水泥混凝土路面课程设计.pdf

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1、目 录1 课程设计题目.12 课程设计目的.13 课程设计主要内容.14 路面厚度计算.14.1 交通分析.14.2 初拟路面结构.34.3 路面材料参数确定.44.4 荷载疲劳应力.64.5 温度疲劳应力.74.6 验算初拟路面结构.85 接缝设计.85.1 纵向接缝.85.2 横向接缝.96 混凝土面板钢筋设计.106.1 边缘补强钢筋.106.2 角隅钢筋.117 材料用量计算.117.1 面层.117.2 基层.127.3 垫层.138 施工要求说明.13参考资料.15I水泥混凝土路面设计计算书水泥混凝土路面设计计算书1 课程设计题目水泥混凝土路面设计：公路自然区划区拟建一条一级公路，

2、路基为粘质土，采用普通混凝土路面，双向四车道，经交通调查得知，设计车道使用初期轴载日作用次数为 4500。试设计该路面结构。2 课程设计目的通过课程设计巩固和加深所学的专业知识，熟悉相关的设计规范和施工规范，掌握实际工程结构设计的全过程。使学生将所学的专业基础和专业课知识在课程设计过程中有机的联系在一起，为进行实际的工程设计奠定基础。要求学生课程设计之后对相关的设计规范、施工和试验规范等有比较系统和全面的了解，综合解决水泥混凝土路面结构设计中的实际问题，深入理解水泥混凝土路面的设计理论，掌握设计方法。3 课程设计主要内容（1）结构组合设计；（2）材料组成设计；（3）混凝土板厚的确定；（4）板的

3、平面尺寸确定；（5）接缝设计；（6）配筋设计；（7）材料用量计算；（8）施工要求说明。（9）设计图纸为 A3 路面结构详图一张（手工绘图），要求整洁、规范，图幅和数量符合要求。（10）附参考文献4 路面厚度计算4.1交通分析根据公路水泥混凝土路面设计规范(JTJ012 一 94)，不同等级公路的路面结构设计安全等级及相应的设计基准期、可靠度指标和目标可靠度如下表：1可靠度设计标准表 4-1公路技术等级安全等级设计基准期目标可靠度（%）目标可靠指标变异水平等级高速公路一级30951.64低一级公路二级30901.28低中二级公路三级20851.04中三、四级公路四级20800.84中高由表 4-

4、1 知，一级公路的设计基准期为 30 年，安全等级为二级。混凝土路面临界荷位车辆轮迹横向分部系数表 4-2公 路 等 级高速公路、一级公路、二级公路二级及二级以下公路行车道宽7m行车道宽7m纵 缝 边 缘 处0.170.220.340.390.540.62由表 4-2 知，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取 0.18。交通量年平均增长率变化范围（%）表 4-3公路等级高速公路一级公路二级公路三级公路设计年限1059611512324154749382182047392621330362624184024241316如表 4-3，可取交通量年平均增长率为5%。则设计基准期内设计车道标准荷载累计作

5、用次数为：Ns(1 gr)t14500(10.05)301Ne3653650.18gr0.054196310（次）交通量相轴载大小是路面设计的基本依据。随着交通量增大，对路面使用性能和使用寿命的要求相应提高。由此，在使用年限内对混凝土强度、面板厚度、基层类型和模量等方面提出了不同的技术要求。为了区分各项要求在程度上的差别，按使用初期设计车道每日通过的标准铀载作用次数，将水泥混凝土路面承受的交通划分为特重、重、中等和轻四个等级，标准如下：公路混凝土路面交通分级表 4-4交通等级设计车道标准轴载累计作用次数Ne(104)特重2000重1002000中等3100轻3由表 4-4 可得该公路属于重交通

6、等级。24.2 初拟路面结构由上表 4-1 知，安全等级为二级的道路对应的变异水平等级为中级。水泥混凝土面层厚度的参考范围表 4-5交通等级公路等级变异水平等级面层厚度（mm）特重高速低260一级中250低中等二级高中三、四级高230200三、四级中220200二级中240高速低270240重一级中260230低轻三、四级高230中220二级中250220交通等级公路等级变异水平等级面层厚度（mm）240210根据一级公路、重交通等级和中级变异水平等级，由表4-5 知，初拟普通混凝土面层厚度为260mm。各类基层适宜交通等级与适宜厚度的范围表 4-6基层类型贫混凝土或碾压混凝土基层水泥稳定粒料

7、基层沥青混凝土基层沥青稳定碎石基层石灰粉煤灰稳定粒料、级配粒料基层多孔隙水泥稳定碎石排水基层沥青稳定碎石排水基层厚度适宜的范围（mm）12020015025040608010015020010014080100适宜交通等级特重交通重交通特重交通重交通中等或轻交通高速、一级、重交高速、一级、重交如上表 4-6，基层可选用水泥稳定粒料类，厚180mm，为保证模板和轨模式摊铺机轨道的安装、滑模式摊铺机的施工，以及混凝土面板边缘的强度和稳定性 当采用小型机具或轨模式摊铺机施工时，基层的宽度比混凝土面板每侧宽出25cm；。垫层选用150mm石灰粉煤灰稳定粒料，每侧比基层宽出25cm。普通混凝土板的平面尺

8、寸宽3.75m、长5m；纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝，中间带为 3m，每幅路面宽7.5m。图 4-1路面结构图（单位：mm）34.3 路面材料参数确定混凝土面板在行车荷载和温度变化等因素的作用下，将产生压应力和弯拉应力。混凝土面板所受的压应力与混凝土的抗压强度相比很小，而所受的弯拉应力与抗弯拉强度相比则大得多，可能导致混凝土面板开裂破坏。因此，在设计混凝土面板厚度时，应以弯拉强度为其设计标准。混凝土的强度随龄期而增长，通常以 28 日龄期的强度为标准。各级交通要求的混凝土设计弯拉强度不得低于表 4-7 的规定。当 90 日内不开放交通时，则可采用 90 日龄期的强度(为 28 日强度

9、的 1.1 倍)。混凝土的强度对路面的使用寿命有重大影响，强度的变化同路面容许的标准铀载作用次数的对数成正比。增加混凝土的强度，可以大大延长路面的使用寿命，取得十分显著的经济效益。因而，应尽可能提高混凝土的强度。结合我国的材料情况和施工工艺水平，公路水泥混凝土路面设计规范(JTJ01294)规定了设计强度的最低值。条件许可时，应尽量采用高值，尤其是对于特重交通的公路。混凝土弯拉强度标准值fr表 4-7交通等级水泥混凝土的弯拉强度标准值（MPa）钢纤维混凝土的弯拉强度标准值（MPa）特重5.06.0重5.06.0中等4.55.5轻4.05.0混凝土弯拉弹性模量的测试工作，很费时而又不易准确，且其

10、数值的变化对荷载应力计算结果的影响不大。因而，在无条件测试时，直接采用表4-7 所列数值，fr=5.0MPa。水泥混凝土弯拉弹性模量经验参考值表 4-81.01.52.02.53.0弯拉强度（MPa）5.07.711.014.919.3抗压强度（MPa）1015182123弯拉弹性模量（GPa）3.54.04.55.05.5弯拉强度（MPa）24.219.735.841.848.4抗压强度（MPa）2527293133弯拉弹性模量（GPa）Ec31GPa按表 4-8 取普通混凝土面层的弯拉弹性模量标准值为。中湿路基路床顶面回弹模量经验参考值范围表 4-9土组土质砂黏质土粉质土公路自然区划264

11、2254522464050304032544395025453050356030452743506030453045垫层和基层材料回弹模量经验参考值范围表 4-10材料类型材料类型回弹模量（MPa）回弹模量（MPa）中、粗砂天然砂砾未筛分碎石极配碎砾石（垫层）极配碎砾石（基层）石灰土石灰粉煤灰土80100150200180220200250石灰粉煤灰稳定粒料水泥稳定粒料沥青碎石（粗粒式，20C）沥青混凝土（粗粒式，20C）沥青混凝土（中粒式，20C）多孔隙水泥碎石（水泥剂量 9.5%11%）多孔隙沥青碎石（20C，沥青含量 2.5%3.5%）13001700130017006008008001

12、2001000140013001700600800250350200700600900按表 4-9，路基土回弹模量取E0 35MPa。按表 4-10，石灰粉煤灰稳定粒料垫层回弹模量取E2 700MPa，水泥稳定粒料基层回弹模量取E11400MPa。则有：基层顶面当量回弹模量计算如下：2h12E1h2E214000.1827000.152Ex1131.11MPa2222h1h20.18 0.153E1h13 E2h2(h1h2)2 11Dx124E1h1E2h2114000.1837000.153(0.180.15)21112414000.187000.15 2.7(MN m)1hx312Dx3

13、122.7 0.306(m)EX1131.110.450.45 Ex1400a 6.2211.51 4.25E 6.2211.51350 Exb 11.44E00.551131.1111.44350.55 0.7871 3 Ex1131.11b0.787Et ahxE0 4.250.30635186.558MPaE350式中：E0路床顶面的回弹模量（MPa），查用表 4-9 的参考值；Ex基层和底基层或垫层的当量回弹模量（MPa）；1 3E1、E2基层和底基层或垫层的回弹模量（MPa），查表 4-10 的参考值；hx基层和底基层或垫层的当量厚度（m）；Dx基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度（MN

14、 m）；h1、h2基层和底基层或垫层的厚度（m）；5a、b与Ex/E0有关的回归系数；Et基层顶面当量回弹模量（MPa），此为新建公路的基层顶面当量回弹模量。普通混凝土面层的相对刚度半径按下式计算为r 0.537h3EcEt 0.5370.26331000 186.558 0.768m；r混凝土板的相对刚度半径（m）；h混凝土板的厚度（m）Ec水泥混凝土的弯拉弹性模量（MPa），可查用表 4-8 的参考值。4.4 荷载疲劳应力标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为：ps 0.077r0.6h2 0.0770.7680.60.262 0.972MPapr KrKfKcps式中：pr标准轴载Ps

15、在临界荷位处产生的荷载疲劳应力（MPa）；Kr考虑接缝传荷能力的应力折减系数，纵缝为设拉杆的平缝：Kr 0.87 0.92，纵缝位不设拉杆平缝或自由边界：Kr1.0，纵缝为设拉杆的企口缝：Kr 0.76 0.84；Kf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，按下式计算确定。Kf Nev式中：Ne设计基准期内标准轴载累计作用次数；v与混合料性质有关的指数，普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土v 0.057；因纵缝为设拉杆平缝，故取Kr 0.90。考虑设计基准期内荷载应力疲劳作用的疲劳应力系数Kf Nev(1.963107)0.057 2.60。由于超过额定载重和载重在各侧车轮上分配

16、的不均匀性，在行驶过程中因路表不平整和车辆自振所引起的变动，以及路面结构厚度和材料性质的变异等因素对路面疲劳损坏的影响的综合系数。其数值是参照国内外资料确定。综合系数Kc表 4-11公路等级高速公路1.30一级公路1.25二级公路1.20三、四级公路1.10Kc系数为Kc1.25。根据公路等级和表 4-11，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合则荷载疲劳应力为6pr KrKfKcps 0.882.601.250.972 2.78MPa4.5 温度疲劳应力混凝土面板顶面和底面的温度之差除以板的厚度，即为板的温度梯度。在晴天，混凝土面板的温度梯度经历了由零经正最大(板顶高于板底)到零，再经

17、负最大(板顶低于板底)后回到零的周期性变化。混凝土面板的最大温度梯度计算值Tg，可根据公路所在地的公路自然区划按表 4-12 选用。最大温度梯度标准值Tg表 4-12公路自然区划最大温度梯度（C/m）、83889095、86929398l r 5 0.768 6.51。由表4-12，区最大温度梯度为85（C/m），板长为5m，则当混凝土板厚度为h 0.26m时，查下图 5-1 可得Bx 0.59。图 5-1 温度应力系数则有最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力为cEchTg1105310000.2685tmBx0.59 2.02MPa22回归系数a、b和c表 4-13系数公路自然区划0.828

18、0.0411.3230.8550.0411.3550.8410.0581.3230.8710.0711.2870.8370.0381.3820.8340.0521.270abc温度疲劳应力系数Kt，按下式计算，根据表 4-13 知，自然区划区中，a 0.828，b 0.041，c 1.323，Kt为7c1.3235.0frtm2.02aKtb 0.8280.041 0.645tm fr2.025.0则温度疲劳应力为tr Kttm 0.6452.02 1.302MPa4.6 验算初拟路面结构可靠度系数表 4-14目标可靠度（%）变异水平等级95908580低中高1.201.331.331.501

19、.091.161.161.231.231.331.041.081.081.131.131.181.041.071.071.11由表 4-1 知，一级公路的安全等级为二级，相应于二级安全等级的变异水平等级为中级，目标可靠度为90%。再据查得的目标可靠度和安全等级，由表 4-14知，可靠度系数为1.20。则，r(prtr)1.20(2.781.302)4.898MPa fr 5.0MPa因而，所选普通混凝土面层厚度（0.26mm）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。5 接缝设计为避免混凝土面层因为热胀冷缩而引起的变形计破坏，在纵横两个方向设置许多接缝，且做成垂直正交，把整个路面分

20、割成许多板块。5.1 纵向接缝原定平面尺寸宽 3.75 米，长 5 米，则应在纵向设置施工缝，纵向接缝的布设根据路面宽度和施工铺筑宽度而定。本段路面设计按一个车道施工，故采用拉杆平缝形式。接缝拉杆采用螺纹钢筋，设置在板厚的中央，并对拉杆中部 100mm范围内作防锈处理。拉杆的直径、长度和间距查下表选用16800700。接缝布置如下表 5-1 所示：拉杆直径、长度和间距(mm)表 5-1面层厚度（mm)200250260300到自由边或未设拉杆纵缝的距离(m)3.0014700900168009003.50168008003.754.506.007.51470080014700700147006

21、00147005001470040016800700168006001680050016800400注：拉杆直径、长度和间距的数字为直径长度间距。8缝的上部锯切槽口，深度为60mm，宽度为8mm，槽内灌塞填缝料，构造如下图所示：图 5-1纵缝构造图（单位：mm）5.2 横向接缝每日施工结束或因临时原因中断施工时，必须设置横向施工缝，其位置应尽可能选在缩缝或胀缝处。且由于本路属于重交通等级，故施工缝采用加传力杆的平缝形式。横向缩缝采用假缝等间距设置。缝的上部锯切槽口，深度为60mm，宽度为8mm，槽内灌塞填缝料。传力杆采用光圆钢筋，其尺寸和间距根据表 5-2 可选用传力杆直径为32mm，长度为4

22、50mm，间距为300mm。最外侧传力杆距纵向接缝或自由边的距离为150mm。传力杆尺寸和间距（mm）表5-2面层厚度（mm）220240260280300传力杆直径2830323538传力杆最小长度400400450450500传力杆最大间距300300300300300横向接缝的细部构造见下图：9图 5-2横向接缝构造图（单位：mm）6 混凝土面板钢筋设计混凝土面板纵横自由边边缘下的基础，当有可能产生较大的塑性变形时，宜在板边缘加设边缘补强钢筋，角隅加设发针形钢筋或钢筋网。6.1 边缘补强钢筋混凝土面板边缘部分的补强，选用2根16mm的螺纹钢筋，布置在板的下部，距板底约为板厚的1/4即65

23、mm，间距为100mm，钢筋两端应向上弯起，钢筋保护层的厚度为50mm，如下图所示。1 0图 6-1 边缘钢筋（单位：mm）6.2 角隅钢筋角隅补强部分的补强，选用2根直径为14mm的螺纹钢，布置在板的上部，距板顶50mm，距板边为100mm，钢筋保护层的厚度为50mm，如下图所示。图 6-2 角隅钢筋(单位：mm）7 材料用量计算7.1 面层面层工程量表主要包括：面板混凝土数量；接缝数量表；接缝钢筋数量角隅等处的钢筋数量，计算结果见表 7-1。取长度 1000m 为计算标准。面层工程数量表表 7-1材料长度（m）宽度（m）厚度（cm）体积（m）3普通混凝土面板100019.52619.510

24、000.26 53301 1混凝土面板数量（m）接缝数量表（个）接缝钢筋数量（kg）横缝纵缝横缝传力杆纵缝拉杆3100019.53.755109341000(50.008)79879823997983.750.03220.453.14()7850 28324.660.320.01623.753993.14()0.87850 2697.5920.7边缘补强钢筋10933.14(0.0162)457850 34484.94253303371796210水泥用量（kg）砂和碎石（kg）237.08131.3610009 3684401000钢筋用量（kg）18853.02 2251.3711787.

25、35 22891.747.2 基层W/C 一般为 0.3，水泥用量为220kg/m3。粗集料使用连续级配，集料的最大粒径一般为 15 mm。细浆料含砂率超过 25%。利用粉煤灰掺量为 30%。基层工程数量表涵盖了基层的长度，宽度，厚度等一些基本的数据，为概预算设计作铺垫。基层拟采用小型机具施工，依据规范知基层的宽度应比混凝土面层每侧至少宽出 250mm，取为 0.25m，计算结果见表 7-2 所示。基层工程数量表表 7-2材料长度（m）宽度（m）厚度（m）体积（m）水泥用量（kg）砂和碎石（kg）粉煤灰（kg）3水泥稳定粒料基层100019.5+20.25=200.182010000.1836

26、0036002207920007920000.253960001-0.25-0.257920000.30/0.455280001 27.3 垫层垫层工程量表的内容和基层类似，垫层拟采用小型机具施工，垫层的宽度比基层每侧宽出 250mm，取为 0.25m，详细内容见表 7-3 所示。垫层工程数量表表 7-3材料长度（m）宽度（m）厚度（m）体积（m）砂和碎石（kg）粉煤灰（kg）石灰（kg）3石灰粉煤灰稳定粒料垫层100019.5+20.25+20.25=20.50.1520.510000.153075397000528900766828 施工要求说明二级公路修建水泥混凝土路面，对平整度要求高，

27、由于工程量大，要保证施工进度和工程质量，适宜采用机械化施工。次一级公路路面采用轨道式摊铺机施工。施工要点：（1）施工准备内容：原材料的选用与质量检验，配合比的优化，基层的验收与修整，轨模安装；（2）施工机械的选型配套：摊铺机的选型，配套设备选型；（3）混凝土的拌合、运输和卸料：混凝土拌合要均匀，运输时控制好运输时间，卸料时应将一车料分卸成几小堆，利于布料和减小离析。（4）混合料的摊铺：把倾卸在基层上或摊铺机箱内的混合料，按摊铺松浦厚度均匀的填满模板范围内；（5）混凝土的振捣：混凝土振捣机紧跟在摊铺机后面，对混凝土进行再一次整平和振捣；通过人工辅助振捣和调整用料的措施，使混凝土板全宽的密实度和平

28、整度达到要求；（6）混凝土表面的修整：振捣密实的混凝土必须进一步整平、抹光，以获得平整光洁的表面，混凝土的表面修整采用修面抹光机；1 3（7）混凝土路面的纹理制作：压纹、拉槽的深度一般为23mm，纹宽34mm，间距为20mm，纹理走向与路面前进方向垂直，横向相邻板的纹理互相沟通以利于排水，纹理制作应保证平整度要求；（8）养生和接缝处理：养生采取洒水湿养，用湿草帘或麻袋片等覆盖表面，每天洒水2 3次。养生期不少于14 21d。填缝材料为聚氨酯沥青类，采用填缝机填。1 4参考资料（1）中华人民共和国行业标准.公路水泥混凝土路面设计规范（JTG D402002）.北京：人民交通出版社，2002（2）中华人民共和国行业标准.公路工程预算定额（JTGTB06-02-2007）.北京：人民交通出版社，2007.（3）邓学钧.路基路面工程.北京：人民交通出版社，2008（4）中华人民共和国行业标准.公路路基设计规范 (JTG D30-2004).北京：人民交通出版社，20041 5