设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数：rt r s e g g N N η⨯⨯-+=365]1)1[(上式中： e N — 标准轴载累计当量作用次数； t — 设计基准年限；r g — 交通量年平均增长率，由材料知，r g =0.06； η — 临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数因此，次）(102206.022.0365]1)06.01[(92.3470630⨯=⨯⨯-+⨯=e N表1-4 交通荷载分级 由表1-4可知，属特重交通荷载等级。

2 初拟路面结构施工变异水平取低等级。

根据高速公路特重交通荷载等级和低变异水平等级，由表2-1得，初拟普通混凝土面层厚度为0.30m，碾压混凝土基层0.18m，面层与基层之间设置40mm厚的沥青混凝土夹层，底基层选用石灰稳定碎石，厚0.20m。

.单向路幅宽度为2⨯3.75m（行车道）+3.5m（硬路肩），行车道水泥混凝土面层板平面尺寸取5.0m⨯3.75m，纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。

硬路肩面层采用与行车道面层等厚的混凝土，并设拉杆与行车道板相连。

表2-1 水凝混凝土面层厚度的参考范围3 确定材料参数表3-1 水泥混凝土弯拉强度标准值表3-2 水泥混凝土线膨胀系数经验参考值表3-3 水泥混凝土强度和弹性模量经验参考值由表3-1，表3-2，表3-3可知，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0MPa ，相应弯拉弹性模量和泊松比取31GPa 、0.15；碾压混凝土弯拉强度标准值为4.0MPa ，相应弯拉弹性模量、泊松比为27GPa 、0.15。

石灰稳定碎石粗集料水泥混凝土的线膨胀系数6107-⨯=c α/℃。

查规范，取中液限黏土的回弹模量为100MPa ，根据设计资料分析计算得路床顶距地下水位为2.0m ，查规范，取据地下水位2.0m 时的湿度调整系数为0.80.由此，路床顶综合回弹模量取为100×0.80=80MPa 。

查规范，石灰稳定碎石底基层回弹模量取220MPa 。

按公式计算板底地基综合当量回弹模量如下：MPa h E h h E h E ni ni ii ix 220)(211211122===∑∑==m h h h ni i x 20.011===∑=442.086.0)18.0ln(26.086.0)ln(26.0=+⨯=+=x h αMPa E EE E xt 05.1258080220442.000=⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=α上述式中：-0E 路床顶综合回弹模量（MPa ）； -α与粒料层总厚度x h 有关的回归系数； -x E 粒料层的单量回弹模量（MPa ）； -x h 粒料层的总厚度（m ）； -n 粒料层的层数；-i i h E 、第i 结构层的回弹模量（MPa ）与厚度（m ）。

t E —板底地基当量回弹模量。

所以，板底地基当量回弹模量t E 取为125Mpa 。

混泥土面层板的弯曲刚度c D 、半刚性基层板的弯曲刚度b D 、路面结构总相对刚度半径g r 为：m MN v h E D c c c c ∙=-⨯⨯=-=36.71)15.01(1230.031000)1(122323 m MN v h E D b b b b ∙=-⨯⨯=-=42.13)15.01(1218.027000)1(122323m E D D r t b c g 063.1)12542.1336.71(21.1)(21.13131=+⨯=+⨯= 上述式中：-c c c v E h 、、混凝土面层板的厚度（m ）、弯拉弹性模量(MPa)和泊松比； -b b b v E h 、、下层板的厚度（m ）、弯拉弹性模量（MPa ）和泊松比； -g r 双层板的相对刚度总半径（m ）； -t E 板底地基当量回弹模量（MPa ）;-c D 混凝土面层板的截面弯曲刚度（m MN ∙）； -b D 下层板的截面弯曲刚度（m MN ∙）。

4 荷载应力按公式，标准轴载和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力为：MPap h r D D s c g c bps070.110030.0063.136.7142.1311045.111045.194.0265.0394.0265.03=⨯⨯⨯+⨯=+⨯=----σMPap h r D D m c g cbpm567.115030.0063.136.7142.1311045.111045.194.0265.0394.0265.03=⨯⨯⨯+⨯=+⨯=----σMPa P h r D s b g bcbps545.010018.0063.142.1311041.111041.194.0268.0394.0268.03=⨯⨯⨯+⨯=+⨯=----σ计算面层荷载疲劳应力和面层最大荷载应力：MPa k k k ps c f r pr 81.2070.115.1621.287.0=⨯⨯⨯==σσ MPa k k pm c r p 57.1567.115.187.0max ,=⨯⨯==σσ计算基层荷载疲劳应力：MPa k k bps c f bpr 88.1545.015.1001.3=⨯⨯==σσ上述式中：-pr σ设计轴载在面层板临界荷位处产生的荷载疲劳应力（MPa ）； -ps σ设计轴载在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力（MPa ）； -m a x ,p σ最重轴载m P 在面层板临界荷位处产生的最大荷载应力（MPa ）； -pm σ最重轴载m P 在四边自由板临界荷位处产生的最大荷载应力(MPa)；-r k 考虑接缝传荷能力的应力折减系数；-f k 考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳应力系数；-c k 考虑计算理论与实际差异以及动载等因素影响的综合系数；bps σ—设计轴载s P 在下层板临界荷位处产生的荷载应力（MPa ）； bpr σ—下层板的荷载疲劳应力（MPa ）。

其中：接缝传荷应力折减系数87.0=r k ；综合系数15.1=c k ； 面层疲劳应力系数621.2)1022(057.06=⨯==λe f N k ； 基层疲劳应力系数001.3)1022(065.06=⨯==λe f N k ；5 温度应力表5-1 最大温度梯度标准值g T该地区属于Ⅳ区，由表5-1可知，最大温度梯度取92℃/m 。

面层与基层之间（设沥青混凝土夹层）的竖向接触刚度n k 取3000MPa/m 。

计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数L B 。

m k D D D D r n b c b c 248.03000)42.1336.71(42.1336.71)(4141=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯+⨯=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=β795.0063.1)36.71248.03000(248.0)36.71063.13000()()(34343434=⨯-⨯⨯-⨯-=---=g c n c g n r D r k r D r k ββξ 57.1063.130.53=⨯==g r L t 758.0795.01435.01)57.1cosh()57.1sinh()57.1sin()57.1cos()57.1sin()57.1cosh()57.1cos()57.1sinh(111=+-=++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=ξL C318.0)758.01(131.0758.077.1)1(131.077.130.048.448.4=-⨯-⨯=--⨯=⨯--e C C e B L L h L c 按公式计算面层最大温度应力：MPa B T h E L gc c c t 95.0318.029230.03100010726max ,=⨯⨯⨯⨯⨯==-ασ温度疲劳应力系数t k ，按公式计算：187.0058.00.595.0841.095.00.5323.1max,max ,=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=t b r t t t r t c f a f k t σσ 按公式计算温度疲劳应力：MPa k t t tr 18.095.0187.0max ,=⨯==σσ6 结构极限状态校核查规范知，一级安全等级，低变异水平 ，可靠度系数r γ取1.30。