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1、水泥路面结构设计的水泥路面结构设计的教学要点与教学方法教学要点与教学方法东南大学交通学院李昶2009-11-14本次发言的定位本次发言的定位自我简介：自我简介：1、教学历史简介（3-4遍）2、教学ppt每年一改3、有时候被学生问题难倒4、还有许多问题没有探索出答案发言定位：发言定位：一个初上初上路基路面工程课程的新教师谈自己怎么理解理解，怎么上，过程中有什么问题问题供批判供批判，向大家请教，提出问题供讨论。教学目标教学目标教学要求：教学要求：基本设计理论（重点掌握）可靠度设计基本原理（掌握）设计方法和步骤（熟练掌握）其它设计方法（一般了解）教学目标：教学目标：让学生掌握水泥混凝土路面设计理论的
2、发展过程，掌握规范设计步骤与方法，可独立设计难点：难点：理论演化发展过程及其与规范方法的关系怎么上怎么上流程流程1、衔接前一章，先谈病害，引出设计指标指标弯拉应力2、介绍设计理论与方法发展简史，引出经典小挠度弹性薄板相关理论切入理论切入理论3、详细分析小挠度弹性薄板假定对应的力学公式，讨论三方程（几何、物理、平衡）的联立简化过程给出挠挠度表达式度表达式4、分析地基反力q(x,y)在两种地基（温克勒、弹性半空间体）情况下的应力解答了解各解答的意义意义5、温度应力的两种解答来源分析实际路面尺寸有限，均匀变温不考虑，主要是翘曲应力6、可靠度理论简介为可靠度系数引入可靠度系数引入作铺垫7、规范方法规范
3、方法及细节讲解设计方法中各参数取值，背后的理论与方法8、概念概念探讨加深对参数的理解9、延伸问题问题引导思考，探索病害引出设计指标病害引出设计指标弯拉应力弯拉应力断板、角隅断裂是常见的结构性病害常见的结构性病害特征主要原因原因是：板块裂缝处在重复弯拉疲劳作用下，材料力学指标（抗折强度）下降，最后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。水泥混凝土路面特点（水泥混凝土路面特点（1）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温度翘曲
4、应力曲应力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疲劳效应水泥混凝土路面力学特点（水泥混凝土路面力学特点（2）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滑动假定，只传递竖向力假定，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）很小忽忽略略z方向应力应变变化细节方向应力应变变化细节发展出小挠度弹性薄板理论水泥混凝土板的基本力学模型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、简化简化：
5、力学特点假定具体公式3、结果：理论解析解理论解析解q（x，y)不同不同荷载应力：荷载应力：1、Winkler温克勒地基特点（“浮板”）2、Westergaard解温克勒地基上的小挠度弹性无限大板（板中）、半无限大（板边）、四分之一无限大（角隅）的解答，Kelly根据阿灵顿试验段结果进行修正3、Hogg解弹性半空间体地基上的小挠度弹性无限大圆板（轴对称课题）温度应力：温度应力：1、均匀降温应力板块尺寸有限而舍去2、翘曲应力线性变温、板受到地基完全约束情况下的Westergaard解理论还未解决的问题理论还未解决的问题1、弹性地基上有限尺寸板的解答；2、规范中设计方法给出的计算诺模图采用了有限元计
6、算方法，是一种数值方法。水泥混凝土路面设计内容水泥混凝土路面设计内容1、结构组合设计结合规范2、平面尺寸设计、配筋设计常用3、厚度设计基于理论和设计计算规范设计方法规范设计方法基本公式基本公式分析公式构成分析公式构成，各项物理意义。其标准标准是：因荷载和温度产生的某最不利荷载作用位置处的疲劳应力，在一定可靠度保证的情况下，小于等于材料的抗折强度，不发生拉裂破坏。第一项第一项可靠度系数可靠度系数来源：来源：材料不均匀、施工过程的不均匀、厚度的不均匀等造成实际路面与设计路面的差异，为保证设计路面的可靠性，需要引入该参数实际采用的目标可靠度是多因素多因素根据累积数据分析综合综合得到反过来，可靠度可用
7、于控制施工控制施工中的参数变异不详细讲，示意规范可靠度要求表右侧项右侧项抗折强度抗折强度由材料试验得到，或根据工程经验选取试验方法：小梁试件，三分点加载，单次加载至破坏（单次强度试验单次强度试验）应力项之一应力项之一荷载应力荷载应力两个层次两个层次单次单次标准荷载作用下，最不利荷载作用位置处的拉应力；该处的荷载疲劳疲劳应力荷载疲劳应力计算公式的构成三修正系数三修正系数：传荷、疲劳、动偏载修正单次应力单次应力计算单次应力计算标准荷载在四边自由板四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力公式分析：公式分析：1、回归公式，通过有限元计算得到；2、基层及其以下以Et简化表征，弹性半空间体；3、无板与地基摩擦
8、相关系数，滑动处理；结论：结论：参考了经典解析解的一般原理但不同点在哪里不同点在哪里？有限尺寸板，但公式中无相关参数临界荷载位置临界荷载位置定义：定义：其他条件相同，标准荷载移动在有限尺寸板上，如果在板体内某处（通常是板顶）出现了最大拉应力，则确定该位置为最不利荷载位置，由此引起的应力是单次应力计算的标准取值。方法：方法：有限元内分布荷载进行搜索，寻找最大拉应力位置，比较拉应力大小，最终确定最不利荷位。特点：特点：是一种极限（可能出现的最大）的情况相对刚度半径相对刚度半径来源：来源：荷载单次作用应力计算过程中引入的一个组合参数，由地基当量回弹模量、水泥混凝土模量的比值及板厚确定物理意义的理解物
9、理意义的理解：可认为是荷载在板中引起的应力响应范围，水泥混凝土模量越高、地基模量越低，厚度越大，则在标准荷载作用下的板块承担的荷载效应越多，响应范围越大。注意点注意点：相对刚度半径针对不同的地基模型有不同的计算公式。传荷、动偏载与疲劳修正系数传荷、动偏载与疲劳修正系数传荷修正相邻板的分担作用，小于小于1动偏载修正动力冲击与偏载，大于大于1疲劳修正考虑了疲劳效应，往往两种方式，一种是放大单次应力（乘以大于1的系数），一种是减小材料强度（乘以小于1的系数）观察公式发现，这里考虑了荷载重复作用次数设计基准期内标准轴载累计作用次设计基准期内标准轴载累计作用次数数特点：特点：1、实际交通荷载（轴载）变化
10、很大；2、需要考虑板块的累积疲劳效应；3、计算单次应力往往只能针对一种特定的荷载（标准轴载）4、引出轴载换算和交通量分布概念5、给出换算与车道分配系数取值方法轮迹横向分布轮迹横向分布 车道分配系数车道分配系数指交通量在道路横向各车道上的分布规律。设计时按交通量按交通量分配最多的车道上的交通量分配最多的车道上的交通量作为设计路面结构时的参数（再再一次的最不利一次的最不利）。如果满足要求，则横向其它位置也应满足结构要求。应力项之二应力项之二翘曲应力翘曲应力两个层次两个层次根据自然区划确定的温度梯度确定的单次翘曲应力，长期的翘曲重复作用的影响温度疲劳应力计算公式的构成公式分析：单次应力计算公式与We
11、stergaard解形式相似形式相似而应力系数取值不同而应力系数取值不同（理论解、数值解回归）翘曲应力疲劳修正翘曲应力疲劳修正特点：特点：1、与路面所处自然区划有关，不同自然区划的可能最大温度梯度不同2、修正系数一般小于1原因：原因：考虑了单次应力为板完全受地基约束，而实际不可能，且长期重复后，有应力松弛，对单次应力进行折减。实践性教学实践性教学1、给出算例算例，给出设计流程2、按步骤教学设计方法3、课程实习课程实习安排相关设计内容问题问题1板和地基到底是滑动还是约束滑动还是约束？1、实际的情况可认为偏滑动；2、在计算荷载应力时滑动，在计算翘曲应力时约束，都是按最不利去考虑。问题问题2水泥路面
12、、沥青路面中有两个概念两个概念车道分配系数、横向分布系数（车道系数）有什么关系？本质上是一回事，都是考虑最不利位置处（一般行车道轮迹带）可能作用的最大次数，叫法不同。问题问题3温克勒地基和半空间体地基到底哪个更好哪个更好？能否发展出弹性层状体系地基，与沥青路面设计理论统一统一。两种地基都是求取解析解过程中的合理简化（地基相对于板块刚度很低），如果直接按层状体系解析解难以得到。另外，按层状体系地基计算的荷载应力往按层状体系地基计算的荷载应力往往与现有计算结果差异较大往与现有计算结果差异较大。问题问题4温度翘曲应力的最大应力位置出现在哪里？有限尺寸板，翘曲应力最大位置出现在板边。谢谢！谢谢！请批评指正！请批评指正！