預力混凝土路面是對混凝土路面施加預應力的路面,可使得路面板薄而長,行車舒適、不開裂、受力性能好,而且維護成本低。基於三種不同設計理念—彈性設計準則、疲勞設計準則和開裂恢復設計準則,提出了預應力路面的綜合設計方法,考慮超載、疲勞、開裂恢復和早期開裂等多種因素對預應力混凝土路面性能的影響。
基本介紹
- 中文名：預力混凝土路面
- 外文名：Prestressed concrete pavement
- 所屬學科：土木工程
- 優點：行車舒適、不開裂、受力性能好
- 影響因素：超載、疲勞、開裂恢復
- 設計理念：彈性、疲勞、開裂恢復設計
簡介,設計準則,彈性設計準則,疲勞設計準則,開裂恢復設計準則,設計程式,初步設計,設計步驟,斜向與縱向預應力路面對比,未來發展,
簡介
對混凝土路面施加預應力,可使得路面板薄而長,行車舒適、不開裂、受力性能好,而且維護成本低。預應力混凝土路面的研究始於20世紀30年代,那時預應力剛開始在房屋建築中套用。當今,在橋樑、房屋建築以及特種結構領域,預應力混凝土已經占有了重要的地位;然而,在路面上的套用仍然處於試驗階段。其主要原因在於混凝土路面的經濟性、設計標準及施工工藝。採用通常的施工工藝,預應力混凝土路面的成本及施工速度等優勢難以顯現出來。此外,只有極少數的路面工程師熟悉預應力混凝土路面的設計和施工。隨著硬體條件的改善和工程實踐的積累,也開始出現了一些試驗性路面。美國ACI325發布了三個有關預應力混凝土路面的報告。我國也進行了預應力混凝土試驗路面研究。現有的設計標準都基於預應力混凝土路面的彈性工作性能。然而,不管是高速公路路面還是機場跑道,交通荷載往往反覆變化於極大和極小之間,超載現象十分嚴重,即使在預應力混凝土路面板中,超載時也會出現裂縫。據此,基於三種不同設計理念—彈性設計準則、疲勞設計準則和開裂恢復設計準則,提出預應力路面的綜合設計方法,考慮超載、疲勞、開裂恢復和早期開裂等多種因素對預應力混凝土路面性能的影響。
設計準則
如果對預應力混凝土路面板逐步施加車輪荷載,預應力混凝土板將從彈性變形直至荷載所產生的正彎矩超過混凝土的抗彎承載力與所施加的預應力的和。在第一條裂縫出現後,板由於塑性鉸產生彎矩重分布,從而導致負彎矩的急劇增加。如果負彎矩值超過了路面板的抗彎承載力,在板的頂端將出現受拉裂縫,並最終在板的上表面形成環狀的裂縫,可認為板已經破壞。如果荷載繼續增加或者在這個點附近反覆作用,板將出現豎向剪下破壞,荷載將沖切穿透板。關於預壓應力大小的選擇,有三種不同的設計理念：
彈性設計準則
該準則完全基於預應力混凝土路面板未開裂時的彈性工作性能。設計時,還要考慮混凝土的強度安全係數。大多數的工程師都比較傾向於使用這個簡單、直觀的公式,因為這個公式採用提高預應力水平抵抗開裂,以確保混凝土的彈性工作狀態。這種方法即意味著設計準則為不允許板中出現任何的裂縫,顯然過於保守。
疲勞設計準則
該準則建立在對混凝土在反覆荷載下性能研究的基礎上。它考慮了應力大小和循環次數對板破壞的影響。該設計準則的獨特之處是面向疲勞破壞的。
開裂恢復設計準則
該準則允許板中出現塑性和彎矩重分布。因此,設計荷載需要考慮路面荷載和交通量的組合。這種荷載的組合產生的徑向負彎矩將在板的上表面引起初始裂縫。預應力混凝土路面板的這種工作模型已經通過一個全面加速交通實驗模型進行了驗證。預應力的最大優勢在於使得混凝土在塑性階段仍然能夠很好的工作,較非預應力混凝土板大大提高了承載力。
設計程式
初步設計
在預應力混凝土路面板的設計和施工中,大多數的因素都是相互影響的,並且依賴於現場的條件,如交通荷載、交通量和基礎類型等。
（1）板長
在滿足經濟性和施工便利的條件下,應該將板儘量延長,以減少接縫的數量。板長是多個參數的函式,其中包括接縫寬度、預壓應力、路基摩阻力的大小等。但是,決定板長的主要因素是接縫的寬度。對於預應力板,長度一般為90-180m。
（2）板厚
在相同的荷載下,預應力混凝土板的厚度比普通板要薄得多,為普通板厚的0.6倍。厚度在巧一2c0m之間,這能完全滿足一般的路基要求。
（3）預應力
施加預應力的主要目的在於抵消由於交通荷載產生的彎曲應力,並儘可能地防止在長板中產生橫向裂縫。必要時可施加橫向預應力,如機場路面。最常使用的是分階段張拉無粘結預應力技術。預應力混凝土路面板通常使用高強無粘結預應力筋,力筋須放在距上表面0.6倍的厚度處。
（4）撓度
由於預應力板比一般的板要薄,所以撓度成為設計中的一個主要考慮因素,必須加以驗證。為減少其撓度,建議選擇抗壓模量較大的路基和基層,並在路面板端部的橫向接縫處增加板的厚度。
設計步驟
預應力混凝土路面板的設計過程包括以下幾個步驟:
（1）初步確定板的厚度;
（2）計算結構同時承受交通荷載和環境影響荷載時的臨界應力、應變和撓度;
（3）套用設計準則計算並進行比較；
（4）調整結構以達到要求的結果,包括改變板的厚度、混凝土的強度或者預應力的大小。
預應力混凝土路面的設計過程可通過電腦程式實現。
斜向與縱向預應力路面對比
斜向預應力混凝土路面優越於縱向預應力混凝土路面主要表現在以下幾點：
（2）斜向預應力混凝土路面因預應力筋斜向布置張拉，可以實現連續不間斷施工，從而提高了施工進度。斜向預應力混凝土路面只需在路面兩端布置少量構造鋼筋，不需要角隅鋼筋、傳力桿、縱向鋼筋，減少了施工程式，節省了鋼筋用量。
（3）斜向預應力混凝土路面由於接縫數量大大減少，在很大程度上避免了路面接縫病害的產生，增強了路面的穩定性和耐久性，同時，路面行車噪音被有效降低，行車舒適性大大改善。斜向預應力混凝土路面由於同時受到橫向和縱向的約束力，混凝土的密實性增大，微裂縫減少，抗滲性提高，表面抗剝落和抗鹽腐蝕性增強。
總的來說，斜向預應力混凝土路面具有普通水泥混凝土路面、縱向預應力混凝土路面不可比擬的優點。不僅可提高混凝土路面的穩定性和行車舒適性，而且可實現連續施工。同時由於我國水泥混凝土路面的數量將逐漸增加，對路面使用品質的要求也將不斷提高，認真深入研究斜向預應力混凝土路面，並將其大規模推廣套用，會極大地改良水泥混凝土路面的使用品質和性能，促進公路事業又好又快的發展。因此，斜向預應力混凝土路面的分析探討具有顯著的實際作用，其研究成果具有廣闊的套用前景。
未來發展
綜合國內外研究，目前預應力混凝土路面已由傳統的縱向預應力形式發展到今天的斜向形式，接下來斜向預應力混凝土路面急需被推廣套用，這對水泥混凝土路面在公路中的推廣具有重要的現實意義，其研究成果具有廣闊的套用前景和經濟社會效益。斜向預應力混凝土路面是在路面內部布置與路面縱向呈一定角度的預應力鋼筋，預應力筋張拉後路面縱橫向都受到預加力的約束，路面的整體承載力得到增長。
