1.交通分析:
由计算得到设计基准期内设计通车标准,荷载累计作用次数为N e =1800×104次,属重交通等级。
设计荷载为S P =100KN ,最终轴载为m P =190KN 。
2.初拟路面结构:
本路面设计基准期为30年,根据高速公路重载交通荷载等级和低变异水平等级,初拟普通混凝土面层厚度(c h )27cm 。
基层选用水泥稳定砂砾,厚度为(b h )20cm ,垫层厚度为(1h )20cm 天然砂砾,普通混凝土板的平面尺寸为宽4.4m ,长4.5m 。
3.路面材料参数确定:
按表3.0.8和附录E.0.3,取普通混凝土面层的弯拉强度标准值(r f )为5.0Mpa ,相应弯拉弹性模量标准值为(c E )31Gpa ,泊松比为(c ν)0.15。
粗集料的线弹性模量为c α=10×10-6
/℃ 。
路基回弹模量(O E )为60 Mpa 。
查附录E.0.2,水泥稳定砂砾基层弹性摸量 (b E )取2000 Mpa ,泊松比为(b ν)0.20。
天然砂砾回弹摸量为(1E )120 Mpa ,泊松比为(1ν)0.35。
按式(B.2.4-1)~(B.2.4-4)计算板底地基综合回弹模量如下:
n
22i=1
11n 2
21
i=1
()
120()i
i X i
h
E h E E Mpa h h
⋅⋅=
==∑∑ 11
0.2n
x i i h h h m ====∑()
0.26()0.860.26(0.20)0.860.442x In h In α=+=⨯+=
0.442
0120×6081.5Mpa 60X t O E E E E α
⎛⎫⎛⎫
=== ⎪ ⎪
⎝⎭⎝⎭
()
板底地基综合回弹模量t E 取为80Mpa 。
混凝土面层板的弯曲刚度c D [式(B.2.2-3)]、半刚性基层板的弯曲刚度b D [式(B.4.1-2)]、路面结构总
刚度半径g r [式(B.4.1-3)]为:
33
22
31000.27==52.0MN 12(1)12(10.15)
c c
c c E h D ν⨯=--(.m ) 3
3
2
220000.20==1.39MN 12(1)12(10.20)
b b b b E h D ν⨯=--(.m ) 混凝土面层相对刚度半径为
1/31/3
52.0 1.391.21() 1.21() 1.058()80
c b g t D D r m E ++==⨯=
4.荷载应力:
按式(B.4.1-1),标准轴载和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力为
33
0.6520.940.6520.941.4510 1.4510P 1.0580.27100 1.524()1.391/152.0ps
g c s b c
r h Mpa D D σ----⨯⨯=⋅=⨯⨯⨯=++
330.6520.940.6520.941.4510 1.4510P 1.0580.27190 2.786()1.391/152.0
pm
g c m b c
r h Mpa D D σ----⨯⨯=⋅=⨯⨯⨯=++
按式(B.2.1)计算面层疲劳应力,按式(B.2.6)计算面层最大荷载应力。
0.87 2.591 1.15 1.524 3.951()pr r f c ps k k k Mpa σσ==⨯⨯⨯= ,max 0.87 1.15 2.786 2.788()p r c pm k k Mpa σσ==⨯⨯=
其中:
应力折减系数 0.87r k =(B.2.1条); 综合系数 1.15c k =(B.2.1条);
疲劳应力系数 40.057(180010) 2.591f e k N λ==⨯= 5.温度应力:
由表3.0.10,最大温度梯度87g T =℃/m 。
按B.3.3和B.5.2计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数L B 。
11110.270.20()()4599.4(/)22310002000
c b n c b h h k MPa m E E --=+=⨯+=
1/4
1452 1.39())0.131()()(52 1.39)4599.4c b c b n D D r m D D k β⎡⎤⨯===⎢⎥
++⨯⎣⎦
43
43
4343()(4599.4 1.05852)0.1310.214()(4599.40.13152) 1.058n g c n c g k r D r k r D r ββξ-⨯-⨯=-=-=-⨯-⨯
4.5 1.418()33 1.058
g L t Mpa r =
==⨯ L 1sinh cos cosh sin 1sinh(1.418)cos(1.418)cosh(1.418)sin(1.418)
C 1()1()0.540
1cos sin sinh cosh 10.214cos(1.418)sin(1.418)sinh(1.418)cosh(1.418)
t t t t t t t t ξ++=-=-=++++ 4.48
4.480.27
L B 1.770.131(1) 1.770.5400.131(10.540)0.225
c h L L e C C e --⨯=-
-=
⨯⨯
-⨯-= 按式(B.3.2)计算面层最大温度应力:
6,max 1010310000.2787
0.2250.819()2
2
c c c g
t L E H T B MPa ασ-⨯⨯⨯⨯=
=⨯=
温度疲劳应力系数t k ,按式(B.3.4)计算:
,max 1.382,max 5.00.819()0.837()0.0380.1870.819 5.0t t b r t t t t r f k a c f σσ⎡⎤⎡⎤
=
-=⨯⨯-=⎢⎥⎢⎥⎣
⎦⎣⎦ 按式(B.3.1)计算温度疲劳应力:
,max 0.1870.8190.154()tr t t k MPa σσ==⨯=
6.结构极限状态较核:
查表3.0.4,高速安全等级,低变异水平下,可靠度系数r γ取1.21.按式(3.0.4-1)和式(3.0.4-2)校核路面结构极限状态是否满足要求:
() 1.21(3.9510.154) 4.967 5.0r pr tr r f MPa γσσ+=⨯+=≤=
max ,max () 1.21(2.7880.819) 4.364 5.0r p t r f MPa γσσ+=⨯+=≤=,
拟定的由计算厚度0.27m 的普通混凝土路面、厚度0.20m 的水泥稳定粒料基层和厚度0.20m 的天然砂砾底基层组合而成的路面结构满足要求,可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的疲劳作用,以及最重轴载在最大温度梯度时的一次作用。
由4.5.3条,依据设计厚度考虑6mm 磨耗层后,按10mm 向上取整,混凝土面层设计厚度采用0.28m 。
最终路面结构为:28cm(普通混凝土面层)+20 cm(水泥稳定砂砾基层) +20cm(天然砂砾底基层)。