裝配式預應力混凝土路面結構設計研究

周 俊，徐佳誠，閆 壘，于 翔

（1.江蘇宿遷交通工程建設有限公司，江蘇 宿遷 223800；2.南京工業大學道路工程研究所，江蘇 南京 211816）

0 引 言

近年來，國家大力發展基礎建設，促進了我國公路建設的快速發展。依據我國交通發展方向和特點，瀝青路面因施工便捷、行車舒適等優點已成為主導路面，但瀝青路面建設是高能耗、高污染的行業[1]。相較于瀝青路面，水泥路面的原材料更易獲得，因其抗壓強度高、剛度較大、耐久性較強、使用壽命長而被廣泛使用[2]，但由于硅酸鹽水泥混凝土的性質，現澆水泥混凝土路面養護時間長、強度增長慢、開放交通晚，無法滿足路面快速施工的要求。

為了在道路施工中實現“四節一環保”（節能、節材、節水、節地和環境保護）的可持續發展戰略[3]，本文基于綠色建筑和智能建造技術理論開發了一種新型可循環使用的路面體系，即裝配式預應力混凝土路面。這種路面既可廣泛應用于公路新建、改擴建和養護工程，也可用于地震、泥石流等極端自然災害條件下的道路搶修。

1 裝配式路面結構設計

裝配式預應力混凝土路面是由一系列經特殊結構設計的預制面板組成，通過鋼絞線采用后張法將預應力施加到路面板中，可提高路面結構性能和耐久性，同時可降低路面板厚度[4]。具體的預制面板結構如圖1所示。

圖1 預制面板

如圖1（a）所示，連接板位于裝配式路面的兩端，每塊連接板之間包含一個伸縮縫，主要“吸收”因溫度變化產生的膨脹和收縮運動。連接板的一端為伸縮縫的位置，另一端是剪切鍵，用于與基礎板嵌鎖搭接。錨固槽預留在連接板的中部，用于錨固縱向預應力鋼絞線。

如圖1（b）所示，基礎板是連接板和中央應力板之間的“填充面板”，其數量取決于裝配式路面的長度（伸縮縫之間）。基礎板邊緣的剪切鍵，確保面板在拼裝時能正確對齊。此外，縱向預應力筋孔道被澆筑在板中間，孔道在整塊面板上等距分布。

第三種類型的面板是中央應力板，如圖1（c）所示。中央應力板與基礎板類似，不同之處在于在每個預應力筋孔道處設有全深度的張拉槽。為了防止面板受到穿孔弱化的影響，全深度的張拉槽在兩個相鄰的中央應力板之間交替排列，確保面板獲得足夠的剛度。將預應力鋼絞線從張拉槽穿入，在錨固槽處穿出并錨固，并在張拉槽區域進行對稱張拉。張拉完成后，張拉槽區域填充快凝混凝土，以便快速開放交通。

典型的裝配式預應力面板組件如圖2所示。裝配式預應力路面由3種類型的面板組成，面板將按照順序放置，從連接板開始，基礎板放置在連接板后，然后是2塊中央應力板，之后是其他的基礎板和第二塊連接板。在所有的面板都安裝到位后，將預應力筋通過中央應力板的張拉槽插入孔道中，并穿過縱向預應力孔道穿入連接板的錨固槽進行錨固，將預應力筋從張拉槽對稱張拉。最后，在基礎板的張拉槽和連接板處的錨固槽填充快凝混凝土，以供車輛平穩行駛。

圖2 典型的裝配式預應力路面組件

2 接縫及吊裝點位設計

水泥混凝土路面的接縫主要有3種：集料嵌鎖、傳力桿和企口縫。本文研究的裝配式預應力路面，接縫傳荷主要由預應力鋼絞線和企口縫傳荷。企口縫使用的結構主要為梯形企口縫和圓形企口縫[5]。梯形企口縫在使用時板與板之間的嵌鎖作用強于圓形企口縫，因此，本文使用梯形企口縫作為接縫形式。不同的榫頭坡度對應的接縫傳荷能力不同，當榫頭坡度1∶4、榫頭厚度4 cm時，企口縫的傳荷能力最好。因此，本路面結構采用這種企口尺寸。圖3為鍵槽尺寸示意圖。本次梯形企口縫是沿面板邊緣連續的剪切鍵槽。這些連續剪切鍵槽有助于確保面板在安裝時垂直對齊，有利于實現路面快速組裝。

圖3 裝配式面板的鍵槽尺寸（單位：mm）

吊裝施工是預制拼裝過程中必不可少的步驟，吊裝位置的選擇對預制板內產生的應力有很大影響。本文采用四點吊裝方式，能均勻分配負載，減少吊裝面板時擺動的幅度[6]。為加快面板的吊裝速率，在每個面板中澆筑4個吊裝錨，它們位于距離面板邊緣0.2L位置處。其中，L是指面板的長度。

3 裝配式路面模型制作

全尺寸的預制板在實驗室成型較為困難，因此對實體模型進行等比例縮放，擬定了多種幾何相似的路面板試驗模型。最終確定以1∶3.75的相似比制作路面板試驗模型[7]，路面厚度保持不變。

根據實驗室內場地規劃、相應的技術標準和預制面板的圖紙尺寸，采用木模板制作三類面板。各個類型的預制板模板如圖4所示。試驗模型路的預制面板共計8塊。由于實驗場地限制要求，8塊板分三次預制完成。在混凝土攤鋪前，仔細校核木模板的支撐部件、標高、預應力鋼絞線位置等。校核完成后，用小型攪拌機拌合混凝土，用推車配合鐵鍬把混凝土攤鋪在模板內。如圖5所示，澆筑應連續，非必要條件下禁止施工過程間斷。混凝土的振搗采用插入式振搗器，振搗時先在模板邊緣振搗，緊接著采用“梅花”點狀插入式振搗中部，盡量避免振搗器和PVC管道碰撞，避免漏振、過振，做到緊插慢拔，預制完成后進行覆蓋保溫，養生28 d。

圖4 木模板示意圖

圖5 預制面板澆筑

4 裝配工藝

在預制面板澆筑完成后，通常可以在澆筑24 h后進行拆模。由于冬季氣溫較低，早晚溫差比較大，脫模時間延長至5 d。滿足脫模要求后，將面板從模板中取下并堆疊。預制面板拼裝的順序為連接板→基礎板→中央應力板→基礎板→連接板。裝配式路面板在進行拼裝時，首先利用壓路機將基層部分壓實，表面整平，利用叉車通過吊鉤將預制面板吊起至指定區域內進行初步就位。在進行拼裝時將設有凸榫和凹槽的連續剪切鍵配對組裝，以提供平整的行駛面，裝配式路面板的裝配張拉工藝如圖6所示。

圖6 裝配式路面施工工藝

在預制面板拼裝完成后，將預應力鋼絞線從中央應力板的張拉槽兩端穿入，在錨固槽穿出。由于按照相似比計算的張拉槽尺寸較小，不足以實現千斤頂張拉操作，故本次試驗方案采取在張拉槽處錨固，在兩端進行分級對稱張拉。本試驗模型路里面共配置了8根預應力鋼絞線，每邊4根，如圖7（a）所示，從左往右依次為鋼束1～鋼束4，對稱交錯布置。

鋼絞線張拉時采用單孔夾片錨，一端錨固，在另一端張拉，張拉設備采用穿頭式千斤頂，張拉順序為鋼束2→鋼束3→鋼束1→鋼束4。每根預應力鋼絞線按照20%、40%、70%、100%的張拉力分4級對稱張拉。張拉鋼絞線的順序由內到外，張拉過程如圖7（b）所示。

圖7 張拉預應力鋼絞線

5 結語

本文對預應力裝配式路面的結構，包括裝配式面板的結構設計、接縫和吊點位置進行了詳細介紹。由于試驗場地的限制，對裝配式路面按照1∶3.75的相似比制作了試驗模型，路面厚度保持不變。通過預應力鋼絞線，對預制面板進行對稱分級張拉并錨固。此裝配式路面可標準化設計、工廠化預制和現場模塊化安裝，施工速度快，施工環境不受極端天氣的影響，使用性能優異，既可廣泛應用于公路新建、改擴建和養護工程，也可用于地震、泥石流等極端自然災害條件下的道路搶修。