[科普中国]-预力混凝土路面

简介

对混凝土路面施加预应力,可使得路面板薄而长,行车舒适、不开裂、受力性能好,而且维护成本低。预应力混凝土路面的研究始于20世纪30年代,那时预应力刚开始在房屋建筑中应用。当今,在桥梁、房屋建筑以及特种结构领域,预应力混凝土已经占有了重要的地位;然而,在路面上的应用仍然处于试验阶段。其主要原因在于混凝土路面的经济性、设计标准及施工工艺。采用通常的施工工艺,预应力混凝土路面的成本及施工速度等优势难以显现出来。此外,只有极少数的路面工程师熟悉预应力混凝土路面的设计和施工。随着硬件条件的改善和工程实践的积累,也开始出现了一些试验性路面。美国ACI325发布了三个有关预应力混凝土路面的报告。我国也进行了预应力混凝土试验路面研究。现有的设计标准都基于预应力混凝土路面的弹性工作性能。然而,不管是高速公路路面还是机场跑道,交通荷载往往反复变化于极大和极小之间,超载现象十分严重,即使在预应力混凝土路面板中,超载时也会出现裂缝。据此,基于三种不同设计理念—弹性设计准则、疲劳设计准则和开裂恢复设计准则,提出预应力路面的综合设计方法,考虑超载、疲劳、开裂恢复和早期开裂等多种因素对预应力混凝土路面性能的影响。1

设计准则如果对预应力混凝土路面板逐步施加车轮荷载,预应力混凝土板将从弹性变形直至荷载所产生的正弯矩超过混凝土的抗弯承载力与所施加的预应力的和。在第一条裂缝出现后,板由于塑性铰产生弯矩重分布,从而导致负弯矩的急剧增加。如果负弯矩值超过了路面板的抗弯承载力,在板的顶端将出现受拉裂缝,并最终在板的上表面形成环状的裂缝,可认为板已经破坏。如果荷载继续增加或者在这个点附近反复作用,板将出现竖向剪切破坏,荷载将冲切穿透板。关于预压应力大小的选择,有三种不同的设计理念：

弹性设计准则该准则完全基于预应力混凝土路面板未开裂时的弹性工作性能。设计时,还要考虑混凝土的强度安全系数。大多数的工程师都比较倾向于使用这个简单、直观的公式,因为这个公式采用提高预应力水平抵抗开裂,以确保混凝土的弹性工作状态。这种方法即意味着设计准则为不允许板中出现任何的裂缝,显然过于保守。

疲劳设计准则该准则建立在对混凝土在反复荷载下性能研究的基础上。它考虑了应力大小和循环次数对板破坏的影响。该设计准则的独特之处是面向疲劳破坏的。

开裂恢复设计准则该准则允许板中出现塑性和弯矩重分布。因此,设计荷载需要考虑路面荷载和交通量的组合。这种荷载的组合产生的径向负弯矩将在板的上表面引起初始裂缝。预应力混凝土路面板的这种工作模型已经通过一个全面加速交通实验模型进行了验证。预应力的最大优势在于使得混凝土在塑性阶段仍然能够很好的工作,较非预应力混凝土板大大提高了承载力。1

设计程序初步设计在预应力混凝土路面板的设计和施工中,大多数的因素都是相互影响的,并且依赖于现场的条件,如交通荷载、交通量和基础类型等。

（1）板长

在满足经济性和施工便利的条件下,应该将板尽量延长,以减少接缝的数量。板长是多个参数的函数,其中包括接缝宽度、预压应力、路基摩阻力的大小等。但是,决定板长的主要因素是接缝的宽度。对于预应力板,长度一般为90-180m。

（2）板厚

在相同的荷载下,预应力混凝土板的厚度比普通板要薄得多,为普通板厚的0.6倍。厚度在巧一2c0m之间,这能完全满足一般的路基要求。

（3）预应力

施加预应力的主要目的在于抵消由于交通荷载产生的弯曲应力,并尽可能地防止在长板中产生横向裂缝。必要时可施加横向预应力,如机场路面。最常使用的是分阶段张拉无粘结预应力技术。预应力混凝土路面板通常使用高强无粘结预应力筋,力筋须放在距上表面0.6倍的厚度处。

（4）挠度

由于预应力板比一般的板要薄,所以挠度成为设计中的一个主要考虑因素,必须加以验证。为减少其挠度,建议选择抗压模量较大的路基和基层,并在路面板端部的横向接缝处增加板的厚度。

设计步骤预应力混凝土路面板的设计过程包括以下几个步骤:

（1）初步确定板的厚度;

（2）计算结构同时承受交通荷载和环境影响荷载时的临界应力、应变和挠度;

（3）应用设计准则计算并进行比较；

（4）调整结构以达到要求的结果,包括改变板的厚度、混凝土的强度或者预应力的大小。

预应力混凝土路面的设计过程可通过计算机程序实现。1

斜向与纵向预应力路面对比斜向预应力混凝土路面优越于纵向预应力混凝土路面主要表现在以下几点：

（1）由于预应力筋采用了斜向布置的方式，其张拉后对路面产生纵向和横向两个方向上的预应力，约束了混凝土路面的双向变形，克服了纵横向裂缝的出现，从而有效的延长了路面的使用寿命。

（2）斜向预应力混凝土路面因预应力筋斜向布置张拉，可以实现连续不间断施工，从而提高了施工进度。斜向预应力混凝土路面只需在路面两端布置少量构造钢筋，不需要角隅钢筋、传力杆、纵向钢筋，减少了施工程序，节省了钢筋用量。

（3）斜向预应力混凝土路面由于接缝数量大大减少，在很大程度上避免了路面接缝病害的产生，增强了路面的稳定性和耐久性，同时，路面行车噪音被有效降低，行车舒适性大大改善。斜向预应力混凝土路面由于同时受到横向和纵向的约束力，混凝土的密实性增大，微裂缝减少，抗渗性提高，表面抗剥落和抗盐腐蚀性增强。

总的来说，斜向预应力混凝土路面具有普通水泥混凝土路面、纵向预应力混凝土路面不可比拟的优点。不仅可提高混凝土路面的稳定性和行车舒适性，而且可实现连续施工。同时由于我国水泥混凝土路面的数量将逐渐增加，对路面使用品质的要求也将不断提高，认真深入研究斜向预应力混凝土路面，并将其大规模推广应用，会极大地改良水泥混凝土路面的使用品质和性能，促进公路事业又好又快的发展。因此，斜向预应力混凝土路面的分析探讨具有显著的实际作用，其研究成果具有广阔的应用前景。

未来发展综合国内外研究，目前预应力混凝土路面已由传统的纵向预应力形式发展到今天的斜向形式，接下来斜向预应力混凝土路面急需被推广应用，这对水泥混凝土路面在公路中的推广具有重要的现实意义，其研究成果具有广阔的应用前景和经济社会效益。斜向预应力混凝土路面是在路面内部布置与路面纵向呈一定角度的预应力钢筋，预应力筋张拉后路面纵横向都受到预加力的约束，路面的整体承载力得到增长。2