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第第 九九 章章水泥混凝土路面结构设计水泥混凝土路面结构设计Design Of Pavement Structure For Cement Concrete1.水泥混凝土路面水泥混凝土路面：指以水泥混凝土板作为主要承载结构层，而板下的基垫：指以水泥混凝土板作为主要承载结构层，而板下的基垫层及路基统称为地基，起支承作用。层及路基统称为地基，起支承作用。水泥混凝土路面分类水泥混凝土路面分类：1.普通混凝土（仅在接缝或边角配筋）；普通混凝土（仅在接缝或边角配筋）；2.钢筋混钢筋混凝土；凝土；3.连续配筋混凝土；连续配筋混凝土；4.碾压混凝土；碾压混凝土；5.钢纤维混凝土。钢纤维混凝土。设计理论设计理论：弹性地基板理论：弹性地基板理论设计内容设计内容：1.结构层次组合；结构层次组合；2.路面板尺寸确定；路面板尺寸确定；3.接缝构造及配筋设计接缝构造及配筋设计9.1 混凝土路面的损坏模式和设计要求混凝土路面的损坏模式和设计要求一、损坏模式：一、损坏模式：1.断裂：断裂：原因为板太薄或轮载过重和作用次数过多，板的平面尺寸太大。原因为板太薄或轮载过重和作用次数过多，板的平面尺寸太大。2.挤碎：挤碎：接缝附近受挤压而碎裂。接缝附近受挤压而碎裂。3.拱起：拱起：接缝两侧的板突然向上拱起，为纵向屈曲失稳引起。接缝两侧的板突然向上拱起，为纵向屈曲失稳引起。4.唧泥：唧泥：接缝内喷溅出泥浆现象，使路面板边缘和角隅部分逐渐失去支承，接缝内喷溅出泥浆现象，使路面板边缘和角隅部分逐渐失去支承，导致断裂。导致断裂。5.错台：错台：竖向相对位移。竖向相对位移。水泥混凝土路面优缺点水泥混凝土路面优缺点：强度高、稳定性好、耐久性好、养护费用少、经济效：强度高、稳定性好、耐久性好、养护费用少、经济效益高、有利于夜间行车；对水泥需要量大、有接缝、开放交通迟、修复困难。益高、有利于夜间行车；对水泥需要量大、有接缝、开放交通迟、修复困难。2.二、设计要求：二、设计要求：1.路基和基层设计：路基和基层设计：要求密实、均匀、稳定和防冻厚度及要求密实、均匀、稳定和防冻厚度及E。大于规定值。大于规定值。2.混凝土材料组成设计：混凝土材料组成设计：配合比及材料要达到高强、耐磨和抗冻。配合比及材料要达到高强、耐磨和抗冻。3.路面板几何尺寸设计：路面板几何尺寸设计：平面尺寸、板厚设计，以使强度（平面尺寸、板厚设计，以使强度（p,tp,t）满足要满足要求。求。4.接缝及配筋设计：接缝及配筋设计：选选接缝类型、布置接缝位置、定接缝构造，以提高接缝接缝类型、布置接缝位置、定接缝构造，以提高接缝传荷能力。传荷能力。混凝土面板承受的应力很多，有荷载应力混凝土面板承受的应力很多，有荷载应力p、温度应力、温度应力t、收缩应力、体、收缩应力、体积变化应力等，设计时，主要考虑积变化应力等，设计时，主要考虑pp，tt。9.2 弹性地基板的应力分析弹性地基板的应力分析 混凝土路面在荷载混凝土路面在荷载P作用下变形很小，其远大于路基和基垫层的，作用下变形很小，其远大于路基和基垫层的，其间的摩阻力一般也不大，鉴于这个特性，用弹性地基板理论分析。其间的摩阻力一般也不大，鉴于这个特性，用弹性地基板理论分析。一、荷载应力分析：一、荷载应力分析：1.弹性地基小挠度薄板理论：弹性地基小挠度薄板理论：厚度不到平面尺寸的厚度不到平面尺寸的1/10的板叫薄板，竖向位移的板叫薄板，竖向位移远小于厚度的变形叫小挠度。远小于厚度的变形叫小挠度。3.基（垫）层、路基可看成弹性地基，它对路面只有向上的竖向反力，基（垫）层、路基可看成弹性地基，它对路面只有向上的竖向反力，且地基与板完全接触（不脱离），即挠度相同。且地基与板完全接触（不脱离），即挠度相同。在研究竖向荷载作用下的小挠度板问题时，常采用下列三项基本假设：在研究竖向荷载作用下的小挠度板问题时，常采用下列三项基本假设：1.z,zz,z0,W为（为（x,y)的函数。的函数。2.无横向剪应变，无横向剪应变，xz=yz=0。3.中面上各点无中面上各点无x、y方向位移，方向位移，u=v=0,只有只有 W。则板挠曲面微分方程为：则板挠曲面微分方程为：4.采用圆柱坐标时：采用圆柱坐标时：2.Winkler地基（地基（K地基）：地基）：1）板中受荷时：）板中受荷时：当当0.5h时，偏差较大，用时，偏差较大，用代替代替。2）板边部中受荷时：）板边部中受荷时：当当1500次次/天；重天；重Ns200次次/天；中天；中Ns5次次/天；轻天；轻Ns5次次/天。天。3.累计作用次数（设计使用年限内）：累计作用次数（设计使用年限内）：为交通量的平均年增长率，为交通量的平均年增长率，为轮迹分布系数。为轮迹分布系数。t t为时间使用年限为时间使用年限13.二、荷载疲劳应力二、荷载疲劳应力rprp分析：分析：1.临界荷位：临界荷位：使路面板产生最大应力、最大挠度或最大疲劳破坏的一个荷载位置使路面板产生最大应力、最大挠度或最大疲劳破坏的一个荷载位置 除纵缝为企口加拉杆型和横缝除纵缝为企口加拉杆型和横缝为自由边（不设传荷能力的假缝）其临界为自由边（不设传荷能力的假缝）其临界荷位出现在横缝边缘中部外，其余荷位出现在横缝边缘中部外，其余均在纵缝边缘中部均在纵缝边缘中部。2.材料参数：材料参数：1）fcm(混凝土的抗弯拉强度混凝土的抗弯拉强度):以以28天龄期为准。如混凝土浇筑后天龄期为准。如混凝土浇筑后90天不开天不开放交通，放交通，fcm(90d)=1.1fcm(28d)；Ec以实测为准。以实测为准。3.荷载的疲劳应力：荷载的疲劳应力：2）地基回弹模量）地基回弹模量:有基层顶面的当量回弹模量有基层顶面的当量回弹模量Et和计算回弹模量和计算回弹模量Es。原有柔性路面上铺混凝土板时：原有柔性路面上铺混凝土板时：若所得的若所得的Et9-5表规定，则用表规定，则用Et查图查图9-18得补强层厚度得补强层厚度h 1。计算回弹模量：计算回弹模量：Es=nEts为计算荷位系数，板中时取为计算荷位系数，板中时取1.0，板边时取，板边时取0.75。14.三、温度疲劳应力三、温度疲劳应力rtrt分析：分析：r t=k t t mKt为疲劳系数，为疲劳系数，t为最大温度梯度时的温度翘曲应力。此时：为最大温度梯度时的温度翘曲应力。此时：四、混凝土板尺寸检验或确定：四、混凝土板尺寸检验或确定：r p+rf =(0.95 .03 )f cm见见P214-216例题例题9.49.5 接缝及配筋设计接缝及配筋设计一、接缝设计：一、接缝设计：1、接缝的种类及构造：、接缝的种类及构造：按方向分有纵缝和横缝；按形式分有真缝（分平口和按方向分有纵缝和横缝；按形式分有真缝（分平口和企口）和假缝；按缝填封材料分有接缝板和填缝料。企口）和假缝；按缝填封材料分有接缝板和填缝料。1）纵缝：）纵缝：有缩缝和施工缝；当一次铺筑小于路面宽度时，应设施工缝。有缩缝和施工缝；当一次铺筑小于路面宽度时，应设施工缝。h/2h/234cm510cm填缝料10cm拉杆平缝加拉杆型h/2h/20.1h防锈涂料1：4（1/31/5）h企口缝加拉杆型15.当一次铺筑宽度大于路面容许的板宽（当一次铺筑宽度大于路面容许的板宽（4.04.5m)时，应设时，应设纵向缩缝纵向缩缝。缩缝。缩缝做成假缝形式，即铺筑时仅在板的上部设缝槽，而板的收缩和翘曲会使缝做成假缝形式，即铺筑时仅在板的上部设缝槽，而板的收缩和翘曲会使缝槽下的混凝土自行断裂。由于断裂表面凹凸不平、互相嵌锁，使这类接缝槽下的混凝土自行断裂。由于断裂表面凹凸不平、互相嵌锁，使这类接缝具有一定的传荷能力。缝槽深度要适中，过浅，混凝土截面的强度削弱得具有一定的传荷能力。缝槽深度要适中，过浅，混凝土截面的强度削弱得不够，从而不能保证以后的断裂发生在接缝的位置上；过深，不规则断裂不够，从而不能保证以后的断裂发生在接缝的位置上；过深，不规则断裂面积过少，接缝的传荷能力就降低。一般缝槽深为面积过少，接缝的传荷能力就降低。一般缝槽深为1/41/5h。槽宽尽可能。槽宽尽可能窄些，一般为窄些，一般为38m。纵向缩缝也应设拉杆，以避免板块横向位移并保证。纵向缩缝也应设拉杆，以避免板块横向位移并保证接缝的传荷能力。接缝的传荷能力。h1/41/5h38cm填缝料假缝型h/2h/2假缝加拉杆型纵缝设置的横向拉杆，一般采用螺纹钢筋，中部纵缝设置的横向拉杆，一般采用螺纹钢筋，中部10cm范围内应刷防锈涂料。范围内应刷防锈涂料。每延米纵缝所需的拉杆钢筋面积每延米纵缝所需的拉杆钢筋面积As(c)，按下式计算：，按下式计算：B、h为混凝土板的宽度（为混凝土板的宽度（m）和）和 厚度（厚度（cm）；）；s为钢筋的容许拉应力，螺纹钢筋取为钢筋的容许拉应力，螺纹钢筋取160MPa，光园钢筋取，光园钢筋取135MPa。16.拉杆应具有足够的长度，使锚固在混凝土内的拉杆能发挥其抗拉能力。拉杆应具有足够的长度，使锚固在混凝土内的拉杆能发挥其抗拉能力。此外，还要考虑施工误差，应留有一定的余地（例如此外，还要考虑施工误差，应留有一定的余地（例如5cm），故拉杆的长度），故拉杆的长度Ls(cm)，按下式确定：，按下式确定：ds为拉杆钢筋直径（为拉杆钢筋直径（cm）;s为钢筋同混凝土的容许粘结应力，螺纹钢筋为钢筋同混凝土的容许粘结应力，螺纹钢筋取取1.8MPa,光园钢筋取光园钢筋取1.25MPa。拉杆的尺寸和间距可参见。拉杆的尺寸和间距可参见P217表表9-12。2）横缝：）横缝：有缩缝、施工缝和胀缝。有缩缝、施工缝和胀缝。为为减小混凝土的收缩应力和温度翘曲应力减小混凝土的收缩应力和温度翘曲应力而而设置缩缝设置缩缝，横向缩缝一般采用假缝形式，横向缩缝一般采用假缝形式，重交通时设传力杆。传力杆采用光园钢筋，重交通时设传力杆。传力杆采用光园钢筋，一半以上长度涂以沥青或套上塑料膜套等，一半以上长度涂以沥青或套上塑料膜套等，使之在混凝土收缩时能够滑动。使之在混凝土收缩时能够滑动。h/2h/234cm510cm填缝料传力杆横向施工缝构造涂沥青 每天施工结束或混凝土浇筑中断半小时以上时，需每天施工结束或混凝土浇筑中断半小时以上时，需设置横向施工缝设置横向施工缝。其位置宜设在胀、缩缝处。设在缩缝处的横向施工缝采用平口加传力杆型，其位置宜设在胀、缩缝处。设在缩缝处的横向施工缝采用平口加传力杆型，若施工缝设在两条缩缝中间，则做成企口加拉杆型。若施工缝设在两条缩缝中间，则做成企口加拉杆型。设置胀缝设置胀缝的目的是使混凝土板有膨胀的余地，从而避免产生过大的热的目的是使混凝土板有膨胀的余地，从而避免产生过大的热压应力。胀缝采用平缝形式，下部设接缝板，上部为填封料，并设置传力压应力。胀缝采用平缝形式，下部设接缝板，上部为填封料，并设置传力杆。常用的胀缝缝隙宽度为杆。常用的胀缝缝隙宽度为2.02.5cm。详见。详见P218图图9-22。17.接缝填封材料按使用部位分为接缝板和填缝料。填缝料按施工方式又接缝填封材料按使用部位分为接缝板和填缝料。填缝料按施工方式又分为加热灌入式、常温灌入式和嵌缝条三种。分为加热灌入式、常温灌入式和嵌缝条三种。2、接缝布置：、接缝布置：纵缝纵缝：车道线划分处（：车道线划分处（33.75m宽），避免纵缝设在轮迹上。宽），避免纵缝设在轮迹上。横缝横缝：4、4.5、5、5.5、6m等，也可与纵缝斜交，减少行车跳动。等，也可与纵缝斜交，减少行车跳动。胀缝胀缝：尽量不设，但与其他结构物（桥梁、隧道、柔性路面等）相接：尽量不设，但与其他结构物（桥梁、隧道、柔性路面等）相接处、板厚变化处、小半径弯道、纵坡变换处均应设置胀缝。处、板厚变化处、小半径弯道、纵坡变换处均应设置胀缝。二、配筋设计：二、配筋设计：1、普通砼板的补强钢筋：、普通砼板的补强钢筋：边缘钢筋：边缘钢筋：纵、横向自由边设置纵、横向自由边设置1216螺纹筋，布设在板的下部，端部弯螺纹筋，布设在板的下部，端部弯起，保护层起，保护层5cm。角隅钢筋：角隅钢筋：胀缝两侧板的角隅及板的锐角处，可选用两根胀缝两侧板的角隅及板的锐角处，可选用两根1216的螺纹的螺纹钢筋弯成发针型，布置在板的上部；板呈锐角形时，上下部都补强。钢筋弯成发针型，布置在板的上部；板呈锐角形时，上下部都补强。2、钢筋砼板：、钢筋砼板：当混凝土板的屏幕尺寸较大或形状不规则、板下埋置地下当混凝土板的屏幕尺寸较大或形状不规则、板下埋置地下设施或地基有不均匀沉陷时，为防止裂缝缝隙张开需配置钢筋网。设施或地基有不均匀沉陷时，为防止裂缝缝隙张开需配置钢筋网。钢筋面积：钢筋面积：L为计算纵（横）向筋时横（纵）缝间距。为计算纵（横）向筋时横（纵）缝间距。18.为使板内应力尽可能分散，宜用小直径钢筋。纵横向钢筋的直径宜相为使板内应力尽可能分散，宜用小直径钢筋。纵横向钢筋的直径宜相同。钢筋的最小直径为：同。钢筋的最小直径为：6mm(光园筋）和光园筋）和10mm（螺纹筋）；钢筋的最小（螺纹筋）；钢筋的最小间距为集料的两倍。最大间距为：间距为集料的两倍。最大间距为：15cm（纵向，光园筋）、（纵向，光园筋）、35cm（纵向，（纵向，螺纹筋）、螺纹筋）、30cm（横向，光园筋）、（横向，光园筋）、75cm（横向，螺纹筋）。钢筋设在距（横向，螺纹筋）。钢筋设在距顶面顶面1/31/4板厚处，搭接长度大于板厚处，搭接长度大于25d，不小于，不小于25cm。钢筋混凝土板横缝间距一般为钢筋混凝土板横缝间距一般为1020m，最大不宜超过，最大不宜超过30m，且需设置传力杆，且需设置传力杆3.连续配筋砼路面：连续配筋砼路面：不设横缝，一般用于高速公路和一级公路。不设横缝，一般用于高速公路和一级公路。9.6 混凝土加铺层设计混凝土加铺层设计 混凝土路面加铺层指为提高原有混凝土路面的承载能力和改善表面功能混凝土路面加铺层指为提高原有混凝土路面的承载能力和改善表面功能而加，形成一种双层混凝土路面。而加，形成一种双层混凝土路面。一、加铺层的结构型式：一、加铺层的结构型式：混凝土加铺层可采用普通砼混凝土加铺层可采用普通砼 或钢纤维混凝土等。而钢纤维混凝土或钢纤维混凝土等。而钢纤维混凝土一般用于路面标高受限制的地段。一般用于路面标高受限制的地段。1.结合式：结合式：新旧混凝土层牢固结合成整体。要求接缝必须与原板一致，但新旧混凝土层牢固结合成整体。要求接缝必须与原板一致，但可不设拉杆（传力杆），适用于原板完整无裂缝，或有一些裂缝但不再发可不设拉杆（传力杆），适用于原板完整无裂缝，或有一些裂缝但不再发展并已修复的情况。展并已修复的情况。19.2.直接式：直接式：新旧直接浇筑混凝土加铺层。同样要求接缝对齐，但接缝形式新旧直接浇筑混凝土加铺层。同样要求接缝对齐，但接缝形式或缝隙宽度可不一定完全相同。适用于旧路面的结构损坏不太严重并已修或缝隙宽度可不一定完全相同。适用于旧路面的结构损坏不太严重并已修复时，可采用这种结构形式。复时，可采用这种结构形式。3.分离式：分离式：在原路面与加铺层间设沥青类材料等隔离层，以防下层板的接在原路面与加铺层间设沥青类材料等隔离层，以防下层板的接缝、裂缝反射到上层来，并使上、下板分别发挥其强度作用，加铺层与新缝、裂缝反射到上层来，并使上、下板分别发挥其强度作用，加铺层与新建路面一样设计。适用于：当旧路面板严重破坏或道路标高和路拱坡度需建路面一样设计。适用于：当旧路面板严重破坏或道路标高和路拱坡度需作调整时。作调整时。二、双层板的应力分析：二、双层板的应力分析：旧混凝土路面加铺层结构的力学图式为弹性地基上的双层板。其应力可用旧混凝土路面加铺层结构的力学图式为弹性地基上的双层板。其应力可用等强度理论。按层间接触条件将双层砼板转换为等效的单层砼板设计。等强度理论。按层间接触条件将双层砼板转换为等效的单层砼板设计。1.中面位置：中面位置：1)结合式双层板：结合式双层板：完全粘结。完全粘结。2)分离式双层板：分离式双层板：完全光滑。看作为各自具有中面的双层薄板。完全光滑。看作为各自具有中面的双层薄板。K=03)直接式：直接式：加铺层与旧砼路面间既有一定的粘结和摩阻力作用，但加铺层与旧砼路面间既有一定的粘结和摩阻力作用，但又不完全结合。又不完全结合。K在在01之间。之间。20.2.等效换算：等效换算：只要以双层板的弯曲刚度只要以双层板的弯曲刚度Dd代替单层板的弯曲刚度代替单层板的弯曲刚度D即可按即可按单层板计算方法和公式确定双层板的应力。单层板计算方法和公式确定双层板的应力。d1为下层板底面至中面的距离，为下层板底面至中面的距离，d 2为上层板底面至中面的距离。为上层板底面至中面的距离。ku为层间结合系数。为层间结合系数。结合式：结合式：ku取取1.0；直接式：；直接式：ku=0.40.7；分离式：；分离式：ku=0。混凝土弯拉弹性模量与上层混凝土弯拉弹性模量与上层板（加铺层）板（加铺层）相同的等效单层混凝土板的厚度相同的等效单层混凝土板的厚度hd为：为：3.应力计算：单层混凝土板的荷载疲劳应力和温度疲劳应力分别按下式计算：应力计算：单层混凝土板的荷载疲劳应力和温度疲劳应力分别按下式计算：21.三、加铺层设计：三、加铺层设计：1、原路面状况调查与评定：、原路面状况调查与评定：1）原路概况调查：）原路概况调查：调查记录裂缝条数、位置、原因，算出路段内断裂调查记录裂缝条数、位置、原因，算出路段内断裂板和其它损坏板的百分率，以此作为路面评定的依据。板和其它损坏板的百分率，以此作为路面评定的依据。2）结构强度评定：）结构强度评定：确定原有路面的承载能力，为加铺层厚度计算提供确定原有路面的承载能力，为加铺层厚度计算提供必要参数。必要参数。旧混凝土板的计算参数：旧混凝土板的计算参数：旧混凝土板的旧混凝土板的弯拉强度（弯拉强度（f1m)可采用钻孔取可采用钻孔取出的圆柱试件进行劈裂试验出的圆柱试件进行劈裂试验(得得fsp)，按下式确定：，按下式确定：旧混凝土弯拉弹性模量可采用右式计算：旧混凝土弯拉弹性模量可采用右式计算：地基（基层）顶面的回弹模量：地基（基层）顶面的回弹模量：旧混凝土板厚旧混凝土板厚h1（cm）按右式计算：）按右式计算：22.旧混凝土路面板下基层顶面的旧混凝土路面板下基层顶面的当量回弹模量当量回弹模量Et为：为：计算行车荷载应力时，结合式加铺层：计算行车荷载应力时，结合式加铺层：Es=nEt直接式加铺层，还应乘以直接式加铺层，还应乘以0.8的折减系数；分离式加铺层则根据厚度乘以的折减系数；分离式加铺层则根据厚度乘以相应的折减系数。相应的折减系数。加铺层厚度（cm)182022折减系数0.450.550.550.650.650.75计算翘曲应力时，计算翘曲应力时，n=0.35。2、加铺方式及厚度的确定：、加铺方式及厚度的确定：根据原有路面的结构损坏状况、接缝布置和路拱坡度以及加铺层设根据原有路面的结构损坏状况、接缝布置和路拱坡度以及加铺层设计标高等条件，选用加铺层的种类和结构形式。计标高等条件，选用加铺层的种类和结构形式。普通混凝土加铺层的厚度要通过试算来确定。先预估加铺层的厚度普通混凝土加铺层的厚度要通过试算来确定。先预估加铺层的厚度h2，按，按双层板应力分析方法和公式计算双层板应力分析方法和公式计算1、2，当，当0.951/fcm11.03,且且2 21.03fcm10cm10cm；直接式；直接式h h2 214cm14cm；分离式；分离式h h2 218cm18cm。23.钢纤维混凝土加铺层计算先按普通混凝土加铺层进行，然后按体积钢纤维混凝土加铺层计算先按普通混凝土加铺层进行，然后按体积率取普通混凝土加铺层厚度的率取普通混凝土加铺层厚度的55%65%，但结合式不宜小于，但结合式不宜小于5cm；直接；直接式不宜小于式不宜小于8cm；分离式不宜小于；分离式不宜小于10cm。分离式钢纤维混凝土加铺层的接缝设置与钢纤维混凝土路面一样。分离式钢纤维混凝土加铺层的接缝设置与钢纤维混凝土路面一样。全幅摊铺时，可不设纵向缩缝，横向缩缝间距一般为全幅摊铺时，可不设纵向缩缝，横向缩缝间距一般为1520cm.书上书上P226给出了加铺层设计的一个例题给出了加铺层设计的一个例题9.5。作业：作业：9.9；9.1124.