预应力混凝土路面设计浅论

发布时间：2022-10-05 10:06 热度：

　　摘要：预应力水泥混凝土路面具有强度高、接缝少、不易出现病害和设计使用寿命长等优点。为降低造价、连续施工,提出斜张法双向预应力水泥混凝土路面的新概念。

　　关键词：混凝土 预应力 混凝土路面

　　虽然预应力的原理被广泛地应用于建筑、桥梁等领域，但在道路上的应用却刚刚兴起,混凝土的主要特性就是抗压强度远大于抗拉强度,预应力混凝土路面就是充分利用这一特性，事先在工作截面上施加压应力，以提高它的抗弯拉强度，提高承受荷载能力。普通混凝土路面投入运营一段时间后由于路面配筋少易产生裂缝、沉陷、严重破碎板、板角断裂、拱起、唧泥等病害，使路面使用性能下降，影响行车舒适性，因此很有必要对传统混凝土路面进行结构和技术的革新。由于预应力混凝土路面具有很多传统的混凝土路面无法比拟的优点，加之近代预应力技术有了新的发展，为改善传统路面的不足，适应交通运输的发展，有必要开展预应力混凝土路面的研究工作。

　　根据国外的设计经验，结合中国现行规范，建议预应力路面的设计标准为：以使用年限末期混凝土板出现疲劳开裂为临界状态，采用国外与国内相结合的方法进行设计。

　　合理的预应力路面设计应妥善地考虑下列因素：①路面使用年限和使用特征;②交通量和交通组成;③临界荷位;④混凝土强度与疲劳破坏;⑤土基和基层，即地基刚度和基层顶面摩阻系数;⑥荷载应力计算方法;⑦预应力路面接缝设计;⑧板端锚固区的设计;⑨预应力损失的计算;⑩排水设计。

　　预应力路面的结构构造和组合设计

　　预应力混凝土路面下路基应稳定、密实、均质，对路面结构提供均匀的支撑，路基填料的选择与路基施工工艺要求可同普通混凝土路面一致，应符合公路路基施工技术规范的有关要求。

　　与普通混凝土路面不同，预应力混凝土路面因其板长长，为防止过多的预应力损失和板底的不利约束，需对基层顶面进行处理，采用加铺滑动层来减小摩擦系数。

　　推荐设计程序：

　　(1)收集交通资料，根据普通混凝土路面设计参数的确定方法，计算设计车道使用年限内的标准轴载累计作用次数Ne，确定基层顶面的综合回弹模量Es、地基反应模量K及基层顶面的摩擦系数μ，确定混凝土的设计强度fcm和混凝土面板的最大温度梯度计算值Tg。

　　(2)预应力路面一般采用矩形，最合适的板长一般为90～210 m，过长需足够大的预应力克服板底摩擦阻力和预应力损失;过短则需较多的接缝和张拉点。根据当地环境状况选择适当的板长。气候干燥炎热的地方，建议取小值。结合路面的交通量和预应力筋所需的最小保护层，假定一个初始板厚。一般地，对于公路来说，预应力路面板厚应略大于相应素混凝土路面的0.65倍;对于机场而言，应是0.6倍。对于中国公路而言，考虑到运输繁忙和超载现象严重，建议预应力路面的板厚取相应素混凝土路面板厚的0.7～0.75倍。

　　接缝设计

　　预应力混凝土路面的接缝设计应遵循以下原则：①接缝必须能容许板端发生位移，能够不被压坏;②交通荷载不会使接缝产生过大的挠度的应力;③接缝材料必须耐磨、抗疲劳和防腐;④接缝应密封防止水和不可压缩的杂物进入;⑤损坏部分的修补应当方便易行;⑥接缝的施工程序应与预应力的张拉方法相协调;⑦接缝的建造费用应尽量低。

　　一般在板端接缝下设置钢筋混凝土枕梁，以提供接缝处较强的地基和路面的连续性。因预应力路面对接缝的要求较高，接缝的形式选择可参照桥梁中的伸缩缝。

　　预应力路面板端部锚固区设计

　　锚固区设计时既要保证在张拉钢筋时锚具下锚固区的混凝土不开裂和不产生过大的变形，又要求计算锚具下所需配置的间接钢筋须满足局部受压承载力的要求。

　　钢筋种类 后张预应力

　　碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线 0.75 fptk

　　冷拔低碳钢丝、热处理钢筋 0.7 fptk

　　冷拉钢筋 0.9 fpyk

　　纵向预应力筋设计

　　根据设计原理，可计算该路段所需最小的预应力。取强度安全系数为1.2，则混凝土的容许弯拉应力ft=4.17 MPa，温度应力fΔT=3.18 MPa，路基摩阻引起的应力fF=0.96 MPa，荷载应力fL=1.89 MPa。混凝土所需最小预压应力fp=fΔT+fF+fL-ft=1.86 MPa。

　　对于在一般气候环境下使用的预应力混凝土结构采用后张法预应力总损失为20%。采用后张拉，张拉的控制应力为σcon=0.75×Rby=1 395 MPa。

　　考虑混凝土板内部的预应力损失后，有效预应力为fs=0.8×1 395=1 116 MPa

　　横向配筋设计

　　不设横向预应力，仅配置足够的钢筋，其配筋设计参考连续配筋混凝土路面的配筋设计。

　　采用φ12的Ⅱ级螺纹钢筋为横向钢筋，间距为50 cm。

　　板的端部设计

　　(1)为防止板在端部发生局部承压破坏，因此，在板端设置由间距20 cm的φ10钢筋组成的6m×(3.75n-0.1)(n为半幅车道数)m的双层双向钢筋网。另外，在板端(包括伸缩缝)处设置有2 m×(3.75n)m的钢筋混凝土枕梁，以加固基层，防止板端和接缝处发生破坏。

　　(2)对于100 m长的预应力混凝土路面，伸缩缝的设计就显得非常重要。由于板底设置了滑动层，其摩擦系数较小(μ=0.8)，又因其板很长，所以季节性温度变化将引起板端较大的位移。假定预应力对温度引起的位移影响可忽略，按照素混凝土板较小初步计算，在年温差最大(与路面合拢温度T=20℃相比)ΔT=40℃时，板端位移可计算如下：滑动区长度，取L=50 m,则Δ=19.2 mm;经综合比较，采用GQF-C-80型伸缩缝(伸缩范围为14～94 mm)足以满足要求。

　　(3)预应力混凝土路面与普通混凝土路面之间设置4 m×(3.75n)m的后浇带(包括后浇混凝土封锚、伸缩缝的预留位置、后浇混凝土路面)，以便有充分的空间放置预应力筋的张拉设备。预应力混凝土路面与伸缩缝、伸缩缝与后浇混凝土路面之间均应设置连接钢筋，从而使伸缩缝能正常工作。

　　由于预应力混凝土路面具有很多传统的混凝土路面无法比拟的优点，随着我国交通建设的发展，预应力混凝土路面必将具有广阔的发展前景。