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        大型水電站重載交通水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2016-12-27 02:52:58文劍鋒楊鵬程楊子舟湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院湖南長(zhǎng)沙410000
        低碳世界 2016年34期
        關(guān)鍵詞:混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        文劍鋒,楊鵬程,楊子舟(湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院,湖南長(zhǎng)沙410000)

        大型水電站重載交通水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        文劍鋒,楊鵬程,楊子舟(湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院,湖南長(zhǎng)沙410000)

        由于大型水電站施工作業(yè)范圍大,車輛量較多,這就意味著車載負(fù)荷大,因此需要對(duì)大型水電站的交通參數(shù)、結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)等進(jìn)行分析,制定科學(xué)合理的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,保證設(shè)計(jì)方案可滿足大型水電站重載交通運(yùn)行要求。本文就大型水電站重載交通水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析,供相關(guān)人士參考。

        大型水電站;重載交通;水泥混凝土;路面結(jié)構(gòu)

        1 引言

        近些年,重載交通設(shè)計(jì)受到了廣泛關(guān)注,重載交通是指車輛軸載偏重,胎壓偏高或者是軸載作用次數(shù)較多,交通繁忙。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步,公路運(yùn)輸不斷呈現(xiàn)出大交通量和(特)重載交通的特點(diǎn),車輛超載已成為一個(gè)普遍存在的問(wèn)題,它對(duì)道路路面的正常使用具有極大的影響,是路面使用初期產(chǎn)生各種破壞的主要原因。因此,在路面設(shè)計(jì)中必須考慮重載交通的影響。

        2 重載交通下路面的主要損害類型

        目前,我國(guó)超載超限運(yùn)輸車輛普遍存在,特別是大型水電站等仍有增長(zhǎng)趨勢(shì)。據(jù)相關(guān)調(diào)查資料顯示,重載道路上通常存在著較為嚴(yán)重的車轍、裂縫等損壞現(xiàn)象。重載交通使得道路的損壞程度加大、破損期提前。①車轍。車轍是重載交通作用下路面最典型的破壞形式之一。它的出現(xiàn)不僅會(huì)縮短路面使用壽命,還會(huì)影響行車舒適性、危及行車安全。分析認(rèn)為,產(chǎn)生車轍的主要原因是混合料的經(jīng)過(guò)反復(fù)重壓產(chǎn)生較大變形。通過(guò)對(duì)重載交通下路面產(chǎn)生車轍的原因分析,深入研究抗車轍的混合料,防止或減少車轍的產(chǎn)生。②疲勞開裂。重載交通下,路面承受的累計(jì)當(dāng)量軸次增加,路面材料所能承受的疲勞應(yīng)力降低,路面結(jié)構(gòu)層就容易產(chǎn)生裂縫。重復(fù)的重荷載作用使得裂縫應(yīng)力集中,以復(fù)雜的形式自上而下擴(kuò)展,最終導(dǎo)致路面疲勞開裂。路面性能、級(jí)配、混合料的性質(zhì)以及道路的結(jié)構(gòu)形式對(duì)疲勞耐久性都有一定的影響。③其他損害。重載交通使得路面的病害提前出現(xiàn),特別是雨季,導(dǎo)致了路面松散、剝落、坑槽等病害,水的反復(fù)作用使得路面水損害現(xiàn)象愈加嚴(yán)重,最終導(dǎo)致道路的整體破壞。合理的路面結(jié)構(gòu)、材料、配比以及防排水措施可以有效降低路面水損害的產(chǎn)生,延長(zhǎng)道路的使用壽命。

        3 重載交通參數(shù)分析

        3.1 超重車輛對(duì)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)計(jì)算的影響

        水泥混凝土路面設(shè)計(jì)中車道上各種車型不同,車輛荷載相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)軸BZZ-100的換算累計(jì)當(dāng)量軸次是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)指標(biāo),當(dāng)有超重載車輛通過(guò)時(shí),當(dāng)量軸次是標(biāo)準(zhǔn)荷載的16次方倍數(shù)。超重載車輛對(duì)水泥混凝土路面的損壞起到?jīng)Q定性作用,路面結(jié)構(gòu)破損加速,直接導(dǎo)致公路的服務(wù)水平降低。與此同時(shí),超重車輛荷載對(duì)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力產(chǎn)生較大的拉壓應(yīng)力,會(huì)導(dǎo)致路面損壞程度加大,路面的使用年限大幅減少。

        3.2 車型對(duì)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)計(jì)算的影響

        軸載換算,數(shù)據(jù)采集有其不確定性,同時(shí)不同設(shè)計(jì)人員根據(jù)相同的交通量數(shù)據(jù)也會(huì)得到差距較大的設(shè)計(jì)軸載作用次數(shù)。主要是不同的設(shè)計(jì)人員會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)輸車輛套用《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中所提供的相關(guān)車型,由于軸載換算的區(qū)別,產(chǎn)生的結(jié)果也不一樣。

        比如,實(shí)際道路運(yùn)輸多為雙后軸大型貨車,選取代表性的車輛進(jìn)行計(jì)算對(duì)比,分別采用太脫拉81553和紅巖CQ30290,見(jiàn)表1。

        表1 車型比較示例

        由表 1計(jì)算得出太脫拉 81553換算成標(biāo)準(zhǔn)軸系數(shù)為2.74,紅巖CQ30290換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載系數(shù)32.34,通過(guò)總重看出雖然兩者滿載總質(zhì)量相差34kN,但對(duì)比兩者軸載系數(shù)相差有11倍。所以計(jì)算車型的選取直接影響計(jì)算成果,采用不同結(jié)果設(shè)計(jì)后,參照總重較低的車輛計(jì)算,造成路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足,造成水泥混凝土路面早期破壞。參照總重較高的車輛計(jì)算,造成設(shè)計(jì)強(qiáng)度超出,造成不必要的浪費(fèi)。所以車型的選擇對(duì)路面結(jié)構(gòu)的計(jì)算影響是很大的。

        在大型水電站交通道路上,重載車輛的比例較高,各車道上的重載車輛分布比例相對(duì)于設(shè)計(jì)車道的累計(jì)當(dāng)量軸次結(jié)果區(qū)別較大,所以,應(yīng)該對(duì)重載車的行車道進(jìn)行必要的測(cè)試,獲得車道的當(dāng)量軸次。重載道路的車道系數(shù)的計(jì)算方式為單向整個(gè)斷面當(dāng)量軸次和行車道當(dāng)量軸次對(duì)比。當(dāng)實(shí)測(cè)資料不完整時(shí),車道系數(shù)可以參照表2進(jìn)行確認(rèn)。

        表2 車道系數(shù)

        4 大型水電站重載交通水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

        水電站運(yùn)輸車輛較多,負(fù)荷量較大,車輛反復(fù)碾壓會(huì)對(duì)水泥混凝土路面造成不同程度的損害,因此,需注重路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提升路面性能,提升其運(yùn)行能力。例如,某大型水電站公路全線長(zhǎng)86.346km,全線按照四車道一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè),設(shè)計(jì)速度為60km/h,路基寬度為24.5m(分離式路基12.25m)。該工程按照如下設(shè)計(jì)原則開展水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

        4.1 路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)

        4.1.1 水泥混凝土路面

        大型水電站重載交通道路水泥混凝土路面對(duì)于強(qiáng)度和抗疲勞要求較高。因?yàn)樗嗷炷谅访姘宄惺艿男熊嚭奢d以及溫度梯度產(chǎn)生的溫度應(yīng)力會(huì)發(fā)生彎曲,尤其是在嚴(yán)重超載的情況下,荷載應(yīng)力會(huì)和溫度應(yīng)力共同作用,這就要求水泥混凝土徐具有較高的彎拉強(qiáng)度,其設(shè)計(jì)強(qiáng)度需超過(guò)5.0MPa,混凝土路面板厚度必須超過(guò)260mm,需保證路面平整,且具有耐磨及抗滑作用。

        4.1.2 基 層

        大型水電站重載交通道路水泥混凝土基層需具備以下特征:基層需具備較強(qiáng)的抗沖刷能力,基層剛度較高?;鶎右话銜?huì)使用貧混凝土、碾壓混凝土、水泥穩(wěn)定粒料或者是瀝青混凝土等。貧混凝土基層的最小厚度不得小于150mm,穩(wěn)定類基層的厚度最小不得小于200mm。對(duì)該道路的重載交通特征和混凝土路面的結(jié)構(gòu)組合以及日常使用情況進(jìn)行綜合分析,決定采用如下路面結(jié)構(gòu)形式,如表3所示。

        表3 路面基本結(jié)構(gòu)

        該工程的道路結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)如下:①就道路抗沖刷角度來(lái)說(shuō),可先采用貧混凝土基層,從經(jīng)濟(jì)層面考量,使用水泥穩(wěn)定粒料較為適宜;②底基層的優(yōu)先順序?yàn)橄人喾€(wěn)定粒料,其次為二灰穩(wěn)定粒料,厚度設(shè)置為20cm;③土基回彈模量不小于40MPa,若小于40MPa,則需要對(duì)土基進(jìn)行適當(dāng)處理,如路基過(guò)于潮濕、濕潤(rùn),則需要換填砂、砂礫、碎石等,或者摻入消石灰、固話材料等,同時(shí),需要科學(xué)設(shè)置道路排水系統(tǒng)。

        4.2 混凝土面板厚度設(shè)計(jì)

        4.2.1 疲勞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的板厚計(jì)算

        疲勞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的板厚計(jì)算是將當(dāng)前的設(shè)計(jì)規(guī)范作為參考依據(jù),并按照彈性半無(wú)限地基上的彈性薄板為理論基礎(chǔ),將縱縫邊緣中部作為臨界荷位,以疲勞破壞作為臨界破壞狀態(tài),設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是荷載疲勞應(yīng)力σpr以及溫度疲勞應(yīng)力σtr的總和與可靠度系數(shù)相乘,不得超過(guò)混凝土的設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度,即:γr(σpr+ σtr)≤fr。

        式中:γr為可靠度系數(shù),需要根據(jù)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)可靠度和變異水平等級(jí)進(jìn)行設(shè)置;σpr為行車荷載疲勞應(yīng)力;σtr為臨界荷位處的溫度梯度疲勞應(yīng)力;fr為混凝土的設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度。

        4.2.2 極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的板厚驗(yàn)算

        水泥混凝土板厚需對(duì)混凝土板的最大荷載應(yīng)力以及溫度應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算之后方可確認(rèn)。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為板中可能出現(xiàn)的最大行車荷載應(yīng)力以及溫度應(yīng)力的總和需小于水泥混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度f(wàn)r,即:σp1+σt1≤fr。式中:σp1為一次最大行車荷載作用下的計(jì)算荷載應(yīng)力;σt1為最大溫度梯度時(shí)混凝土板的溫度翹曲應(yīng)力。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        綜上所述,為了保證修建水泥混凝土路面能滿足設(shè)計(jì)使用要求,在有條件的情況下,可設(shè)置長(zhǎng)期軸重觀測(cè)設(shè)備,通過(guò)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。只要充分認(rèn)識(shí)大型水電站運(yùn)輸情況,通過(guò)對(duì)施工車輛和運(yùn)輸車輛的定性分析,采用實(shí)際可行的數(shù)據(jù)進(jìn)行道路設(shè)計(jì)和道路施工,發(fā)揮混凝土路面結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和預(yù)期。由于各大型水電站超載車輛的超載率及通行量無(wú)法按照同一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制,采用較大值對(duì)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行控制,增強(qiáng)大型水電站超載車輛對(duì)路面結(jié)構(gòu)損壞的抵抗能力,但超載車輛對(duì)路面結(jié)構(gòu)的損壞依然嚴(yán)重。所以在水電站施工組織設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)運(yùn)輸車輛限載,合理安排施工工期,才能從源頭上避免水泥混凝土路面損壞,增加水電站運(yùn)輸?shù)缆返氖褂脡勖瑴p少不必要維修維護(hù)費(fèi)用。

        [1]祝云琪,凌建明.上海地區(qū)重載交通水泥混凝土路面面板設(shè)計(jì)厚度分析[J].公路工程,2009,34(4):37~41.

        [2]胡繼明.工礦區(qū)重載交通水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)組合特征探究[J].科技視界,2012(30):386.

        [3]劉建軍.重載交通作用下水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析[J].內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸,2010(6):52~54.

        [4]王 榮,胡昌斌.高溫氣候重載水泥混凝土路面典型結(jié)構(gòu)受力特性研究[J].武夷學(xué)院學(xué)報(bào),2013,32(5):99~104.

        U414

        A

        2095-2066(2016)34-0108-02

        2016-11-10

        文劍鋒(1984-),男,工程師,本科,主要從事水工建筑設(shè)計(jì)和公路設(shè)計(jì)工作。

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