水泥混凝土路面设计.doc

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第六章水泥混凝土路面设计

1.设计资料

新建永州至蓝山高速位于自然区划Ⅳ区，采用普通混凝路面设计，双向四车道，路面宽26m，交通量年平均增长率为8.0%

2.交通分析

2.1使用初期设计车道每日通过标准轴载作用次数

根据昼夜双向交通量统计，有

使用初期设计车道日标准轴载换算

车型

前后轴

轴轮数

Pi（kpa）

轴载系数δi

交通量Ni

Niδi（Pi/100）16

小客车

前轴

1–1

11.5

776.699

1600

0

后轴

1–1

23

576.514

0.00

中客车SH130

前轴

1–1

25.55

551.03

500

0.00

后轴

1–2

51.1

1

8.90

大客车CA50

前轴

1–1

28.7

524.16

400

0.00

后轴

1–2

68.2

1

40.25

小货车BJ130

前轴

1–1

13.55

723.801

1000

0.00

后轴

1–2

27.2

1

0.00

中货车CA50

前轴

1–1

28.7

524.16

600

0.00

后轴

1–2

68.2

1

60.38

中货车EQ140

前轴

1–1

23.7

569.13

400

0.00

后轴

1–2

69.2

1

43.92

大货车JN150

前轴

1–1

49

416.456

400

2305.71

后轴

1–2

101.6

1

439.97

特大车日野KB222

前轴

1–1

50.2

412.145

300

1978.76

后轴

1–2

104.3

1

386.21

拖挂车五十铃

前轴

1–1

60

381.723

120

0

后轴

3–2

100

0

0.00

（小于40KN的单轴和小于80KN的双轴略去不计，方向分配系数为a=0.5，车道分

配系数为b=0.8）。

=0.4×5274.11=2105.64

2.2使用年限内的累计标准轴次

查《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40—2011），设计基准期为t=30a，临界荷位处轮迹横向分布系数取0.2,交通量年平均增长率gγ=8.0%，累计标准轴次（使用年限内的累计标准轴次）：

故此路属于重交通等级

3.初拟路面结构

查《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40—2011）水泥混凝土面层厚度的参考范围：

高速公路（重交通等级）安全等级为一级，变异水平为低级；按设计要求，根据路基的干湿类型，设计6种方案，并进行方案比选。

3.1干燥状态

方案一：

（1）初拟路面结构

初拟水泥混凝土面层厚度h=25cm。

基层选用水泥稳定碎石，厚度h1=15cm。

底基层选用水泥稳定砂砾，厚度h2=20cm。

板平面尺寸选为宽3.75m，长4.5m。

纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。

（2）材料参数的确定

1、混凝土的设计弯拉强度与弯拉弹性模量

查《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40—2011），普通水泥混凝土路面重型交通:

设计弯拉强度frMpa，对应的设计弯拉弹性模量标准值Ec=31Mpa。

2、土基的回弹模量

根据《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40—2011），路基土干燥状态时，选用土基的回弹模量值：

基层和底基层的回弹模量

基层选用水泥稳定碎石，查《规范》（JTGD40—2011），水泥稳定碎石基层回弹模量选用：

底基层选水泥稳定砂砾，查《规范》（JTGD40—2011），水泥稳定砂砾底基层的回弹模量选用：

Mpa。

（3）基层顶面的当量回弹模量和面层相对刚度半径

参照《规范》（JTGD40—2011）基层顶面当量回弹模量计算公式：

=

=1.355MN*m

=

（MPa）

普通混凝土面层的相对刚度半径：

（4）荷载疲劳应力计算

标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为：

（MPa）

因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数。

考虑设计基准

期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数：

。

根据公路等级，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数。

荷载疲劳应力计算为：

（MPa）

（5）温度疲劳应力

新建永州至蓝山高速位于自然区划Ⅳ区，查《规范》（JTGD40—2011）取最大温度梯度=90（℃/m），板长4.5m，L/r=4.5/0.737=6.106，可温度系数应力表，查普通混凝土板厚m,m。

最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力：

（MPa）

温度疲劳应力系数，查表得a=0.841,b=0.058,c=1.323，计算：

计算温度疲劳应力：

（MPa）

查《规范》可靠度设计标准，高速公路的安全等级为一级，变异水平低级，目标可靠度为95%。

再据查得的目标可靠度和变异水平等级，确定可靠度系数=1.25

（MPa）≤（MPa）

因而，所选普通混凝土面层厚度（25cm）可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。

方案二：

（1）初拟路面结构

初拟水泥混凝土面层厚度h=25cm。

基层选用水泥稳定碎石，厚度h1=15cm。

底基层选石灰粉煤灰碎石，厚度h2=20cm。

板平面尺寸选为宽3.75m，长4.5m。

纵缝为设拉杆平缝；横缝为设传力杆的假缝。

（2）材料参数的确定

1、混凝土的设计弯拉强度与弯拉弹性模量

因为设计为普通混凝土路面且交通等级为重交通等级，由《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40—2011）得：

设计弯拉强度Mpa，弯拉弹性模量Gpa。

2、土基的回弹模量

参照《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40—2011）,路基属于干燥状态，选用路基土基的回弹模量值：

=45（MPa）

3、底基层和基层的回弹模量

基层选用水泥稳定碎石，查《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40—2011），水泥稳定碎石的回弹模量选用：

E1=1500MPa

底基层选石灰粉煤灰碎石，查《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40—2011），的回弹模量选用：

E2=1300MPa

（3）基层顶面的当量回弹模量和计算回弹模量

根据土基状态拟定的基层、垫层结构类型和厚度，参照《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40—2011）中，按式（B.1.5）计算基层顶面当量回弹模量如下：

MPa

（MN-m）

（m）

（MPa）

普通混凝土面层的相对刚度半径按式（B.1.3-2）计算为

（m）

（4）荷载疲劳应力计算

按式（B.1.3）,标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为

（MPa）

因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数。

考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数：

根据公路等级，由表B.1.2，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数。

按式（B.1.2），荷载疲劳应力计算为

（MPa）

（5）温度疲劳应力

新建永蓝高速公路属Ⅳ区，查《规范》表3.0.8可选取最大温度梯度应取86（℃/m）为（℃/m）。

板长4.5m，，由图B.2.2可查普通混凝土板厚h=0.25m,。

按式（B.2.2）,最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为：

（MPa）

温度疲劳应力系数，按式（B.2.3）计算为：

再由式（B.2.1）计算温度疲劳应力为：

（MPa）

查表3.0.1，高速公路的安全等级为一级，相应于一级安全等级的变异水平等级为低级，目标可靠度为95%。

再据查得的目标可靠度和变异水平等级，查表3.0.3，确定可靠度系数。

按式（3.0.3）

（MPa）≤（MPa）

因而，所选普通混凝土面层厚度（25cm）可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。

方案三：

（1）初拟路面结构

初拟水泥混凝土结构的面层，厚度h=25cm。

基层选用多孔隙水泥稳定碎石排水基层厚度h1=12cm。

底基层选水泥稳定碎石，厚度h2=20cm。

基层与底基层之间采用防水土工布隔开。

板平面尺寸选为宽3.75m，长4.5m。

纵缝为设拉杆平缝；横缝为设传力杆的假缝。

（2）材料参数的确定

1、混凝土的设计弯拉强度与弯拉弹性模量

因为设计为普通混凝土路面且交通等级为重型交通，由《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40—2011）表3.0.6和附录F.3查得：

设计弯拉强度Mpa，弯拉弹性模量Gpa。

2、土基的回弹模量

参照《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40—2011）附录F.1,判断路基属于干燥状态，选用路基土基的回弹模量值：

（MPa）

3、底基层和基层的回弹模量

基层选用多孔隙水泥稳定碎石排水基层，查《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40—2011）附录F.2，多孔隙水泥稳定碎石排水基层回弹模量选用：

E1=1500MPa。

底基层选水泥稳定碎石，查《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40—2011）附录F.2，水泥稳定碎石基层的回弹模量选用：

E2=1500MPa。

（3）基层顶面的当量回弹模量和计算回弹模量

根据土基状态拟定的基层、垫层结构类型和厚度，参照《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40—2011）中，按式（B.1.5）计算基层顶面当量回弹模量如下：

MPa

（m）

（MPa）

普通混凝土面层的相对刚度半径按式（B.1.3-2）计算为

（m）

（4）荷载疲劳应力计算

按式（B.1.3）,标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为

（MPa）

因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数。

考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数：

根据公路等级，由表B.1.2，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数。

按式（B.1.2），荷载疲劳应力计算为

（MPa）

（5）温度疲劳应力

永蓝高速公路属Ⅳ区，查《规范》表3.0.8可选取最大温度梯度应取86（℃/m）为=86（℃/m）。

板长4.5m，，由图B.2.2可查普通混凝土板厚m,。

按式（B.2.2）,最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为：

（MPa）

温度疲劳应力系数，按式（B.2.3）计算为：

再由式（B.2.1）计算温度疲劳应力为