1.设计流程
在确定水泥混凝土路面所需的厚度时，可参照下述步骤进行：
（1）收集日交通量和轴载组成数据，确定方向系数、车道系数和交通增长率，计算设计车道标准轴载作用次数。
（2）进行路面结构的组合设计，初拟路面结构，包括路床、垫层、基层和面层的材料类型和厚度，并按表10-4所列的水泥混凝土面层厚度建议范围，依据交通等级、公路等级和所选变异水平等级初选混凝土板厚度。
（3）按照初拟路面结构的组合情况，选择相应的结构分析模型。
（4）分别计算混凝土面层板（单层板或双层板的面层板）的最重轴载产生的最大荷载应力、设计轴载产生的荷载疲劳应力、最大温度梯度产生的最大温度应力及温度疲劳应力。
（5）验算式（10-3）和式（10-4），该式满足时则初选厚度可作为混凝土板的计算厚度。
（6）贫混凝土或碾压混凝土基层等基层板，需计算其荷载疲劳应力，并检算荷载疲劳应力与可靠度系数的乘积是否小于其材料的弯拉强度标准值，即应满足式（10-5）。
（7）若不能同时满足设计条件时，应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，直到同时满足为止。
（8）计算厚度加6 mm磨损厚度后，按10 mm向上取整，作为混凝土面层的设计厚度。
2.设计示例
【例10-1】粒料基层上混凝土面板厚度计算
公路自然区划Ⅱ区拟新建一条二级公路，路面宽7 m，路基为低液限黏土，路床顶距地下水位平均1.2 m，当地的粗集料以花岗岩为主。拟采用普通混凝土路面。经交通调查得知，设计轴载Ps=100 kN，最重轴载Pm=150 kN，设计车道使用初期设计轴载的日作用次数为100次，交通量年平均增长率为5%。
（1）交通分析
由表10-10，二级公路的设计基准期为20年，安全等级为二级。由表10-12，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.62。设计基准期内设计车道设计轴载累计作用次数：
由表10-4可知，属中等交通荷载等级。
（2）初拟路面结构
由表10-10，施工质量变异水平选择中级。根据二级公路、中等交通荷载等级和中级变异水平，查表10-4，初拟普通混凝土面层厚度为0.23 m，基层选用级配碎石，厚0.20 m。普通混凝土板的平面尺寸4.5 m×3.5 m，纵缝为设拉杆平缝，横缝为不设传力杆的假缝，路肩面层与行车道面层等厚的混凝土并设拉杆相连。
（3）路面材料参数确定
按表10-16，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为4.5 MPa，相应弯拉弹性模量与泊松比为29 GPa和0.15。查表10-18，粗集料为花岗岩的混凝土热膨胀系数αc=10×10-6/℃。
查表4-9，取低液限黏土路基回弹模量70 MPa，查表4-10，取距地下水位1.2 m时的湿度调整系数为0.86，由此得到路床顶综合回弹模量为70×0.86=60 MPa。参见《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40—2011）表E.0.2-1，级配碎石基层回弹模量取值范围为200～400 MPa，代表值为300 MPa，故取级配碎石基层回弹模量为300 MPa。按式（10-31）计算板底地基当量回弹模量如下：
板底地基当量回弹模量Et取为120 MPa。
普通混凝土面层的弯曲刚度Dc按式［10-8（c）］计算，相对刚度半径r按式［10-8（b）］计算：
（4）荷载应力
按式［10-8（a）］和式（10-17）中的说明计算设计轴载和最重荷载在临界荷位处产生的荷载应力：
或可更简单地：
考虑接缝传荷能力的应力折减系数kj=0.87；由表10-11查得荷载安全系数kc=1.05；由式（10-15）可得疲劳应力系数kf=
=（74.8×104）0.057=2.162。
按式（10-7）计算荷载疲劳应力，式（10-17）计算最大荷载应力：
σpr=kjkfkcσps=0.87×2.162×1.05×1.744=3.44 MPa
σpm=kjkcσpm=0.87×1.05×2.544=2.33 MPa
（5）温度应力
由表10-14，最大温度梯度取88℃/m。按式［10-27（b）］、式［10-27（c）］和式［10-27（d）］计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数BL：
按式［10-27（a）］计算最大温度应力：
温度疲劳应力系数kt，按式（10-28）计算：
再由式（10-26）计算温度疲劳应力：
σtr=ktσt，max=0.46×1.49=0.69 MPa
（6）结构极限状态校核
查表10-10，二级公路、中等变异水平条件下的可靠度系数γ取1.13。
按式（10-3）和式（10-4）校核路面结构极限状态是否满足要求：
γ（σpr+σtr）=1.13×（3.44+0.69）=4.67＞fr=4.5 MPa(www.xing528.com)
γ（σp，max+σt，max）=1.13×（2.33+1.49）=4.32≤fr=4.5 MPa
显然，初拟的路面结构不能满足要求。将混凝土面层厚度增至0.24 m。重复以上计算，得到荷载疲劳应力σpr=3.26 MPa，最大荷载应力σp，max=2.21 MPa，最大温度应力σt，max=1.47 MPa，温度疲劳应力σtr=0.67 MPa，然后再进行结构极限状态验算：
γ（σpr+σtr）=1.13×（3.26+0.67）=4.46＜fr=4.5 MPa
γ（σp，max+σt，max）=1.13×（2.21+1.47）=4.16≤fr=4.5 MPa
满足结构极限状态要求，所选的普通混凝土面层计算厚度0.24 m可以承受设计基准期内设计轴载荷载和温度梯度的综合疲劳作用，以及最重轴载在最大温度梯度时的一次极限作用。
【例10-2】碾压混凝土基层上混凝土面板厚度计算
公路自然区划Ⅲ区新建一条高速公路，单向三车道，行车道宽11.75 m。路基土为黄土（低液限粉土），路床顶距地下水位2.0 m，当地粗集料主要为花岗岩。拟采用碾压混凝土做基层。经交通调查分析得知，设计轴载Ps=100 kN，最重轴载Pm=250 kN，设计车道使用初期设计轴载日作用次数为42 000，交通量年平均增长率为7%。
（1）交通分析
高速公路的设计基准期为30年，安全等级为一级。由表10-12可知，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.22，计算得到设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数：
由表10-4可知，属特重交通荷载等级。
（2）初拟路面结构
由表10-10，相应于安全等级一级的变异水平等级宜为低级。根据高速公路特重交通荷载等级和低变异水平等级，查表10-4，初拟普通混凝土面层厚度为0.30 m，碾压混凝土基层0.18 m，面层与基层之间设置40 mm厚的沥青混凝土夹层，底基层选用级配碎石，厚0.20 m。水泥混凝土上面层板的平面尺寸：长为5.0 m，宽从中央分隔带至路肩依次为4 m，4 m，3.75 m；纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。碾压混凝土设纵缝一条、横缝间距5 m。硬路肩宽3.50 m，采用与行车道等厚混凝土并设拉杆与行车道板相连。
（3）路面材料参数确定
按表10-16，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0 MPa，相应弯拉弹性模量和泊松比取31 GPa和0.15；碾压混凝土弯拉强度标准值为4.0 MPa，相应弯拉弹性模量、泊松比为27 GPa和0.15。花岗岩为粗集料的混凝土热膨胀系数αc=10×10-6/℃。
查表4-9取低液限粉土的回弹模量为70 MPa，查表4-10，取距地下水位2.0 m时的湿度调整系数为1.15，由此得到路床顶综合回弹模量为70×1.15=80 MPa。参见《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40—2011）表E.0.2-1，故级配碎石底基层回弹模量取250 MPa。按式（10-31）计算板底地基综合当量回弹模量如下：
板底地基综合当量回弹模量Et取为130 MPa。
混凝土面层板的弯曲刚度Dc按式［10-8（c）］、半刚性基层板的弯曲刚度Db按式［10-19（b）］，路面结构总相对刚度半径lg按式［10-19（c）］为：
（4）荷载应力
按式［10-19（a）］，标准轴载和最大荷载在临界荷位处产生的荷载应力计算如下：
基层应力由式［10-20（b）］计算：
按式（10-7）计算荷载疲劳应力：
σpr=krkfkcσps=0.87×3.053×1.15×1.062=3.24 MPa
按式（10-17））计算最大荷载应力：
σp，max=krkcσpm=0.87×1.15×2.512=2.51 MPa
按式［10-20（a）］计算基层荷载疲劳应力：
σbpr=kfkcσbps=3.570×1.15×0.539=2.12 MPa
其中面层疲劳应力系数kf=
=（3.186×108）0.057=3.053，基层疲劳应力系数kf=
=（3.186×108）0.065=3.570。
（5）温度应力
由表10-14，最大温度梯度取90℃/m。面层与基层之间（设沥青混凝土夹层）的竖向接触刚度kn取3 000 MPa/m。按式（10-29）、式［10-27（b）］计算综合温度翘曲应力CL和内应力的温度应力系数BL：
按式［10-17（a）］计算面层最大温度应力：
温度疲劳应力系数kt，按式（10-28）计算：
再由式（10-26）计算温度疲劳应力为
σtr=ktσt，max=0.384×1.35=0.52 MPa
（6）结构极限状态校核
查表10-10，确定可靠度系数γ=1.30。按式（10-3）、式（10-4）和式（10-5）校核路面结构极限状态是否满足要求：
γ（σpr+σtr）=1.30×（3.24+0.52）=4.89≤fr=5.0 MPa
γ（σp，max+σt，max）=1.30×（2.51+1.35）=5.02≈fr=5.0 MPa
γ·σbpr=1.30×2.12=2.76≤fbr=4.0 MPa
所拟路面结构满足车辆荷载和温度梯度的综合疲劳作用，最大轴载在最大温度梯度时的一次作用产生结构应力与混凝土弯曲强度相当。取混凝土面层设计厚度为0.31 m，贫混凝土基层设计厚度为0.18 m，沥青混凝土夹层设计厚度0.04 m。
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