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路基路面工程刚性路面课程设计

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高速公路水泥混凝土路面设计实例

一、轴载换算

水泥混凝土路面结构设计以100KN的单轴-双轮组荷载作为标准轴载。不同轴轮型和轴载的作用次数，按下式换算为标准轴载的作用次数。

PNsiNii （1） ；i2.22103Pi0.43 （2）

100i10.220.22 （3） ；i2.24108P （4） i1.07105Piin16Ns——100KN的单轴-双轮组标准轴载的作用次数；

Pi——单轴-单轮、单轴-双轮组或三轴-双轮组轴型i级轴载的总重（KN）；

n——轴型和轴载级位数；

Ni——各类轴型i级轴载的作用次数；

i——轴-轮型系数，单轴-双轮组时，i=1；单轴-单轮时，按式（2）计

算；双轴-双轮组时，按式（3）计算；三轴-双轮组时,按式（4)计算。

轴载换算

车型 小客车 中客车 SH130 大客车 CA50 小货车 BJ130 中货车 CA50 中货车 EQ140 大货车 JN150 特大车日野 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 Pi(KN) 3

i 665 1 551 1 1 1 1 1 1 Ni(次/日) 6750 6750 2000 2000 1250 1250 4250 4250 1500 1500 2125 2125 2125 2125 1500 iNi(Pi/100)16 0 0 0 0 0 0 0 0 KB222 拖挂车 五十铃 n后轴 前轴 后轴 100（3轴） 1 0 1500 0 16p NsiNi(i) 100i1上表为双车道双向交通调查结果， 取交通量年平均增长率为％。小于和等于40KN(单轴)和80KN（双轴）的轴载可略去。调查分析双向交通的分布情况，选取交通量方向分布系数，一般取，车道数为6，所以交通量车道分布系数取。

Ns=∑××=次

查《公路水泥砼路面设计规范(JTG D40-2002)》，此路面属重交通，设计使用年限为30年。由《公路水泥砼路面设计规范(JTG D40-2002)》取轮迹横向分布系数为，可计算得到设计年限内标准轴载累计作用次数Ne为：

NeNs11365

1708.02[(19.5%)301]365 0.22=19985088.9次9.5%二、路面板厚度计算

路基的强度和稳定性同路基的干湿状态有密切关系，并在很大程度上影响路面结构的设计，路基按干湿状态不同，分为四类：干燥、中湿、潮湿和过湿。为了保证路基路面结构的稳定性一般要求路基处于干燥或中湿状态，当处于过湿状态时，路基不稳定，冰冻区春融翻浆，非冰冻区弹簧，路基经处理后方可铺筑路面。下面对潮湿、中湿、干燥3种状态分别讨论。 （一）干燥状态 1、初拟路面结构

查《公路水泥砼路面设计规范(JTG D40-2002)》表，初拟普通水泥混泥土路面层厚度为h=, 基层选用水泥稳定碎石（水泥用量为5％），厚为h1=。底基层厚度为h2=的级配碎石。普通水泥混凝土板的平面尺寸宽为,长为。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆假缝。 2、材料参数的确定

（1）混凝土的设计弯拉强度与弹性模量

4

按《公路水泥砼路面设计规范(JTG D40-2002)》表，取普通混泥土面层的弯拉强度标准值fr5MPa,相应弯拉弹性模量标准值为Ec31GPa

（2）土基的回弹模量

参照《公路水泥砼路面设计规范(JTG D40-2002)》附录F，路基回弹模量取E042MPa。查附录,水泥稳定粒料基层回弹模量取E11500MPa，级配碎石回弹模量取E2250MPa。

按式（）计算基层顶面当量回弹模量如下：

2h12E1h2E20.22215000.202250Ex934.3MPa 2h12h20.2220.2023hh21E1h13E2h211Dx1()12124E1h1E2h2

215000.2232500.2030.220.20111212415000.222500.20213.413MNm

hx312Dx3123.4130.353mEx934.3

Exa6.2211.51E00.55Exb11.44E00.450.45934.36.2211.513.5

420.55934.311.44420.739

ExEtahE0E0bx133.50.3530.739934.3424213211.165MPa

普通混凝土面层的相对刚度半径按（）计算为

Ec31000r0.537h0.5370.2630.735m

Et211.16533、荷载疲劳应力计算

按式（），标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为

ps0.077r0.6h20.0770.7350.60.2620.947MPa

因纵缝为设拉平缝，接缝传荷能力的应力折减系数kr0.87。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

5

kfNen19985088.9综合系数kc1.30

0.0572.601。根据公路等级，由《公路水泥砼路面设计

规范(JTG D40-2002)》附录B，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的

按式（），荷载疲劳应力计算为

prkrkfkcps0.872.6011.300.9472.791MPa

4、温度疲劳应力

由《公路水泥砼路面设计规范(JTG D40-2002)》表，Ⅳ区最大温度梯度区88℃/m。板长l5m，l/r5/0.7356.808由图可查普通混凝土板厚

h0.26m,B0.59, 按式（），最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计

x算为

tmcEchTg21105310000.2688Bx0.592.057MPa

2温度疲劳应力系数

kt，按式（）计算为

c1.323tmfr52.057aktb0.8410.0580.490 tmfr2.0575再由式（）计算温度疲劳应力为

trkttm0.4902.0571.009MPa5、可靠度计算

由《公路水泥砼路面设计规范(JTG D40-2002)》表，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%，再根据查的目标可靠度变异水平等级，查《公路水泥砼路面设计规范(JTG D40-2002)》表，确定可靠度系数r1.26，按式（）

rprtr1.262.7911.0094.79MPafr5.0MPa

因而所选的普通混凝土面层厚度h0.26m，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。 （二）中湿状态 1、初拟路面结构

6

查《公路水泥砼路面设计规范(JTG D40-2002)》表，初拟普通水泥混泥土路面层厚度为h=, 基层选用水泥稳定碎石（水泥用量为5％），厚为h1=。底基层厚度为h2=的级配碎石。普通水泥混凝土板的平面尺寸宽为,长为。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆假缝。 2、材料参数的确定

（1）混泥土的设计弯拉强度与弹性模量

按《公路水泥砼路面设计规范(JTG D40-2002)》表，取普通混泥土面层的弯拉强度标准值fr5MPa,相应弯拉弹性模量标准值为Ec31GPa

（2）土基的回弹模量

参照《公路水泥砼路面设计规范(JTG D40-2002)》附录F，路基回弹模量取E035MPa。查附录,水泥稳定粒料基层回弹模量取E11500MPa，天然砂砾回弹模量取E2250MPa。

按式（）计算基层顶面当量回弹模量如下：

2h12E1h2E20.22215000.202250Ex934.3MPa 2222h1h20.220.203hh21E1h13E2h211Dx1()12124E1h1E2h2

215000.2232500.2030.220.20111212415000.222500.20213.413MNm

hx312Dx3123.4130.353mEx934.3

0.450.45Ex934.36.2211.51a6.2211.514.078 E3500.550.55Ex934.3b11.4411.440.7 E350Ex934.30.7EtahE04.0780.35335E350普通混凝土面层的相对刚度半径按（）计算为

bx1313192.44MPa

r0.537h3Ec310000.5370.2630.760m Et192.447

3、荷载疲劳应力计算

按式（），标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为

ps0.077r0.6h20.0770.7600.60.2620.966MPa

因纵缝为设拉平缝，接缝传荷能力的应力折减系数kr0.87。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

kfNen19985088.9综合系数kc1.300.0572.601。根据公路等级，由《公路水泥砼路面设计

规范(JTG D40-2002)》附录B，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的

按式（），荷载疲劳应力计算为

prkrkfkcps0.872.6011.300.9662.848MPa

4、温度疲劳应力

由《公路水泥砼路面设计规范(JTG D40-2002)》表，Ⅳ区最大温度梯度区88℃/m。板长l5m，l/r5/0.7606.582由图可查普通混凝土板厚

h0.26m,B0.58, 按式（），最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计

x算为

tmcEchTg21105310000.2688Bx0.582.057MPa

2温度疲劳应力系数

kt，按式（）计算为

c1.323frtm52.057aktb0.8410.0580.490 tmfr2.0575再由式（）计算温度疲劳应力为

trkttm0.4902.0571.009MPa5、可靠度计算

由《公路水泥砼路面设计规范(JTG D40-2002)》表，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%，再根据查的目标可靠度变异水平等级，查《公路水泥砼路面设计规范(JTG D40-2002)》表，确定可靠度系数r1.26，按式（）

rprtr1.262.8481.0094.86MPafr5.0MPa

8

因而所选的普通混凝土面层厚度h0.26m，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。 （三）潮湿状态 1、初拟路面结构

查《公路水泥砼路面设计规范(JTG D40-2002)》表，初拟普通水泥混泥土路面层厚度为h=, 基层选用水泥稳定碎石（水泥用量为5％），厚为h1=。底基层厚度为h2=的级配碎石。普通水泥混凝土板的平面尺寸宽为,长为。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆假缝。 2、材料参数的确定

（1）混泥土的设计弯拉强度与弹性模量

按《公路水泥砼路面设计规范(JTG D40-2002)》表，取普通混泥土面层的弯拉强度标准值fr5MPa,相应弯拉弹性模量标准值为Ec31GPa

（2）土基的回弹模量

参照《公路水泥砼路面设计规范(JTG D40-2002)》附录F，路基回弹模量取E026MPa。查附录,水泥稳定粒料基层回弹模量取E11500MPa，天然砂砾回弹模量取E2250MPa。

按式（）计算基层顶面当量回弹模量如下：

2h12E1h2E20.22215000.202250Ex934.3MPa 2222h1h20.220.203hh21E1h13E2h211Dx1()12124E1h1E2h2

2215000.2232500.2030.220.20111212415000.222500.2013.413MNm

hx312Dx3123.4130.353mEx934.3

Exa6.2211.51E00.55Exb11.44E00.450.45934.36.2211.514.346

260.55934.311.44260.799

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Ex3934.3b0.739EtahxE03.50.35326E260普通混凝土面层的相对刚度半径按（）计算为

113162.09MPa

r0.537h3Ec310000.5370.2630.805m Et162.093、荷载疲劳应力计算

按式（），标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为

ps0.077r0.6h20.0770.8050.60.2621.000MPa

因纵缝为设拉平缝，接缝传荷能力的应力折减系数kr0.87。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

kfNen19985088.9综合系数kc1.30

0.0572.601。根据公路等级，由《公路水泥砼路面设计

规范(JTG D40-2002)》附录B，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的

按式（），荷载疲劳应力计算为

prkrkfkcps0.872.6011.301.0002.948MPa

4、温度疲劳应力

由《公路水泥砼路面设计规范(JTG D40-2002)》表，Ⅳ区最大温度梯度区88℃/m。板长l5m，l/r5/0.8056.216由图可查普通混凝土板厚

h0.26m,B0.57, 按式（），最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计x算为

tmcEchTg21105310000.2688Bx0.572.021MPa

2温度疲劳应力系数

kt，按式（）计算为

c1.323frtm52.021aktb0.8410.0580.485 tmfr2.0215再由式（）计算温度疲劳应力为

trkttm0.4852.0210.979MPa5、可靠度计算

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由《公路水泥砼路面设计规范(JTG D40-2002)》表，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%，再根据查的目标可靠度变异水平等级，查《公路水泥砼路面设计规范(JTG D40-2002)》表，确定可靠度系数r1.26，按式（）

rprtr1.262.9480.9794.94MPafr5.0MPa

因而所选的普通混凝土面层厚度h0.26m，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。 三、连续配筋混凝土面层纵向配筋计算 1、计算参数

混凝土强度等级为C40，查表F．5，得混凝土抗拉强度标准值ft=(MPa)，粘结刚度系数ks=34(MPa/mm)，连续配筋混凝土干缩应变sh=。

选用HRB335螺纹钢筋，直径为：16mm，查附录，得到弹性模量Es= 200GPa、屈服强度fsy =335MPa。 2、横向裂缝间距计算

按式，混凝土温缩应力系数为

ft3.5λc=0.212 -5EC (αCΔT+εsh)30000 (110350.0002)初拟配筋率ρ=％，按式，计算钢筋贡献率为

ES200103=0.0070.0467

EC30000由λc=0.212和=0.0467，查图，得b=6.0，代入式中

Ld=2b4kS(1)dSES26.0434(10.0467)316200101799(mm)1.80m

Ld1.80m满足横向裂缝间距～的要求。 3、裂缝宽度计算

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根据钢筋贡献率为=0.0467和b=6.0，查图，得裂缝宽度系数

λb=0.83，按式计算裂缝宽度为

bj(αCΔT+εsh)λbLd(1105350.0002)0.831.801030.82(mm)1mm

4、钢筋应力计算

根据钢筋贡献率为=0.0467和b=6.0，查图，得钢筋温度应力系数

λst=3.8，按式计算钢筋应力为

SES(αCΔTst+ST)200103(1105353.8910635)329MPafsy335MPa5、钢筋间距或根数计算

上述计算均满足要求，则初拟的纵向钢筋配筋率是合适的。 钢筋间距为

ds20.0162120(mm) 4h40.0070.24或每延米纵向钢筋根数为 1000／120=≈9根。

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四、确定结构层设计参数

根据《公路水泥砼路面设计规范(JTG D40-2002)》的建议值取定路面各结构层适宜厚度，设计水泥混凝土路面方案如下，并按照上面方法进行验算符合要求。

水泥混凝土路面各种设计方案列表如下

路基状态 结构层 水泥混凝土面层 干 燥 水泥稳定碎石基层 级配碎石底基层 水泥混凝土面层 中 湿 水泥稳定碎石基层 级配碎石底基层 水泥混凝土面层 潮 湿 水泥稳定碎石基层 级配碎石垫层 五、板的平面尺寸

水泥混凝土路面设计采用矩形水泥混凝土板，纵向和横向接缝垂直相交，其纵向两侧的横缝不得互相错位。

(1)纵缝间距过宽容易产生纵向断裂，因而规范规定板宽不超过，由于单侧行车道路面宽，故设计板宽取为。

(2)横缝间距取为，使混凝土板尽可能接近正方形，以改善受力状态。 (3)为使混凝土路面使用寿命较长，设计水泥混凝土板厚为20cm。 六、接缝设计

1、纵缝设计

一次铺筑宽度为，设置纵向施工缝，纵向施工缝采用平缝形式，上部应锯切槽口，深度为35mm，宽度为6mm，槽内灌塞填缝料。

层 厚（cm） 26 22 20 26 20 20 26 22 22 13

填料缝6拉杆防锈涂料35100

纵向施工缝（单位：mm） 纵向缩缝：采用假缝形式，锯切的槽口深度应大于施工缝的槽口深度。采用粒料基层时，槽口深度应为板厚的1/3；采用半刚性基层时，槽口深度应为板厚的2/5。 填料缝纵向施工缝6拉杆防锈涂料10070 纵向缩缝（单位：mm）

2、横向接缝

横向施工缝其位置尽可能选在缩缝或胀缝处。

填料缝防锈涂料传力杆

横向施工缝构造（单位：mm） 14

图5-5 横向施工缝构造(单位:mm) 横向缩缝可等间距或变间距布置，采用假缝形式，顶部应锯切槽口，深度为面层厚度的1/5-1/4，宽度为6mm，槽内填塞填缝料。

填料缝防锈涂料传力杆

图5-6 横向缩缝构造(单位:mm)

横向缩缝构造（单位：mm）

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