混凝土板应力分析.ppt
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中华人民共和国行业标准JTG D40-2011 公路水泥混凝土路面设计规范 2011-09-04发布2003-12-01实施 附录A 交通荷载分析 •交通调查与分析交通调查与分析 –初期年平均日货车交通量（双向）–方向分配系数，一般0.5~0.6 –车道分配系数 –设计车道的年平均日货车交通量（AADT） –货车交通量的年平均增长率 单向车道数123≥4车道分配系数高速公路1.000.70~0.850.45~0.600.40~0.50其他等级公路*0.50~0.750.50~0.75- •轴载调查与分析轴载调查与分析–各类车辆的轴型调查和轴重测定 –轴载当量换算系数法–车辆当量轴载系数法–车道使用初期的设计轴载日作用次数–车辆轮迹横向分布系数 –设计轴载累计作用次数 公路等级纵缝边缘处高速公路、一级公路、收费站0.17~0.22二级及二级以下公路行车道宽>7m0.34~0.39行车道宽≤7m0.54~0.62 轴载当量换算系数法•统计3000辆2轴6轮及以上车辆的轴型、次数、轴重•不同轴重级位的设计轴载当量换算系数 •车道使用初期的设计轴载日作用次数 车辆当量轴载系数法•整车、半挂和多挂车型的轴载谱 •各类车辆的设计轴载当量换算系数 •车道使用初期的设计轴载日作用次数 标准轴载和轴载换算 • 标准轴载：重100kN的单轴-双轮组荷载• 不同轴-轮型和轴载Pi的作用次数Ni换算公式：式中：Pij—各级轴载的总重（kN）； Niij—各类轴型各级轴载的作用次数； δi—轴-轮型系数:–单轴-双轮组时， δi = 1–单轴-单轮时， δi = 2.22×103Pi-0.43–双轴-双轮组时， δi = 1.07×10-5Pi-0.22–三轴-双轮组时， δi = 2.24×10-8Pi-0.22 附录B 混凝土板应力分析及厚度计算 •力学模型 •单层板荷载应力 •单层板温度应力 •双层板荷载应力•双层板温度应力 •复合板应力 •混凝土板厚度计算流程 混凝土面层极限状态贫混凝土或碾压混凝土基层极限状态 力学模型•弹性地基单层板模型–粒料基层上混凝土面层–旧沥青路面加铺混凝土面层•弹性地基双层板模型–无机结合料类基层或沥青类基层上混凝土面层–旧混凝土路面上加铺分离式混凝土面层•复合板模型–两层不同性能材料组成的面层或基层复合板–旧混凝土路面上加铺结合式混凝土面层 双层板层间接触条件 单层板荷载应力•设计轴载在临界荷位处的荷载疲劳应力 σpr –σps —四边自由板临界荷位的荷载应力–kr—接缝传荷的应力折减系数， 混凝土路肩， kr =0.87~0.92， 柔性路肩或土路肩， kr = 1。
–kf —疲劳应力系数–kc—综合系数公路等级高速公路一级公路二级公路三、四级公路kc1.151.101.051.00 四边自由板的荷载应力σps 式中 Ps——设计轴载的单轴重 (kN)； hc、Ec、vc——混凝土面层板的厚度 (m)、弯拉弹性模量（MPa）和泊松比 r ——混凝土面层板的相对刚度半径 (m) ； Dc——混凝土面层板的截面弯曲刚度 (MN·m) ； Et——板底地基当量回弹模量（MPa) 上式精度，混凝土板的相对刚度半径 r=0.40~1.40范围内，相对误差绝大多数在5%之内，见图1，相对误差的均方差为2.7%若对板厚作如下式的修正，则精度有所提高，在 r=0.40~1.40范围内，最大相对误差小于4%，绝大多数在2%之内，见图2，相对误差的均方差为0.9%式中 ——面层应变沿层厚非线性分布的修正系数 图1 图2 图1 图2 本规范中路基土的弹性模量由形变模量改为回弹模量，原规范中为修正路面结构对荷载的实际响应与理论模型的分析结果之间差异，而调整板底地基综合当量回弹模量Et（原规范中称之为基层顶面当量回弹模量）的关系式不再适用，因此，本规范对板底地基综合当量回弹模量Et不再修正，而对综合系数作了适当调整。
应力计算式中，板底地基的综合泊松比取为0.35 荷载疲劳应力系数kf 式中 Ne——设计基准期内设计轴载累计作用次数； λ——材料疲劳指数，普通、钢筋、连续配筋混凝土：λ=0.057； 碾压、贫混凝土：λ=0.065； ρf ——钢纤维的体积率（%）； lf——钢纤维的长度（mm）； df——钢纤维的直径（mm） 新建公路的Et 式中 E0——路床顶综合回弹模量（MPa）； Ex——粒料层的当量回弹模量（MPa； hx ——粒料层的总厚度（m）； n—— 粒料层的层数； Ei、hi ——第i 结构层的回弹模量（MPa）与厚度 (m) 新建公路的基层顶面当量回弹模量 •双层•三层 原规范中的基层顶面当量回弹模量计算式，适用于计算半刚性类基层的顶面当量回弹模量，当基、垫层的当量回弹模量与路床回弹模量之比小于5时，精度较差 本规范仅限于换算粒料层顶面当量回弹模量，粒料层的回弹模量与路床回弹模量之比小于5的场合较多，因此，对近似计算式进行了调整，以减少误差。
回归式是根据单圆荷载直径0.3m，层间连续，粒料层总厚度0.1~0.5m，粒料层回弹模量与路床回弹模量之比小于10的条件，按照荷载中心点挠度等效原则回归得到的其中，路床、粒料层的泊松比均取0.35 旧路面顶面的Et 式中 w0——路段代表弯沉值（0.01mm； ——路段弯沉平均值（0.01mm）；sw——路段弯沉的标准差（0.01mm）落锤式弯沉仪（荷载50kN、承载板半径150mm）中点弯沉 贝克曼梁（后轴重100kN的车辆）的弯沉 最重轴载的荷载应力 ——最重轴载Pm 在四边自由板临界荷位处产生的最大荷载应力（MPa），设计轴载Ps改为最重轴载Pm（以单轴计，kN）；kr、kc——应力折减系数、综合系数 单层板温度应力 •温度疲劳应力σtr式中: σt.max——最大温度梯度时面层板产生的最大温度应力(MPa) ； kt ——考虑温度应力累计疲劳作用的温度疲劳应力系数 最大温度应力σt.max 式中 αc——混凝土的线膨胀系数，根据粗集料的岩性取用； Tg——公路所在地50年一遇的最大温度梯度； BL ——综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数。
粗集料类型石英岩砂岩砾石花岗岩玄武岩石灰岩水泥混凝土线膨胀系数 10-6/˚C1212111097 最大温度梯度 公路自然区划Ⅱ、ⅤⅢⅣ、ⅥⅦ最大温度梯度（℃/cm）0.83~0.880.90~0.950.86~0.920.93~0.98 温度应力系数BL 式中 CL——混凝土面层板的温度翘曲应力系数； L——面层板的横缝间距，即板长(m)； r ——面层板的相对刚度半径 (m) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11L/rBxh(cm)4038363432302826242220181614 在温度应力系数BL、翘曲应力系数CL 中已记入材料徐变效应，其中，混凝土模量徐变系数取0.7，基层顶面回弹模量徐变系数取0.3 E地基板的温度翘曲应力系数C k、E地基板的温度翘曲应力系数C 温度疲劳应力系数kt 式中 at、bt 和ct——回归系数，按所在地区的公路自然区划确定系数公路自然区划ⅡⅢⅣⅤⅥⅦat0.8280.8550.8410.8710.8370.834bt0.0410.0410.0580.0710.0380.052ct1.3231.3551.3231.2871.3821.270 双层板荷载应力Db——下层板的截面弯曲刚度（MN-m)；hb、Eb、vb——下层板的厚度（m）、弹性模量（MPa）和泊松比；rg——双层板的总相对刚度半径（m)；hc、Dc——上层板的厚度（m）和截面抗弯刚度（MN-m）。
上层板荷载应力σps 下层板的荷载疲劳应力 σbpr——下层板的荷载疲劳应力（MPa）；σbps——设计轴载Ps在下层板临界荷位处产生的荷载应力(MPa)； 本规范中，下层板均为分离式的，ku=0原规范中，上、下层板应力公式： 双层板温度应力下层板的温度疲劳应力不需计 上层板的温度翘曲应力系数CL式中 ξ——与双层板结构有关的参数； rβ ——层间接触状况参数 (m) ； kn ——面层与基层之间竖向接触刚度， 设沥青混凝土夹层或隔离层时，kn 取3000 MPa/m 两层地基上板的温度翘曲应力系数C (λ=0.2) 下层板纵向无缝情况 复合板应力 面层复合板弯曲刚度 ,等效厚度式中 Ec1、hc1——复合板上层的弹性模量（MPa）和厚度（m）； Ec2、vc2、hc2——复合板下层的弹性模量（MPa）、泊松比和厚度（m） dx——面层复合板中性轴至下层底部的距离 (m) 面层复合板的疲劳温度应力 计算面层复合板的温度应力系数BL 时，面层板厚度hc取面层复合板的总厚度（hc1 + hc2）。
温度翘曲应力系数CL，单层板时按式（B.3.3-2）计算，双层板时按B.5.2条确定 基层复合板 Db0=Db1+Db2式中 Db0——基层复合板的弯曲刚度（MN-m）； Db1、Db2——基层和底基层的弯曲刚度（MN-m ） ； 混凝土板厚度计算流程混凝土板厚度计算流程 •路面结构的组合设计，初拟路面结构•计算混凝土面层板的最大荷载应力、荷载疲劳应力、最大温度应力及温度疲劳应力•面层板极限状态检验•贫混凝土或碾压混凝土为基层、下面层板时，计算其荷载疲劳应力，检算其极限状态•面层或基层的极限状态不满足要求时，改选混凝土面层板厚度或(和)整调基层类型或(和)厚度，重新计算•计算厚度加6mm磨损厚度后，按10mm向上取整，作为混凝土面层的设计厚度 附录C 有沥青上面层的混凝土下层板应力分析 •荷载应力分析荷载应力分析 •温度应力分析温度应力分析 0.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20温度梯度修正系数ξ t1.130.960.820.700.590.510.430.370.310.27 材料性能参数•标准值85%分位值•混凝土试配强度式中：fr 设计标准值；s试验样本标准差；t保证率系数，样本数n和判别概率p有关 保证率系数 t公路等级判别概率p样本数n3691520高速0.051.360.790.610.450.39一级0.100.950.590.460.350.30二级0.150.720.460.370.280.24三、四级0.200.560.370.290.220.19 荷载应力分析•临界荷位–移动单轴的面层最大应力–移动单轴的基层最大应力–面层纵缝边缘中部的应力影响线•面层荷载应力–单层板荷载应力–基层超宽影响–荷载内移影响 –接缝传荷影响•基层应力 基层横向无限宽 基层纵向无限长 等尺寸双层板 移动荷载下的面层最大应力 移动荷载下的基层最大应力 等尺寸板 基层纵向超长 基层横向超宽 面层纵缝边缘中部的应力影响线 最大荷载应力比α ~y 曲线 纵边中点最大荷载应力比β ~ y 曲线双轴荷载驶经一次，出现二次峰值，其值约为单轴时峰值的0.9倍；三轴荷载驶经一次，峰值出现三次，其中，中间轴的应力峰值最小，而两侧轴的应力峰值较双轴峰值小3%左右。
新旧应力回归式的偏差 ς1j=σ1j新/σ1j旧 - 地基假设不同；- 实体单元与薄板单元的差异；- 层间接触条件的差异 基层超宽影响 (7) ∆σ1/σ10 ~ λ散点及回归曲线基层与面层抗弯刚度比λ a 单轴单轮 b 单轴双轮 c 双轴双轮 d 三轴双轮 荷载内移影响 纵边中部荷位应力比â1 ~ d变化曲线 接缝传荷影响 基层应力•横向超宽的荷载应力–与单轴-双轮的荷载应力的比值β2分别为：1.33~1.58（单轴-单轮）、1.03~1.48（双轴-双轮）、1.03~1.67（三轴-双轮） •接缝传荷影响–接缝传荷对基层应力减小作用可忽略 。
