2023/9/216.1概述1、路面結構特征：1、混凝土的強度遠大于基層和土基的強度；2、水泥混凝土本身的抗壓強度遠大于抗折強度；3、基層表面與路面板間摩擦力較小；4、板塊厚度相對與平面尺寸較小，板塊在荷載作用下的撓度（豎向位移）很小；5、混凝土板在自然條件下，存在沿板厚方向的溫度梯度，會產生翹曲現象，如果受到約束，會在板中產生翹曲應力。6、荷載多次重復作用，溫度梯度也反復變化，混凝土板有疲勞現象。

2、路面結構設計理論與方法：結構體系:彈性層狀體系設計指標:抗彎拉強度設計標準:r(σp+σt)≤fcm

2023/9/23、路面結構設計原則：4、路面結構設計內容：1．路面結構層組合設計2．混凝土面板厚度設計3．混凝土面板的平面尺寸與接縫設計4．路肩設計5．普通混凝土路面的鋼筋配筋率設計2023/9/216.2彈性地基板力學模型2023/9/22023/9/2微分單元受力圖注意：上圖中荷載p(x,y)dxdy和地基反力q(x,y)dxdy未標出。2023/9/22023/9/22023/9/22023/9/22）板與地基接觸條件假設（1）變形過程中板與地基始終緊密接觸，因此板面、板底豎向位移與地基頂面位移相等。（2）接觸面上只有豎向力，無水平摩阻力。2023/9/2假定地基是各向同性的彈性半空間體，這時地基在荷載作用范圍內、外均產生變形和反力。2023/9/216.3Winkler地基無限大板解2023/9/22023/9/216.4Westergaard荷載應力公式（Winkler地基）三個臨界荷位：

1、作用在板中；

2、作用在板邊緣中部；

3、作用在板角。最大彎拉應力位置：1、荷載中心處板底；2、荷位下板底；3、板表面距板角點x1的分角線上2023/9/22023/9/22023/9/22023/9/216.5彈性半空間地基無限大板解2023/9/216.6彈性半空間地基雙層板荷載應力分析1、2023/9/22、結合式：2023/9/2

或用單層板的方法求解雙層板的總彎矩，分別計算上、下層板底的彎拉應力。上層：下層：公式見書P468。2023/9/216.7脹縮應力——溫度均勻升降所引起2023/9/22023/9/216.8翹曲應力——頂、底面溫差(溫度梯度)引起原因：板的自重、地基負反力、鄰板約束等。大板板中面曲率：2023/9/21)文克勒地基板:2023/9/2對于較厚的板，應考慮由于溫度的非線性分布而引起的內應力。

考慮溫度沿板厚非線性分布引起的內應力后，板中：板邊緣中點：式中，——

溫度應力系數，2023/9/22023/9/22)彈性半空間體地基上板的翹曲應力，目前尚無解析解，可采用有限元法計算板內翹曲應力。按照文克勒地基板計算翹曲應力的假設，采用有限元法計算了彈性半空間體地基上板的翹曲應力。根據所得結果，繪出圖16-10中的曲線1和2。此時板的剛性半徑計算公式為：2023/9/2例:路面板長L=5m，板寬B=3.5m，厚24cm,Ec=2.8×104，μc=0.15，K=80MPa/m,α=10-5／℃，板的溫度梯度為85℃／m，求溫度翹曲應力和考慮內應力的溫度翹曲應力。解:1、由板和地基參數得板的剛性半徑為：

查圖16-12中的曲線3，計算翹曲應力：由L/l=5/0.801=6.24,B/l=3.5/0.801=4.37查圖16-10曲線1得板中點的Cx=0.948,Cy=0.544故板中溫度翹曲應力σt(中)：沿長邊方向：σtx=沿短邊方向：σty=m

2023/9/2板邊溫度翹曲應力σt(邊)：短邊中點：σty=

長邊中點：σtx=2、考慮內應力的溫度翹曲應力

采用同樣的方法可得：板中部：板邊緣中點：

2023/9/216.9國內水泥混凝土路面設計方法3）地基模型：彈性半空間地基有限大矩形板4）標準軸載：100kN單軸雙輪5）設計方法：采用可靠度6）極限狀態：行車荷載和溫度荷載綜合作用產生的疲勞斷裂2023/9/216.10設計參數2023/9/2二、交通分級、設計使用年限和累計作用次數：交通等級使用初期設計車道日標準軸載作用次數(n/d)設計使用年限(t)初估板厚(cm)普通混凝土碾壓混凝土特重＞150030＞25＞26重200～15003023~2524~26中等5～2002021~2322~24輕

520＜21＜22交通分級與設計使用年限及初估板厚車輪輪跡橫向分布系數η

公路等級縱縫邊緣橫縫邊緣高速、一級公路0.17~0.220.40~0.55二級、三級、四級公路行車道寬>7m0.34~0.390.50~0.60行車道寬≤7m0.54~0.620.60~0.702023/9/2三、基層頂面的當量回彈模量和計算回彈模量1）當量回彈模量：2023/9/22023/9/2d、解析法：2023/9/2基層頂面的當量回彈模量Et交通等級特重重中等輕當量回彈模量Et(MPa)12010080602）計算回彈模量：2023/9/2四、水泥混凝土的設計強度和彎拉彈性模量1）混凝土面板：以小梁試件確定強度、模量值交通等級特重重中等輕fcm（MPa）5.05.04.54.0Ec（MPa）30000300002800027000Ec=1.44*104

混凝土的設計彎拉強度與彈性模量

2023/9/2五、最大溫度梯度各地區不相同的可能產生的沿板厚最大的溫度變化速率。用于考慮板塊可能產生的最大溫度應力。2023/9/2六、可靠度設計標準2023/9/22023/9/216.11荷載疲勞應力1、2023/9/2回歸公式：2023/9/2撓度傳荷系數:應力2、接縫傳荷能力：2023/9/22023/9/2各類接縫的傳荷系數

接縫類型撓度傳荷系數Ew（%）應力傳荷系數kj設傳力桿脹縫

60

0.82不設傳力桿脹縫50~550.84~0.86設傳力桿縮縫

75

0.75設拉桿平口縱縫35~550.87~0.92設拉桿企口縱縫77~820.76~0.842023/9/23、疲勞應力系數2023/9/24、綜合影響系數Kc:考慮偏載和動載等因素綜合系數kc公路等級高速公路一級公路二級公路三、四級公路綜合系數kc1.301.251.201.102023/9/25、荷載疲勞應力：2023/9/216.12溫度疲勞應力2023/9/2溫度應力疲勞作用系數kt的解析法：a、b、c為各公路自然區劃的回歸系數。2023/9/2溫度應力疲勞作用系數kt2023/9/216.13板厚設計2023/9/2安全等級目標可靠度變異水平等級可靠度系數r2023/9/216.14路面厚度設計示例

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，，經交通調查得知，設計車道使用初期標準軸載日作用次數為2100，試設計該路面厚度。1、交通分析二級公路的設計基準期查表為20年，其可靠度設計標準的安全等級查表為三級。臨界荷位處的車輛輪跡橫向分布系數查表查表取0.39。取交通量年增長率為5％。設計基準期內的設計車道標準荷載累計作用次數按公式計算：屬重交通等級。2023/9/22初擬路面結構相應于安全等級三級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，初擬普通混凝土面層厚度0.22m基層選用水泥穩定粒料（水泥用量5％），厚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5m,縱縫為設拉桿平縫，橫縫為不設傳力桿的假縫。3路面材料參數確定取重交通等級的普通混凝土面層彎拉強度標準值查表為5.0MPa,相應彎拉彈性模量標準值查參考值表為31GP。根據中濕路基路床頂面回彈模量經驗參考值表，取路基回彈模量為30MPa，根據墊層、基層材料回彈模量經驗參考值表，取低劑量無機結合料穩定土墊層回彈模量為600MPa，水泥穩定粒料基層回彈模量為1300MPa。2023/9/24計算基層頂面當量回彈模量2023/9/25、普通混凝土面層的剛度半徑和荷載應力6、修正系數確定因縱縫為設拉桿平縫，查表得到接縫傳荷能力的應力折減系數Kj=0.87；考慮設計基準期內荷載應力累計疲勞作用的疲勞應力系數

根據公路等級，查表得到考慮偏載和動載等因素對路面疲勞損壞影響的綜合系數為1.20。2023/9/27、荷載疲勞應力

2023/9/28、溫度疲勞應力參數

Ⅱ區最大溫度梯度查表取（88℃/m），板長5m，L/r=5/0.67=7.46，查圖得普通混凝土板厚h=0.22m，Bx＝＝0.71，按公式計算最大溫度梯度時混凝土板的溫度翹曲應力：9、溫度疲勞應力系數10、溫度疲勞應力2023/9/2

11、可靠度系數二級公路的安全等級為三級，相應于三級安全等級的變異水平等級為中級，目標可靠度根據查表為85％。由查得的目標可靠度和變異水平等級，查表確定可靠度系數為1.13。12、判斷結構是否滿足要求因而，所選普通混凝土面層厚度（0.22m））可以承受設計基準期內荷載應力和溫度應力的綜合疲勞作用。2023/9/216.15混凝土面板接縫設計和配筋設計1、接縫設計2、配筋設計：鋼筋混凝土面層連續配筋混凝土面層2023/9/216.16水泥混凝土路面加鋪層設計2023/9/2由彎沉值計算確定：2023/9/2（4）瀝青混凝土罩面（5）破碎混凝土路面板加鋪2023/9/22023/9/24）理論設計法：荷載應力：層間結合系數：分離式結合式：2023/9/2荷載疲勞應力：2023/9/2最大溫度翹曲應力：溫度疲勞應力：2023/9/2加鋪層厚度設計：2023/9/2加鋪層(復合)路面結構設計例題:(見書P494)2023/9/216.17其它設計方法簡介(1)理論法：美國的PCA法及蘇聯的設計方法；(2)試驗路法：美國的AASHTO法；(3)典型結構圖表法：法國的設計方法。2023/9/2一、理論法：波特蘭水泥協會(PCA)法應用文克勒地基上彈性薄板理論，橫縫邊緣作為計算應力的臨界荷載位置，采用荷載安全系數以考慮汽車的超載、輪載分配的不均勻性和沖擊作用等因素所引起的荷載增大。累加各級軸載對疲勞抗力的利用率來選定路面厚度.≤1～1.252023/9/2二、試驗路法：美國各州公路工作者協會(AASHTO)法

以足尺試驗路為基礎，經過長期的觀測，建立起軸載作用次數、路面結構厚度和使用性能之間的經驗關系式：以使用性能內路面耐用指數的總變化量為設計標準。2023/9/2本章基本要求了解彈性地基板體系理論；掌握水泥混凝土路面荷載應力分析、水泥混凝土路面溫度應力分析、水泥混凝土路面板厚設計方法、水泥混凝土路面平面尺寸和接縫設計；了解復合式混凝土路面厚度設計、水泥混凝土路面上加鋪層設計方法；了解國外有關設計方法。2023/9/