预应力混凝土路面的设计

众所周知,商品混凝土的主要特性就是抗压强度远大于抗拉强度。预应力商品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。由于预应力商品混凝土路面具有很多传统的商品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,有必要开展特殊商品混凝土路面的研究工作。因为商品混凝土路面存在的优势与特色,本文就这种路面的应用与设计进行了简要的分析。
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商品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、预应力商品混凝土路面的优缺点
许多研究工作表明预应力商品混凝土路面有以下几方面的优势:
(1)路面板厚度只需传统商品混凝土路面板厚的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)预应力商品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)预应力商品混凝土路面的用筋量少于除贫商品混凝土外其他路面。
(5)从国外已建路面的使用状况来看,预应力商品混凝土路面几乎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)虽然预应力商品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、预应力商品混凝土路面的设计
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商品混凝土路面相同。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,同普通商品混凝土路面。
与普通商品混凝土路面不同,预应力商品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,根据普通商品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,确定商品混凝土的设计强度fcm和商品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商品混凝土路面的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商品混凝土路面板厚的0.7～0.75倍。
由式(6)进行计算确定所需的预应力值fp(式中:应力比SR根据Ne查表2来确定)。
(1)
式中:符号意义同前。
从预应力筋的实际间距和经济使用方面考虑,如果求得的预应力值fp>4.5MPa,则需增大路面板厚,重新计算。
(4)预应力筋的布置可按下式进行确定。
(2)
式中:Yt为预应力筋间距(cm);fs为预应力筋中的容许张拉应力(扣除预应力损失)(MPa);As为预应力筋截面积(cm2);h为所选路面板厚(cm);fp为由(3)确定的预应力值(MPa)。
(5)根据(4)的计算结果,结合所推荐的临界荷位,采用有限元程序进行验算,验算标准为控制由荷载应力和温度应力综合疲劳作用所产生的疲劳断裂,即
0.95σs≤σL+σt≤1.03σs(3)
式中:σL为标准轴载产生的最大纵向荷载应力;σt为等效温度梯度所产生的最大横向温度翘曲应力;σs为商品混凝土的等价抗弯拉疲劳强度,σs=fcm+fp-fF,fcm、fF、fp含义同前。
(6)对于横向预应力的确定,根据(5)的计算所得的最大横向应力与商品混凝土的容许弯拉强度(建议取0.8倍的抗弯拉强度)的比较而定。对于横向预应力各国意见不统一,一般认为,当板宽不超过7 m时,可不设横向预应力,但为了安全起见,要求在横向配置一定数量的防止开裂并起到固定、支撑纵向预应力钢索的构造钢筋。横向钢筋配置可按中国刚性路面设计规范中连续配筋商品混凝土路面选用。横向钢筋采用螺纹钢筋,其最小配筋率为纵向配筋率β的1/8。并且布置应符合:①横向钢筋间距不大于80 cm;②横向钢筋位于纵向钢筋之下。
(4)
式中:Es为钢筋弹性模量(MPa);fsy为钢筋屈服强度(MPa);其余符号同前。
2、接缝设计
预应力商品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商品混凝土枕梁,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商品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。
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