第三章 新建水泥混凝土路面结构设计
一、 交通分析
标准轴载作用次数计算：
?P?Ns???iNi?i??100?1?i?1n16?i?2.22?103Pi?0.43?i?1.07?10?5Pi?0.22?i?2.24?10?8Pi?0.22
3?0.43?5-0.22单轴双轮组?i?1，单轴单轮组?i?2.2?10?Pi双轴双轮组?i?1.07?10P i序号 1 2 3 4 5 6 汽车型号 黄河JN150 解放CA10B 东风EQ140 日野KB222 太脱拉138S 交通SH361 前轴重（kN） 后轴重（kN） 后轴数 49 19.4 23.7 50.2 45.4 25.55 101.6 60.85 69.2 104.3 90 60 1 1 1 1 2 2 轮组数 双 双 双 双 双 双 日平均交通量（辆/日） 866 754 712 498 362 845 路面特征系数为16，标准轴载为100，轴—轮型系数及周载换算结果如下： 车型 黄河JN162 解放CA10B 东风EQ140 日野KB222 太脱拉138S 交通SH361 合计 轴重/KN 49 101.6 19.4 60.85 23.7 69.2 50.2 104.3 45.4 90 60 110 轮轴系数 416.46 1 620.29 1 569.13 1 412.15 1 430.35 3.98E-06 381.72 3.8E-06 平均日交通量 866 866 754 754 712 712 498 498 362 362 845 845 轴载换算 0.0046 1.2891 0.0000 0.0004 0.0000 0.0028 0.0067 1.9613 0.0014 0.0000 0.1077 0.0000 2194 2009日标准轴载作用次数 3.983 1116.393 0.000 0.266 0.000 1.969 3.338 976.738 0.5075 0.0003 90.9958 0.0148
由表3.0.1，一级公路的设计基准期为30年，安全等级为一级，由附录表A2.4，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.22。经交通调查分析得知，设计轴载Ps?100kN，最重轴载Pm?104.3kN,该公路自2012年至通车后2018年交通量增长率10.28％，其后将以 6.0％增长。
因设计年平均日交通量分三段计算，则使用初期设计车道的日标标准轴载作用次数：
32015年初，Ns?2194?(1?10.28%)?2943次 42018年末，Ns?2943?(1?10.28%)?4353次 12019年末，Ns?4353?(1?6%)?4614次
标准轴载累计作用次数
Ns[(1?r)t?1]?365Ne??r
??0.22
(1?10.28%)4?1?365?2943?0.22?1101302次 2015年初~2019年初：Ne?10.28%(1?6%)25?1?365?4614?0.22?15429984次 2019年末~2043年末：Ne?6%4累计标准轴作用次数Ne?(1101302?15429984)?1653?10次，查表3.0.7，得出该路
段属于重交通。
二、 初拟路面结构
施工变异水平取低级。根据一级公路重交通等级和低级变异水平等级，查表4-3,初拟普通混凝土面层厚度为hc?0.26m。水泥稳定粒料基层 hb?0.22m，底基层选级配碎石
h1?0.18m。单向路幅宽度为2?3.75m（行车道）+2.75（硬路肩），行车道水泥混凝土面
层板平面尺寸取5.0m?3.75m，纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。硬路肩面层采用与行车道面层等厚度的混凝土，并设计拉杆与行车道板相连。
三、 路面材料参数确定
按表3.08和表附录E.0.3，取普通混凝土面层的拉弯强度标准值为fr?5.0MPa，相应弯拉弹性模量与泊松比为Ec?31GPa、Vc?0.15。砾石粗集料混凝土的线膨胀系数
?c?11?10?6?C。取距地下水位1.0m时的湿度调整系数为0.80。由此，路床顶综合回弹
模量取为E0?100?0.80?80MPa。水泥稳定粒料基层的弹性模量取Eb?1800MPa，泊松比vb?0.20，级配碎石底基层回弹模量取230MPa，泊松比取0.35。
板地基综合回弹模量计算如下 EX?n?hi?1n2iEi/?hi?2i?1nh1E1h122?250MPa
hx??hi?h1?0.18m
i?1??0.26ln?hx??0.86?0.26?ln?0.18??0.86?0.414
?EXEt???E?0??250??E???0?80????0.41480?128.22MPa
板底地基综合回弹模量Et取125Pa。 混凝土面层板的弯曲刚度
DC?Echc3121?vcEbhb3?2?31000?0.263??46.45MN?m 212?1?0.15??半刚性基层板的弯曲刚度
Db?121?vb?2?1800?0.223??1.678MN?m 12?1?0.222??路面结构总相对刚度半径
?Dc?Dbrg?1.21??Et???46.45?1.678???1.21????125???1/3?0.727m
四、 荷载疲劳应力计算
按式（B.4.1-1），标准轴载和极限荷载在临界位处产生的荷载应力为
?ps1.45?10?30.65?20.94?rghcPs1?Db/Dc1.45?10?3??0.7270.65?0.26?2?1000.94 1?1.678/46.45?1.276MPa
?pm1.45?10?30.65?20.94?rghcPm1?Db/Dc1.45?10?3??0.7270.65?0.26?2?104.30.94 1?1.678/46.45?1.328MPa按式（B.2.1）计算面层荷载疲劳应力
?pr?krkfkc?ps?0.87?2.579?1.10?1.276?3.149MPa
按式（B.2.6）计算面层最大荷载应力
?p,max?krkc?pm?0.87?1.10?1.328?1.271MPa
其中，接缝传荷能力的应力折减系数kr?0.87（B.2.1条） 累积疲劳作用的疲劳应力系数
0.057】 kf?Ne?（16.53?106）?2.579【式（B.2.3-1）
v 综合系数kc?1.10（表B.2.1）
五、 温度疲劳应力计算
由表3.0.10 ，Ⅱ区（天津所属区）最大温度梯度取88（℃/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系数BL
1?hchb??kn????2?EEb??c?11?0.260.22??????2?310001800??1?3828.2MPa/m
1/4?DcDb?r??????Dc?Db?kn?1/4??46.45?1.678?????46.45?1.678??3828.2?44?0.143m
?kr????krt?44ngn??Dcr?cg??D?r33?3828.2?0.727???3828.2?0.143?46.45?0.1433?0.174
?46.45?0.7273??L5.0??2.293 3rg3?0.727?1?sinh?2.293?cos?2.293??cosh?2.293?sin?2.293?CL?1???1????cos?2.293?sin?2.293??sinh?2.293?cosh?2.293??0.823??e2.293?e?2.293sinh(2.293)??4.902
2e2.293?e?2.293cosh(2.293)??5.0032BL?1.77e?4.48hc?CL?1.77e?4.48?0.26?0.823?0.454
按式（B.3.2）计算面层最大温度应力：
?t,max??cEchcTg211?10?6?31000?0.26?88BL??0.454?1.771MPa
2按式（B.3.4）计算温度疲劳应力系数kt
1.323???t,max?bt???5?1.771???at?kt??ct????0.828???0.041??0.476 ????t,max??fr?1.771??5???????fr式中at，bt，ct是公路自然区划的回归系数，按所在地区自然区划查表B.3.4确定
按式(B.3.1)计算温度疲劳应力：
?tr?kt?t,max?0.476?1.771?0.843MPa
六、
结构极限状态校核
查表3.0.4,一级安全等级，低变异水平条件下，可靠度系数?r?1.13。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：
?r??pr??tr??1.13??3.149?0.843??4.51MPa﹤fr?5.0MPa
拟定的由计算厚度0.26m的普通混凝土面层和厚度0.18m的水泥稳定粒料基层组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稳定应力的综合疲劳作用，以及最重轴载在最大温度梯度时的一次作用。去混凝土面层设计厚度为0.26m。设计结果如下
--------------------------------------- 普通混凝土 26 cm --------------------------------------- 水泥稳定粒料 22 cm --------------------------------------- 级配碎石 18cm --------------------------------------- 土基
新建水泥混凝土路面结构设计
