预应力混凝路面在路桥施工中的应用

预应力混凝路面在路桥施工中的应用

朱雪峰于强

摘要：点明了预应力混凝土路面的优缺点，重点讨论了它在路桥施工中的应用。

关键词：预应力混凝路面；路桥施工；应用

1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点：

（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的其他路面。据国外研究指出，用于正常预应力设计所需的钢筋量约为2.7125km/m这远少于连续配筋路面（在一些情况下可达1/5的用量）。

（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。对于较长使用年限的主要问题就是来自纹的磨耗，但预应力混凝土路面与传统混凝土路比较来看，初期投资大，但养护面的磨耗要小。就其费用与传统混凝土路面的费用比几乎为零，并且减少了由于养护所延误的时间等因素。

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。

2预应力混凝土路面类型

据现有资料，国外做法大致可将预应力路面分为两大类：“单独型”板的路面和“连续型”板的路面。“单独型”路面就是配置一定数量的预应力钢筋，由间隔较长的膨胀缝相隔离的路面组成。按施加预应力的先后次序又可分为先张法和后张法两种，这与房屋、桥梁上的做法相同，一般多采用后张法。“连续型”路面就是无筋路面，因无膨胀缝而得名，这种路面可以做得很长，按照施加预应力的方法可发为千斤顶加力和自加应力。千斤顶加力是一般在两个固定的锚固端间浇筑混凝土，并留有空隙放置加力千斤顶，待混凝土硬化达到规定强度后，用千斤顶从两端加力，达到规定压力时，将两端空隙封闭。自应力路面不用千斤顶加力，而是选用膨胀水泥，混凝土硬化，体积增大，由于两端受有约束而使混凝土自动产生内压应力。一般认为，“单独型”板的路面要好于“连续型”板的路面。主要原因一是扣除路基摩阻后的预应力在有膨胀缝路面中几乎保持常量，而在“连续型”板中，板不能自由膨胀，且又很长，从而使其应力随外界温度、湿度变化很大，很难对所需的预应力进行估计。因此，工程上多采用“单独型”路面，“连续型”路面还处于研究、试验阶段，实际应用不多。

3材料要求

预应力混凝土路面需要高质量的混凝土（高强度、低收缩和低徐变）。水灰比应尽可能小，以避免由于收缩和徐变引起过大的预应力损失。国外有报导，28d的抗压强度为21~56MPa，变拉模量为2.10~5.25MPa。一些实例中还使用矾土水泥，但其记载除了早期的一些室内试验外，很少有使用促凝剂或增加混凝土和易性的外加剂。

4设计方法

目前，世界各国对预应力混凝土路面的设计仍然没有一个统一的方法体系，而且在某种程度上都是经验性的，一般施工加足够的纵向预应力来防止横向收缩开裂。一般认为：板收缩时，温度翘曲约束应力使板底受压，这有助于预应力抵消由荷载和收缩引起的张拉应力；板膨胀时，由荷载和白天翘曲约束应力所抵消。因此，所施加的预应力主要由（1）交通荷载；（2）由温度和湿度所引起的翘曲约束；（3）板收缩期间的板底摩擦约束。三个因素所决定：

基本的设计方程式ft+fpfT+fF+fL

式中：fp-由预应力引起的混凝土中的压应力；

ft-混凝土的容许弯曲应力（混凝土弯析模量/安全系数）；

fT-由温度差引起的应力；

fF-由路基摩阻引起的应力；

fL-由荷载引起的弯曲应力。

温度应力：

如果假设温度梯度沿线性变化，那么就有fT=（EcacT2）/（1-V）

其中，Ec、ac、V分别为混凝土弹性模量、温度膨胀系数和泊松比。

路基摩阻引起的应力fF=×p×

其中，为路基摩阻系数，为混凝土的密度，X为距千斤顶的距离，当X=L/2（L为板长），fF达到最大。在确定预应力大小时，取Ff=×p×L/2。

荷载应力：

荷载应力计算目前都基于Westev-gaard公式。在设计中，板厚一般是根据预应力筋或套管所必须的覆盖层厚度来确定的，而非根据承载应力计算设计。预应力数值如下：公路上仅使用纵向钢索或纵横向都配置筋时，一般在0.63~2.87MPa；机场上平均值可达3.15MPa；当采用斜向钢索来产生纵向预应力时，平均值约为1.93MPa。当板宽不超过3.6m时，可不设横向预应力。

5路基约束

在任何混凝土板和其下的基层间都存在摩阻约束，该约束阻止板随温度、湿度的变化而移动。在预应力混凝土路面中，尽量减小该摩擦力是非常重要的，因为它是引起预应力损失的主要因素，同时它也决定着板的长度。尽管国外在这方面已做了不少工作，但摩擦系数的大小仍难以确定。有些部门建议摩擦的砂或石屑所组成的滑动层中也发现其值为1.25~2.0。许多室内试验所确定的摩擦系数都比现场的小，这是因为室内未能真实反映现场的状况条件所致。为了减小摩擦，通常采用一层砂土覆盖防水纸、砂和油毛毡或砂和聚乙烯薄膜。在这方面进行了许多尝试，还有使用沥青材料作滑动层的，但未见有成功报道，许多研究表明采用一薄层的同一粒径的球形颗粒（砂、石屑等）对于减小摩擦效果很好，其作用如同滚珠轴承。

6未来展望与进一步的研究

就目前而言，仍然缺少对预应力混凝土路面各方面的认识。预应力混凝土路面的设计理论和施工方法的发展将主要围绕以下几个方面：

（1）对各种板长所需的恰当的预应力。

（2）板的膨胀、收缩和翘曲特性。

（3）板的承载特性，其中包括研究预应力对板的承载能力的影响以及对板疲劳特性等的影响。在确定预应力时，不仅要防止在最不利的情况下开裂，而且还需考虑混凝土的疲劳特性。

（4）板与地基的摩擦特性及处理方法或经济的方法。已建的绝大多数预应力混凝土路面都属于“单独型”的，但该类路面不能做得很长（一般可达120m）。如果路基的摩擦问题解决了，并且对“连续型”的路面有了一定认识，那么修建长达300m或更长的路面是可能的。我们可从“单独型”和“连续型”路面的一些特性中看出：将这两类路面联合使用会更有利，“连续型”路面可用于路基状况好的直路上，“单独型”路面用于路基情况稍差和曲线路上。随着预应力混凝土路面的理论体系的成熟和施工技术的发展，预应力混凝土路面将会有良好的发展前景。