關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土路面的設(shè)計(jì)研究

摘要:眾所周知，混凝土的主要特性就是抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度。預(yù)應(yīng)力混凝土路面就是充分利用這一特性，事先在工作截面上施加壓應(yīng)力，以提高它的抗彎拉強(qiáng)度，提高承受荷載能力。由于預(yù)應(yīng)力混凝土路面具有很多傳統(tǒng)的混凝土路面無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，加之近代預(yù)應(yīng)力技術(shù)有了新的發(fā)展。為改善傳統(tǒng)路面的不足，適應(yīng)交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，有必要開(kāi)展特殊混凝土路面的研究工作。因?yàn)榛炷谅访娲嬖诘膬?yōu)勢(shì)與特色，本文就這種路面的應(yīng)用與設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。

關(guān)鍵詞:預(yù)應(yīng)力 混凝土 設(shè)計(jì)

合理的預(yù)應(yīng)力路面設(shè)計(jì)應(yīng)妥善地考慮下列因素:①路面使用年限和使用特征;②交通量和交通組成;③臨界荷位;④混凝土強(qiáng)度與疲勞破壞;⑤土基和基層，即地基剛度和基層頂面摩阻系數(shù);⑥荷載應(yīng)力計(jì)算方法;⑦預(yù)應(yīng)力路面接縫設(shè)計(jì);⑧板端錨固區(qū)的設(shè)計(jì);⑨預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算;⑩排水設(shè)計(jì)。

一、預(yù)應(yīng)力混凝土路面的優(yōu)缺點(diǎn)

許多研究工作表明預(yù)應(yīng)力混凝土路面有以下幾方面的優(yōu)勢(shì):

(1)路面板厚度只需傳統(tǒng)混凝土路面板厚的40%～60%，就能提供很高的承載

力和較高的抗變形能力，對(duì)減薄機(jī)場(chǎng)道面的厚度非常有利。

(2)預(yù)應(yīng)力混凝土路面由于板較長(zhǎng)，接縫數(shù)量可大大減少，改善了行車(chē)的平穩(wěn)性。

(3)預(yù)應(yīng)力的存在使路面板體性較強(qiáng)，邊角軟弱部分得以改善，大大減少了

橫向開(kāi)裂的可能性，提高了路面的耐久性。

(4)預(yù)應(yīng)力混凝土路面的用筋量少于除貧混凝土外其他路面。

(5)從國(guó)外已建路面的使用狀況來(lái)看，預(yù)應(yīng)力混凝土路面幾乎30年不需大修，養(yǎng)護(hù)需求也較少。

其主要缺點(diǎn)在于:

(1)從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)來(lái)看，雖減薄了路面板的厚度，但需大量的預(yù)應(yīng)力筋腱，施工工藝較復(fù)雜，手工操作的工作量大，難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化施工，初期投資較大。

(2)雖然預(yù)應(yīng)力混凝土路面板可以做得較長(zhǎng)，但隨長(zhǎng)度的增加，由路基約束所引起的張拉應(yīng)力也隨之增大，另外，板的位移量也會(huì)增大，這對(duì)橫向接縫的設(shè)計(jì)要求很?chē)?yán)，同時(shí)對(duì)路基摩擦約束要盡可能小。

(3)對(duì)施工隊(duì)伍人員素質(zhì)要求較高，并需進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。

二、預(yù)應(yīng)力混凝土路面的設(shè)計(jì)

1、預(yù)應(yīng)力路面的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和組合設(shè)計(jì)

路基、墊層、基層、路面橫向坡度、路肩、排水及材料選型與要求等與普通混凝土路面相同。盡管預(yù)應(yīng)力路面在較弱的地基上，仍然表現(xiàn)出令人滿意的性能，但考慮到路面板較薄，為了防止路面的破壞，仍采用較強(qiáng)的地基，同普通混凝土路面。

與普通混凝土路面不同，預(yù)應(yīng)力混凝土路面因其板長(zhǎng)長(zhǎng)，為防止過(guò)多的預(yù)應(yīng)力損失和板底的不利約束，需對(duì)基層頂面進(jìn)行處理，采用加鋪滑動(dòng)層來(lái)減小摩擦系數(shù)。

1.1臨界荷位

根據(jù)有限元分析可知，產(chǎn)生最大綜合損壞的臨界荷位，應(yīng)選用板的縱縫邊緣中部。

1.2推薦設(shè)計(jì)程序

由于預(yù)應(yīng)力路面的板厚和板端預(yù)應(yīng)力值均為未知，因此，必須給定一個(gè)量，方能計(jì)算求解。推薦下列設(shè)計(jì)步驟:

(1)收集交通資料，根據(jù)普通混凝土路面設(shè)計(jì)參數(shù)的確定方法，計(jì)算設(shè)計(jì)車(chē)道使用年限內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)Ne，確定基層頂面的綜合回彈模量Es、地基反應(yīng)模量K及基層頂面的摩擦系數(shù)μ，確定混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度f(wàn)cm和混凝土面板的最大溫度梯度計(jì)算值Tg。

(2)預(yù)應(yīng)力路面一般采用矩形，最合適的板長(zhǎng)一般為90～210 m，過(guò)長(zhǎng)需足夠大的預(yù)應(yīng)力克服板底摩擦阻力和預(yù)應(yīng)力損失;過(guò)短則需較多的接縫和張拉點(diǎn)。根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境狀況選擇適當(dāng)?shù)陌彘L(zhǎng)。氣候干燥炎熱的地方，建議取小值。結(jié)合路面的交通量和預(yù)應(yīng)力筋所需的最小保護(hù)層，假定一個(gè)初始板厚。一般地，對(duì)于公路來(lái)說(shuō)，預(yù)應(yīng)力路面板厚應(yīng)略大于相應(yīng)素混凝土路面的0.65倍;對(duì)于機(jī)場(chǎng)而言，應(yīng)是0.6倍[3]。對(duì)于中國(guó)公路而言，考慮到運(yùn)輸繁忙和超載現(xiàn)象嚴(yán)重，建議預(yù)應(yīng)力路面的板厚取相應(yīng)素混凝土路面板厚的0.7～0.75倍。

由式(6)進(jìn)行計(jì)算確定所需的預(yù)應(yīng)力值fp(式中:應(yīng)力比SR根據(jù)Ne查表2來(lái)確定)。

(1)

式中:符號(hào)意義同前。

從預(yù)應(yīng)力筋的實(shí)際間距和經(jīng)濟(jì)使用方面考慮，如果求得的預(yù)應(yīng)力值fp>4.5MPa，則需增大路面板厚，重新計(jì)算。

(4)預(yù)應(yīng)力筋的布置可按下式進(jìn)行確定。

(2)

式中:Yt為預(yù)應(yīng)力筋間距(cm);fs為預(yù)應(yīng)力筋中的容許張拉應(yīng)力(扣除預(yù)應(yīng)力損失)(MPa);As為預(yù)應(yīng)力筋截面積(cm2);h為所選路面板厚(cm);fp為由(3)確定的預(yù)應(yīng)力值(MPa)。

(5)根據(jù)(4)的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合所推薦的臨界荷位，采用有限元程序進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)為控制由荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力綜合疲勞作用所產(chǎn)生的疲勞斷裂，即

0.95σs≤σL+σt≤1.03σs(3)

式中:σL為標(biāo)準(zhǔn)軸載產(chǎn)生的最大縱向荷載應(yīng)力;σt為等效溫度梯度所產(chǎn)生的最大橫向溫度翹曲應(yīng)力;σs為混凝土的等價(jià)抗彎拉疲勞強(qiáng)度，σs=fcm+fp-fF，fcm、fF、fp含義同前。

(6)對(duì)于橫向預(yù)應(yīng)力的確定，根據(jù)(5)的計(jì)算所得的最大橫向應(yīng)力與混凝土的容許彎拉強(qiáng)度(建議取0.8倍的抗彎拉強(qiáng)度)的比較而定。對(duì)于橫向預(yù)應(yīng)力各國(guó)意見(jiàn)不統(tǒng)一，一般認(rèn)為，當(dāng)板寬不超過(guò)7 m時(shí)，可不設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力，但為了安全起見(jiàn)，要求在橫向配置一定數(shù)量的防止開(kāi)裂并起到固定、支撐縱向預(yù)應(yīng)力鋼索的構(gòu)造鋼筋。橫向鋼筋配置可按中國(guó)剛性路面設(shè)計(jì)規(guī)范中連續(xù)配筋混凝土路面選用。橫向鋼筋采用螺紋鋼筋，其最小配筋率為縱向配筋率β的1/8。并且布置應(yīng)符合:①橫向鋼筋間距不大于80 cm;②橫向鋼筋位于縱向鋼筋之下。

(4)

式中:Es為鋼筋彈性模量(MPa);fsy為鋼筋屈服強(qiáng)度(MPa);其余符號(hào)同前。

2、接縫設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力混凝土路面的接縫設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則:①接縫必須能容許板端發(fā)生位移，能夠不被壓壞;②交通荷載不會(huì)使接縫產(chǎn)生過(guò)大的撓度的應(yīng)力;③接縫材料必須耐磨、抗疲勞和防腐;④接縫應(yīng)密封防止水和不可壓縮的雜物進(jìn)入;⑤損壞部分的修補(bǔ)應(yīng)當(dāng)方便易行;⑥接縫的施工程序應(yīng)與預(yù)應(yīng)力的張拉方法相協(xié)調(diào);⑦接縫的建造費(fèi)用應(yīng)盡量低。

一般在板端接縫下設(shè)置鋼筋混凝土枕梁，以提供接縫處較強(qiáng)的地基和路面的連續(xù)性。因預(yù)應(yīng)力路面對(duì)接縫的要求較高，接縫的形式選擇可參照橋梁中的伸縮縫。

3、預(yù)應(yīng)力路面板端部錨固區(qū)設(shè)計(jì)

錨固區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)既要保證在張拉鋼筋時(shí)錨具下錨固區(qū)的混凝土不開(kāi)裂和不產(chǎn)生過(guò)大的變形，又要求計(jì)算錨具下所需配置的間接鋼筋須滿足局部受壓承載力的要求。