水泥混凝土路面应力分析及设计计算PPT课件

2. 翘曲应力
1) 当气温变化较快时，板顶面与底面产生温度差，胀缩变形 大小也就不同。
2) 当气温升高时，板顶面温度较其底面高，板顶膨胀变形较 板底的大，则板中部隆起；当气温下降时，板顶面温度较其 底面板低，板顶收缩变形较板底大。
3) 因而板的边缘和角隅翘起。由于板的自重、地基反力和相 邻板的钳制作用，使部分翘曲变形受阻，从而使板内产生翘 曲应力。
水泥混凝土路面应力分析及设计计算
第一节 概述 第二节 弹性地基板体系理论简介 第三节 水泥混凝土路面应力分析 第四节 水泥混凝土路面可靠度设计 第五节 水泥混凝土路面结构组合设计 第六节 我国水泥混凝土路面设计方法
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第一节 概述
一、混凝土路面结构特征
1. 水泥混凝土路面结构属于弹性层状体系
2. 采用弹性地基板理论进行分析计算
从保证路面结构承载能力的角度，混凝土路面结构设计应以 防止面层板断裂为主要设计标准；从保证汽车行驶性能的角度 ，应严格控制接缝两侧的错台量。
混凝土路面板的疲劳破坏不仅与荷载重复次数有关，而且与 温度周期性变化产生的温度翘曲应力重复作用有关。
路面板防止两种因素综合作用产生的疲劳开裂，必须使荷载 疲劳应力(σp)与温度疲劳翘曲应力(σt)和不超过混凝土的抗弯拉 强度(fcm)，即
轴双轮标准轴载作用于矩形板纵向边缘中部产生的最大荷载 应力控制设计。
采用了可靠度设计方法，以行车荷载和温度梯度综合作用 产生的疲劳断裂作为设计的极限状态。
五、混凝土路面交通等级
1. 设计基准期
2. 轴载当量换算
Ns
n
i Ni
i 1
Pi 100
16
3. 交通调查与轴载分析
由于轻型车对混凝土路面的疲劳损伤可以不计，因此将 统计的年平均日交通量中的2轴4轮以下的轻型客货车辆所 占的交通量剔除不计，从而得到设计基准期初期的年平均 日货车交通量（双向）。
1) 混凝土路面板的弹性模量及力学强度大大高于基层和土 基的相应模量和强度；
2) 其次，混凝土的抗弯拉强度远小于抗压强度，约为其 1/6～1/7，因此决定水泥混凝土板尺寸的强度指标是抗弯拉 应力；
3) 同时，由于混凝土板与基层或土基之间的摩阻力一般不 大，所以在力学图式上可把水泥混凝土路面结构看作是弹 性地基板，用弹性地基板理论进行分析计算。
Hale Waihona Puke 三、混凝土路面结构设计理论与方法
1. 世界各国：
以弹性地基板的荷载应力、温度应力分析方法为基本理 论，以混凝土路面板的弯拉应力作为极限状态和设计控制指 标。
采用温克勒地基模型或弹性半空间均质地基模型。
2. 我国
《公路水泥混凝土路面设计规范》JTG D40-2011: 以弹性半空间地基有限大矩形板模型为基础，以100KN单
图16-11 混凝土路面板的翘曲变形 a)气温升高时； b)气温降低时
假设：温度沿板断面呈直线变化、板和地基始终保持接 触，不计板自重。
第五节 水泥砼路面结构组合设计
一、面层混凝土板
➢应具有足够的强度、耐久性，表面抗滑、耐磨、平整。 ➢一般采用设接缝、不配筋的普通混凝土； ➢面层板的平面尺寸较大或形状不规则，路面结构下埋有地 下设施，高填方、软土地基、填挖交界段的路等有可能产生 不均匀沉降时，应采用设置接缝的钢筋混凝土面层。 ➢对于承受特种交通高速公路，可以选用连续配筋混凝土面 层或选用连续配筋混凝土路面加沥青混凝土面层的复合式路 面结构。
4) 水泥混凝土为脆性材料，在断裂时相对拉伸变形很小， 在荷载作用下土基和基层的变形情况对混凝土板的影响很 大，不均匀的基础变形会使混凝土板与基层脱空。
4. 破坏类型和设计标准
水泥混凝土路面在行车荷载和环境因素的作用下可能出现的 破坏类型主要有：
1) 断裂；2) 唧泥；3) 错台；4) 拱起；5) 接缝挤碎等
σp+σt≤fcm
为了防止混凝土路面拱起、错台、接缝挤碎和唧泥，除了采 用排水基层、耐冲刷基层和增强接缝传荷能力外，还可加强日 常养护等。
二、水泥混凝土路面结构设计内容
1. 路面结构层组合设计 2. 混凝土面板厚度设计 3. 混凝土面板的平面尺寸与接缝设计 4. 路肩设计 5. 混凝土路面(连续配筋、钢筋混凝土路面)的钢筋配筋率设计
3. 混凝土板必须具有足够的抗弯拉强度和厚度
1) 混凝土的抗弯拉强度远低于抗压强度，在车轮荷载作用 下当弯拉应力超过混凝土的极限抗弯拉强度时，混凝土板 便产生断裂破坏。
2) 在车轮荷载的重复作用下，由于疲劳效应混凝土板会在 低于其极限抗弯拉强度时出现破坏。
3) 板顶面和底面的温差会使板产生温度翘曲应力，板的平 面尺寸越大，翘曲应力也越大。
再乘以方向系数（通常为0.5）和车道分布系数才能得到 设计车道在设计基准初期的年平均日货车交通量ADTT。
由轴载谱和轴载当量换算系数计算得到设计车道使用初期 的标准轴载日作用次数：
Ns
ADTT 3000
ni (k p,ij pij )
i
j
kp,ij—各种轴型不同轴载级位的标准轴载当量换算系数； ni—每3000辆2轴6轮以上客、货车辆中i种轴型出现的次数； Pij—i种轴型j级轴载的频率(以分数计)
4.标准轴载累计当量作用次数
Ne
Ns
[(1 gr gr
)t
1] 365
临界荷位处车辆轮迹横向分布系数η
公路等级
高速公路、一级公路
二级、二级以 下公路
行车道宽＞7m 行车道宽<7m
纵缝边缘处 0.17-0.22 0.34-0.39 0.54-0.62
注：车道、行车道较宽或者交通量较大时，取高值；反之，取低值。
5.交通等级划分
第三节 水泥混凝土路面应力分析
一、水泥混凝土路面温度应力分析
水泥混凝土路面板内不同深处的温度，随气温的 变化而变化。这种变化使混凝土板出现膨胀和收缩变 形的趋势。当变形受阻时，板内便产生胀缩应力或翘 曲应力。
1. 胀缩应力
混凝土浇筑的初期，混凝土尚未完全硬化，其抗拉强度 不足以抵抗收缩应力，板将出现开裂。
混凝土板温度升高时，如果未设置胀缝，板的膨胀受阻， 板内将出现膨胀应力。
为了减少收缩应力，在混凝土板内设置各种接缝，板被 划分为有限尺寸的板块。这时板的自由收缩受到板与基础 的摩阻力所约束，此摩阻力随板的自重而变。因变形受阻 而产生的板内最大应力出现于板长的中央。
板划分为有限尺寸板块后，因收缩而产生的应力很小， 可不予考虑。