水泥混凝土路面結構設計第1頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一目錄1概述2彈性地基板體系理論3水泥混凝土路面可靠度設計4混凝混凝土路面結構組合設計5我國水泥混凝土路面設計方法6外國混凝土路面設計方法介紹第2頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一第一節概述1.1混凝土路面結構設計內容1.2混凝土路面結構設計原則1.3混凝土路面結構設計理論與方法1.4混凝土交通等級第3頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一1.1.1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、抗沖刷能力和透水性。1.1路面結構設計內容第4頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一1.1.2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混凝土面板平面尺寸設計

根據混凝土面層板內產生的荷載應力和溫度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。第5頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一1.1.4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。一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混凝土路面的配筋率設計

包括連續配筋與鋼筋混凝土路面的配筋設計，當混凝土路面板較長或者交通量較大時、路基有不均勻沉降或者板的形狀不規則時，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第6頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一1.2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、安全可靠的發方案；3.應結合當地實踐基礎，積極推廣成熟的科研成果；4.充分考慮眼線環境的保護，自然生態平衡；5.保證施工質量，盡可能使用機械化、工廠化施工。第7頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一1.3混凝土路面結構設計原理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。2.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.路面板形態：半空間彈性地基上的無限大原板求解方法。第8頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一1.4混凝土路面交通等級

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：公路技術等級設計基準期（年）公路技術等級設計基準期（年）高速公路30二級公路20一級公路30三、四級公路20第9頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一（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。

第10頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一

單向車道數1234車道分配系數1.00.8-1.00.6-0.80.5-0.75第11頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一 ADTT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數按下式計算。

第12頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一

公路等級縱縫邊緣處高速公路、一級公路、收費站0.17-0.22二級以及以下公路行車道寬7m0.34-0.39行車道寬7m0.54-0.62橫向分布系數第13頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一（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，分級范圍見表。交通等級特重重中等輕2000100-20003-1003分級范圍見表第14頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一第二節彈性地基板體系理論介紹2.1小撓度彈性薄板的基本假設

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析。

第15頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一2.1板撓曲面微分方程第16頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一

第17頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一第三節可靠度設計3.1路面可靠度的定義和極限狀態函數：

路面可靠度定義：在設計使用年限內，在將遇到的環境條件和荷載作用下，路面能夠發揮其預期功能的概率。

我國現行的混凝土路面設計規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，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。極限狀態函數如下：

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應力綜合作用下，路面板縱縫邊緣中部不出現疲勞開裂的概率：

第18頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.2路面結構目標可靠度

我國公路工程結構可靠度設計統一標準規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。安全等級一級二級三級公路等級高速一級二級目標可靠度959085目標可靠指標1.6451.2821.036第19頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.3設計參數均值和變異系數范圍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，他的變異系數見下表。

水泥混凝土路面結構可靠度設計的相關參數：設計年限內的累積軸載作用次數、混凝土的抗彎拉強度和彈性模量以及路面板厚度等。公路等級高速一級二級三級設計基準期（年）303020200.03850.03850.04700.07940.3040.2520.1970.237第20頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一2.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。交通等級特重重中等輕設計彎拉強度（Mpa）5.05.04.54.030302827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0.15-0.200.35-0.553路面板厚度變異水平低中高變異系數0.02-0.040.04-0.060.06-0.08第21頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.4路面結構可靠度設計

變異水平低0.060.02中0.100.05高0.150.09變異水平低0.100.15中0.150.30高0.220.50第22頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一第23頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一第四節路面結構組合設計4.1面層混凝土板

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見下表。面層類型適用條件連續配筋混凝土面層高速公路碾壓混凝土面層二級以及二級以下公路、服務區停車場鋼釬維混凝土面層高程受限的路段、收費站、混凝土加鋪層和橋面鋪裝矩形預制塊面層服務區停車場、二級和二級以下公路橋頭引道等第24頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一4.2基層結構

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。基層類型厚度適宜范圍（mm）適宜交通等級貧混凝土或碾壓混凝土基層120-200特重交通水泥穩定粒料基層150-250重交通瀝青混凝土基層40-60特重交通瀝青穩定碎石基層80-100重交通石灰粉煤灰穩定粒料、級配粒料基層150-200中等或輕交通多孔隙水泥穩定碎石排水基層100-140高速、一級、重交瀝青穩定碎石排水基層80-100高速、一級、重交第25頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一4.3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）在季節性冰凍地區修筑混凝土路面當路面結構總厚度不滿足規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26頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一第五節我國水泥混凝土路面設計方法5.1目標可靠度與疲勞極限狀態方程式5.2彎拉應力分析及厚度設計5.3接縫設計5.4混凝土路面板厚度計算實例第27頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一5.1目標可靠度與疲勞極限狀態方程式

我國水泥混凝土路面按可靠度方法進行設計，不同等級公路的路面結構設計安全等級及相應的設計基準期、可靠度指標和目標可靠度見下表。公路技術等級高速公路一級公路二級公路三、四級公路安全等級一級二級三級四級設計基準期（年）30302020目標可靠度（%）95908580目標可靠指標1.641.281.040.84變異水平等級低低-中中中-高變異水平等級低中高混凝土彎拉強度基頂面當量回彈模量水泥混凝土面層厚度第28頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一

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。極限狀態方程如下：

變異水平等級目標可靠度（%）95908580低1.20-1.331.09-1.161.04-1.08-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鋼釬維混凝土彎拉強度標準值（Mpa）6.06.05.55.0第29頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一5.2彎拉應力分析及厚度設計（1）荷載應力分析

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。

第30頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一

公路等級高速公路一級公路二級公路三、四級公路1.301.251.201.10

彎拉強度1.01.52.02.53.0抗壓強度5.07.711.014.919.3彎拉彈性模量1015182123水泥混凝土彎拉彈性模量經驗參考值彎拉強度3.54.04.55.05.5抗壓強度24.229.735.841.848.4彎拉彈性模量2527293144第31頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一

新建公路的基層頂面當量回彈模量值：

第32頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一（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：

公路自然區劃II、VIIIIV、VIVII最大溫度梯度83-8890-9586-9293-98第33頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一溫度應力系數Bx圖第34頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一（3）混凝土路面厚度設計第35頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一第36頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一5.3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，縱向縮縫采用假縫形式。

縱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。第37頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一2.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。面層厚度（mm）傳力桿直徑傳力桿最小長度傳力桿最大間距2202840030024030400300260324503002803545030030038500300第38頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一5.4混凝土路面板厚度設計算例

公路自然區劃II區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。第39頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一（1）交通分析

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用次數為

屬重交通等級第40頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一（2）初擬路面結構

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。基層選用水泥穩定粒料（水泥用量5%），厚度0.18m。墊層為0.15m低劑量無機結合料穩定土。普通混凝土板的平面尺寸為寬4.5m、長5.0m。縱縫為設拉桿平縫，橫峰為設傳力桿的假縫。（3）路