对预应力混凝土路面设计方法研究

对预应力混凝土路面设计方法研究

众所周知，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。由于预应力混凝土路面提高了截面的实际抗弯强度，因而在相同的荷载作用下，路面板的厚度比普通混凝土路面要薄，一般为10～15cm。如果再薄会使路面板产生过大的挠度，对路面板的耐久性和地基的稳定性都不利，另外，也增大了施工难度。

标签：预应力 混凝土 设计

在中国，优质沥青主要依靠进口，价格昂贵，而水泥资源相对丰富，因此，水泥混凝土路面近几年得到迅速发展。从中国路面的现状来看，普通混凝土路面常发生挤碎、拱起、错台、唧泥等病害，很有必要对现有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，有必要开展特殊混凝土路面的研究工作。预应力混凝土路面是种预先加入预应力增加受拉强度的路面。它的长期使用性能明显比其它的混凝土路面好，并且，由于板长长，接缝少，改善了行车舒适性。中国预应力混凝土路面的研究尚属起步阶段，由东南大学交通学院和江苏省交通厅共同承担预应力混凝土试验路的设计。

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。

一、预应力混凝土路面的优缺点

许多研究工作表明预应力混凝土路面有以下几方面的优势：

(1)路面板厚度只需传统混凝土路面板厚的40%～60%，就能提供很高的承载力和较高的抗变形能力，对减薄机场道面的厚度非常有利。

(2)预应力混凝土路面由于板较长，接缝数量可大大减少，改善了行车的平稳性。

(3)预应力的存在使路面板体性较强，边角软弱部分得以改善，大大减少了横向开裂的可能性，提高了路面的耐久性。

(4)预应力混凝土路面的用筋量少于除贫混凝土外其他路面。

(5)从国外已建路面的使用状况来看，预应力混凝土路面几乎30年不需大修，

养护需求也较少。

其主要缺点在于：

(1)从经济观点来看，虽减薄了路面板的厚度，但需大量的预应力筋腱，施工工艺较复杂，手工操作的工作量大，难以实现机械化、自动化施工，初期投资较大。

(2)虽然预应力混凝土路面板可以做得较长，但随长度的增加，由路基约束所引起的张拉应力也随之增大，另外，板的位移量也会增大，这对横向接缝的设计要求很严，同时对路基摩擦约束要尽可能小。

(3)对施工队伍人员素质要求较高，并需进行严格的质量控制。

二、预应力混凝土路面的设计

1、预应力路面的结构构造和组合设计

路基、垫层、基层、路面横向坡度、路肩、排水及材料选型与要求等与普通混凝土路面相同。尽管预应力路面在较弱的地基上，仍然表现出令人满意的性能，但考虑到路面板较薄，为了防止路面的破坏，仍采用较强的地基，同普通混凝土路面。

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。

1.1临界荷位

根据有限元分析可知，产生最大综合损坏的临界荷位，应选用板的纵缝边缘中部。

1.2推荐设计程序

由于预应力路面的板厚和板端预应力值均为未知，因此，必须给定一个量，方能计算求解。推荐下列设计步骤：

(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［3］。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。

2、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。

3、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。

参考文献：

[1]范立础.预应力混凝土连续梁.北京：人民交通出版社，1988

[2]JTJ041-公路桥涵施工技术规范.北京：人民交通出版社，19

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”