路基路面工程课件-水泥混凝土路面的设计理论.pptVIP

水泥混凝土路面的设计理论 讲四个问题：水泥混凝土路面结构的力学特点；线弹性薄板小挠度理论及地基模型假说；温度伸缩应力和温度翘曲应力。 1 水泥混凝土路面有何结构特性?为何可用弹性薄板小挠度理论解算板内应力？ 2 与沥青路面相比，水泥混凝土路面结构的损坏模式如何？ 3 为何引入地基模型假说？板的平面尺寸是依据什么确定的？翘曲应力的计算模型如何？ 水泥混凝土路面的平面分缝 水泥混凝土路面板的板角断裂 因路基沉陷引起的水泥混凝土路面开裂断板 水泥混凝土路面的疲劳开裂 水泥混凝土路面的温度开裂 水泥混凝土路面板的啃边破坏 水泥混凝土路面的露骨破坏 水泥混凝土路面损坏模式 断裂、断角和碎裂 唧 浆 拱 起 错 台 水泥混凝土路面受到的行车荷载应力、温度应力、收缩应力等作用中，荷载应力、温度应力是路面结构设计所考虑的荷载条件，断裂被视为路面结构破坏的临界状态。 水泥混凝土路面损坏模式 断板、角隅断裂是常见的结构性病害特征， 疲劳开裂成为主要破坏模式 主要原因：板块裂缝处在重复弯拉疲劳作用下，材料抗折强度下降，单次荷载作用超出材料强度产生微裂缝，逐步发展成为上述病害。 水泥混凝土路面结构的力学特点 1结构上：由面板—基层—土基组成的层状结构，力学性质上：具有良好的弹性和扩散荷载的能力。 轮载在板内引起的最大应力不超过混凝土的比例极限，弹性模量高（普通混凝弯拉弹性模量EC=30~27×103MPa），刚度大，扩散荷载的能力强，基层和土基承受的荷载单位压力产生的变形小，所以整个路面结构体系工作在弹性阶段，即弹性层状体系。 2水泥混凝土面板：由于其脆性，不允许在轮载作用下产生大的挠度Wh，(W-板的挠度；h-板的厚度)高的力学强度，小的挠度，最小的平面尺寸板厚h，板薄，属于弹性薄板，可用弹性薄板小挠度理论解算板内应力。 3 水泥混凝土面板强度差异大： 28天龄期的强度： 普通混凝土抗压强度： 30～40MPa； 普通混凝土抗弯拉强度： 4.5～ 5.5MPa；抗拉能力低，对拉应力敏感； 普通混凝土弯拉弹性模量：EC=30 ～ 27×103 MPa， 4 水泥混凝土路面板的动荷效应 水泥砼路面板是一种脆性材料（容许变形小），脆性与刚度大，弹性模量高，对冲击荷载十分敏感，行车遇到接缝、坑槽、凸起物会产生很大跳动给路面以瞬时冲击荷载。所以在计算荷载应力时，要考虑冲击荷载作用与汽车超载、偏载和路面结构工作不均匀等因素对路面疲劳损坏的综合影响问题，引入综合影响系数。综合影响系数依据交通等级取值。 水泥混凝土路面力学特点 1 水泥混凝土本身的抗压强度远大于抗折强度——以抗折强度作为设计标准； 2 混凝土板在自然条件下，存在沿板厚方向的温度梯度，会产生翘曲现象，如果受到约束，会在板中产生翘曲应力——温度翘曲应力 3 荷载多次重复作用，温度梯度也反复变化，混凝土板有疲劳现象——要考虑交通量重复作用的疲劳效应 特别重要！水泥混凝土路面设计考虑的问题 水泥混凝土路面力学特点 1 混凝土的强度远大于基层和土基模量和强度——地基被简化为单一体 2 基层表面与路面板间摩擦力较小——滑动假定，只传递竖向力 3 板块厚度相对与平面尺寸较小，板块在荷载作用下的挠度（竖向位移）很小——忽略z方向应力应变变化细节 ——发展出小挠度弹性薄板理论 特别重要！水泥混凝土路面设计考虑的问题 水泥混凝土板的基本力学模型 为分析水泥混凝土板块受拉而发展： 1、起点：完全弹性问题（弹性力学经典三方程） 2、简化：力学特点?假定?具体公式 3、结果： 弹性地基板的应力分析——弹性薄板小挠度理论 图1 弹性薄板的力学模型 由弹性力学薄板的定义：两个平行面和垂直于这两个平行面的柱面所围成的物体称为板，平分板厚度h的平面称为板的中面，h板面的最小尺寸b称为薄板，薄板受到垂直于板面的荷载就会弯曲，中面所弯成的曲面，称为弹性曲面，而曲面中内各点沿Z方向的位移称为薄板的挠度W，wh，称为薄板小挠度. 弹性力学薄板的定义 弹性薄板的三个基本假设: （1） 应力分量 、 和 其它分量，忽略它们对形变的影响。这个假定是板很薄，所以轴向应力不考虑。由于Z面（中性面）上无平行Z面的荷载 、 ，荷载垂直于Z面，所以 、 不计，这样： rzx=0、rzy=0 (1)。 这说明所有垂直于平面xy的直线，在薄板弯曲以后仍保持为直线，且垂直弹性曲面，因而无横向剪应变，不计 的影响，在三轴空间状态：