摘 要: 對預應力混凝土路面設計進行研究, 提出設計準則, 并根據(jù)中國國情及交通狀況, 提出有關(guān)預應力路面板厚、預應力值大小、縱向預應力筋配置等的設計程序; 介紹了為減小預應力損失、防止局部受壓破壞以及為減小板底摩擦而采取的一些措施; 討論了路用材料的選擇, 并介紹了預應力試驗路的設計。測試及使用結(jié)果表明設計方法是可行且有效的。
關(guān)鍵詞: 路面設計; 預應力; 接縫
在中國, 優(yōu)質(zhì)瀝青主要依靠進口, 價格昂貴, 而水泥資源相對豐富, 因此, 水泥混凝土路面近幾年得到迅速發(fā)展。從中國路面的現(xiàn)狀來看, 普通混凝土路面常發(fā)生擠碎、拱起、錯臺、唧泥等病害, 很有必要對現(xiàn)有混凝土路面進行結(jié)構(gòu)和技術(shù)的革新。由于預應力混凝土路面具有很多傳統(tǒng)的混凝土路面無法比擬的優(yōu)點, 加之近代預應力技術(shù)有了新的發(fā)展。為改善傳統(tǒng)路面的不足, 適應交通運輸?shù)陌l(fā)展, 有必要開展特殊混凝土路面的研究工作。預應力混凝土路面是種預先加入預應力增加受拉強度的路面。它的長期使用性能明顯比其它的混凝土路面好, 并且, 由于板長長, 接縫少, 改善了行車舒適性。中國預應力混凝土路面的研究尚屬起步階段, 由東南大學交通學院和江蘇省交通廳共同承擔預應力混凝土試驗路的設計。
試驗路段位于南京新機場高速公路B 標段祿口互通式立交B 匝道上(BK0+ 080~BK0+ 180) ,為祿口開發(fā)區(qū)與寧溧公路間的連接道路。路基寬度19 m , 路面寬度14.4 m (2×7.2 m ) , 中央分隔帶寬1.6 m , 土路肩寬1.5 m。試驗路全長100m , 路面板寬為7.2 (單幅)。采用后張法施工。該試驗路竣工于1997 年6 月30 日, 測試工作將長期定時進行。
根據(jù)國外的設計經(jīng)驗, 結(jié)合中國現(xiàn)行規(guī)范, 認為預應力路面的設計標準為: 以使用年限末期混凝土板出現(xiàn)疲勞開裂為臨界狀態(tài), 采用國外與國內(nèi)相結(jié)合的方法進行設計。
合理的預應力路面設計應妥善地考慮下列因素: ①路面使用年限和使用特征; ②交通量和交通組成; ③臨界荷位; ④混凝土強度與疲勞破壞; ⑤土基和基層, 即地基剛度和基層頂面摩阻系數(shù); ⑥荷載應力計算方法; ⑦預應力路面接縫設計; ⑧板端錨固區(qū)的設計; ⑨預應力損失的計算; 10排水設計。
1 預應力路面設計依據(jù)
1.1 預應力路面的基本設計準則
一般認為, 路面中所施加的預應力大小主要由以下3 個因素所決定: 交通荷載、由溫度和濕度所引起的翹曲約束、板收縮期間的板底摩擦約束。
基本的設計方程為
f t + f p ≥ f △T + f F + f L (1)
式中: f p 為由預應力引起的混凝土中的壓應力; f t為混凝土的容許彎曲應力(混凝土抗折模量/安全系數(shù)) ; f △T 為由溫度差引起的應力; f F 為由路基摩阻引起的應力; f L 為由荷載引起的彎曲應力。
如果假設溫度梯度線性變化, 那么溫度應力為
式中: E c、α c、v c 分別為混凝土的彈性模量、溫度膨脹系數(shù)和泊松比。
路基摩阻引起的應力為
f F = µρχ (3)
式中:µ為面板與基層間的摩阻系數(shù); ρ為混凝土的密度; χ為距千斤頂?shù)木嚯x。當χ= L/2 (L 為板長) ,f F 達到最大, 取f F=µρL/2。
荷載應力用威斯特卡德(W estgaard) 公式計算
式中: P 為輪載; K 為地基反應模量; h 為路面板厚;b 為當量輪壓半徑。
1.2 重復荷載與混凝土的疲勞特性
在車輪荷載的重復作用下, 盡管荷載應力小于混凝土的極限抗彎拉強度, 路面板仍會產(chǎn)生疲勞破壞, 為此, 在設計時, 應以混凝土的疲勞特性為另一主要依據(jù)。在非預應力板中, 混凝土的疲勞是以應力比S R (承受多次重復荷載最后達到破壞的應力f t與一次達到破壞的應力f cm 的比值) 來衡量的。對于預應力路面, 應力比應是凈工作張拉力與凈開裂應力的比值, 由式(5) 進行計算。不同應力比的容許重復荷載次數(shù)如表1 所示。
式中: f cm 為混凝土設計彎拉強度(M Pa) ; 其余符號意義同前。
2 預應力路面設計
2.1 預應力路面的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和組合設計
路基、墊層、基層、路面橫向坡度、路肩、排水及材料選型與要求等與普通混凝土路面相同。盡管預應力路面在較弱的地基上, 仍然表現(xiàn)出令人滿意的性能, 但考慮到路面板較薄, 為了防止路面的破壞,仍采用較強的地基, 同普通混凝土路面。
與普通混凝土路面不同, 預應力混凝土路面因其板長長, 為防止過多的預應力損失和板底的不利約束, 需對基層頂面進行處理, 采用加鋪滑動層來減小摩擦系數(shù)。
2.1.1 臨界荷位
根據(jù)有限元分析可知, 產(chǎn)生最大綜合損壞的臨界荷位, 應選用板的縱縫邊緣中部。
2.1.2 推薦設計程序
由于預應力路面的板厚和板端預應力值均為未知, 因此, 必須給定一個量, 方能計算求解。推薦下列設計步驟:
(1) 收集交通資料, 根據(jù)普通混凝土路面設計參數(shù)的確定方法, 計算設計車道使用年限內(nèi)的標準軸載累計作用次數(shù)N e, 確定基層頂面的綜合回彈模量E s、地基反應模量K 及基層頂面的摩擦系數(shù)L, 確定混凝土的設計強度f cm 和混凝土面板的最大溫度梯度計算值T g。
(2) 預應力路面一般采用矩形, 最合適的板長一般為90~ 210 m , 過長需足夠大的預應力克服板底摩擦阻力和預應力損失; 過短則需較多的接縫和張拉點。根據(jù)當?shù)丨h(huán)境狀況選擇適當?shù)陌彘L。氣候干燥炎熱的地方, 建議取小值。結(jié)合路面的交通量和預應力筋所需的最小保護層, 假定一個初始板厚。一般地, 對于公路來說, 預應力路面板厚應略大于相應素混凝土路面的0.65 倍; 對于機場而言, 應是0.6倍。對于中國公路而言, 考慮到運輸繁忙和超載現(xiàn)象嚴重, 建議預應力路面的板厚取相應素混凝土路面板厚的0.7~ 0.75 倍。
(3) 根據(jù)兩個設計依據(jù)式(1) 和式(5) 可知, 須由式(6) 進行計算確定所需的預應力值f p (式中: 應力比S R 根據(jù)N e 查表2 來確定)。
式中: 符號意義同前。
從預應力筋的實際間距和經(jīng)濟使用方面考慮,如果求得的預應力值f p > 4.5M Pa, 則需增大路面板厚, 重新計算。
(4) 預應力筋的布置可按下式進行確定。
式中: Y t 為預應力筋間距(cm ) ; f s 為預應力筋中的容許張拉應力(扣除預應力損失) (M Pa) ; A s 為預應力筋截面積(cm 2) ; h 為所選路面板厚(cm ) ; f p 為由(3) 確定的預應力值(M Pa)。
(5) 根據(jù)(4) 的計算結(jié)果, 結(jié)合所推薦的臨界荷位, 采用有限元程序進行驗算, 驗算標準為控制由荷載應力和溫度應力綜合疲勞作用所產(chǎn)生的疲勞斷裂, 即
式中: σE 為標準軸載產(chǎn)生的最大縱向荷載應力; σt為等效溫度梯度所產(chǎn)生的最大橫向溫度翹曲應力;σs 為混凝土的等價抗彎拉疲勞強度, σs= f cm + f p -f F , f cm、f F、f p 含義同前。板厚計算采用試算法進行。如果滿足式(8) 則該板厚及預應力配置即獲通過; 否則, 增大板厚, 轉(zhuǎn)向(3) , 重新進行。
(6) 對于橫向預應力的確定, 根據(jù)(5) 的計算所得的最大橫向應力與混凝土的容許彎拉強度(建議取0.8 倍的抗彎拉強度) 的比較而定。對于橫向預應力各國意見不統(tǒng)一, 一般認為, 當板寬不超過7 m時, 可不設橫向預應力, 但為了安全起見, 要求在橫向配置一定數(shù)量的防止開裂并起到固定、支撐縱向預應力鋼索的構(gòu)造鋼筋。橫向鋼筋配置可按中國剛性路面設計規(guī)范中連續(xù)配筋混凝土路面選用。橫向鋼筋采用螺紋鋼筋, 其最小配筋率為縱向配筋率β的1/8。并且布置應符合: ①橫向鋼筋間距不大于80cm; ②橫向鋼筋位于縱向鋼筋之下。
式中: E s 為鋼筋彈性模量(M Pa) ; f sy 為鋼筋屈服強度(M Pa) ; 其余符號同前。
2.2 接縫設計
預應力混凝土路面的接縫設計應遵循以下原則: ①接縫必須能容許板端發(fā)生位移, 能夠不被壓壞; ②交通荷載不會使接縫產(chǎn)生過大的撓度的應力;③接縫材料必須耐磨、抗疲勞和防腐; ④接縫應密封防止水和不可壓縮的雜物進入; ⑤損壞部分的修補應當方便易行; ⑥接縫的施工程序應與預應力的張拉方法相協(xié)調(diào); ⑦接縫的建造費用應盡量低。
一般在板端接縫下設置鋼筋混凝土枕梁, 以提供接縫處較強的地基和路面的連續(xù)性。因預應力路面對接縫的要求較高, 接縫的形式選擇可參照橋梁中的伸縮縫。
2.3 預應力路面板端部錨固區(qū)設計
錨固區(qū)設計時既要保證在張拉鋼筋時錨具下錨固區(qū)的混凝土不開裂和不產(chǎn)生過大的變形, 又要求計算錨具下所需配置的間接鋼筋須滿足局部受壓承載力的要求。表2 為各類鋼筋的張拉控制應力允許值。
3 試驗路的初步設計
試驗路的概況前面已經(jīng)介紹, 該路段如果按照普通混凝土路面設計, 板厚需24 cm。為了安全考慮(板如很薄, 在使用期間會產(chǎn)生過大的撓度, 在施加預應力時可能會產(chǎn)生過大反拱, 并且不利于施工) ,板厚取保守值20 cm , 板長100 m。在板厚確定的情況下, 設計的主要問題就是確定施加預應力的大小。
試驗路的設計參數(shù): 單軸荷載P = 100 kN , 混凝土彎拉強度f cm = 5.0M Pa, 混凝土彎拉彈性模量E c= 3×104M Pa, 輪胎壓力p = 0.7M Pa, 路面板長L = 100 m , 路面板厚h= 20 cm , 地基反應模量K =2.21M Pa, 摩擦系數(shù)µ= 0.8 (有細砂層)。根據(jù)《規(guī)范》知, 板內(nèi)最大溫度梯度T g = 0.9 ℃/ cm (南京地區(qū)) , 混凝土的容重ρ= 0.002 4 kg/cm 3, 混凝土的線膨脹系數(shù)αc = 1×10- 5/℃, 混凝土的泊松比v =0.15, 預應力筋(采用U φ15) 標準強度R by= 1 860M Pa, 公稱截面面積A p= 140 mm 2。
3.1 縱向預應力筋設計
根據(jù)以上設計原理, 可計算該路段所需最小的預應力。取強度安全系數(shù)為1.2, 則混凝土的容許彎拉應力f t= 4.17M Pa, 溫度應力f △T = 3.18M Pa,路基摩阻引起的應力f F = 0.96M Pa, 荷載應力f L= 1.89M Pa。混凝土所需最小預壓應力f p= f△T +f F+ f L - f t= 1.86M Pa。
對于在一般氣候環(huán)境下使用的預應力混凝土結(jié)構(gòu)采用后張法預應力總損失為20%。采用后張拉, 張拉的控制應力為σ con = 0.75 ×R by= 1 395M Pa。
考慮混凝土板內(nèi)部的預應力損失后, 有效預應力為f s= 0.8×1 395= 1 116M Pa實際取d is= 285 mm , 縱向共需配置25 根無粘結(jié)預應力鋼絞線U φ15 (28.5 ×24 + 2 ×18 = 720cm )。
3.2 橫向配筋設計
在此試驗中, 不設橫向預應力, 僅配置足夠的鋼筋, 其配筋設計參考連續(xù)配筋混凝土路面的配筋設計。采用φ12 的Ⅱ級螺紋鋼筋為橫向鋼筋, E s =200 000M Pa, f sy = 335M Pa, 則有β= 0.008 95, 于是橫向鋼筋數(shù)量最少應為198 根, 在此取為200 根,間距為50 cm ( (200- 1) ×50+ 2×25= 10 000 cm )。
3.3 板的端部設計
(1) 為防止板在端部發(fā)生局部承壓破壞, 因此,在板端設置由間距20 cm 的φ10 鋼筋組成的6 m ×7m 的雙層雙向鋼筋網(wǎng)。另外, 在板端(包括伸縮縫)處設置有2 m ×7.2 m 的鋼筋混凝土枕梁, 以加固基層, 防止板端和接縫處發(fā)生破壞。
( 2) 對于100 m 長的預應力混凝土路面, 伸縮縫的設計就顯得非常重要。由于板底設置了滑動層,其摩擦系數(shù)較小(µ= 0.8) , 又因其板很長, 所以季節(jié)性溫度變化將引起板端較大的位移。假定預應力對溫度引起的位移影響可忽略, 按照素混凝土板較小初步計算, 在年溫差最大(與路面合攏溫度T =20℃相比) △T = 40℃時, 板端位移可計算如下: 滑動區(qū)長度L =αEc△T/ρµ = 625 m > 100/2.0 m , 取L = 50m , 則△= 19.2mm; 經(jīng)綜合比較, 采用GQ F-C-80 型伸縮縫(伸縮范圍為14~ 94 mm ) 足以滿足要求。
(3) 預應力混凝土路面與普通混凝土路面之間設置4 m ×7.2 m 的后澆帶(包括后澆混凝土封錨、伸縮縫的預留位置、后澆混凝土路面) , 以便有充分的空間放置預應力筋的張拉設備。預應力混凝土路面與伸縮縫、伸縮縫與后澆混凝土路面之間均應設置連接鋼筋, 從而使伸縮縫能正常工作。
3.4 試驗路用材料
基于高效混凝土的要求, 并從減少預應力損失角度考慮, 采用以下材料:
(1) 水泥混凝土標號為C40, 要求采用525 號普通硅酸鹽水泥。
(2) 細集料。采用細度模數(shù)M x = 2.6 的中砂, 砂的含泥量< 3% , 不得混有石灰、煤渣、草根等雜物。
(3) 粗集料。粗集料的最大粒徑不得超過40mm , 范圍為5~ 3.15 mm , 石料強度≥3 級, 針片狀含量≤10% , 含泥量≤1% , 采用連續(xù)集配, 集配范圍符合有關(guān)規(guī)范規(guī)定。
(4) 減水劑。摻加緩凝型高效減水劑BC-1, 摻量為0.3% , 減水率為37% , 以降低水灰比、增加施工和易性并保證混凝土拌和物攤鋪振搗時間。
(5) 路用混凝土。由于工程較大, 工期較緊, 采用泵送水泥混凝土, 水灰比為0.46, 水、水泥、砂與碎石的配合比為W ∶C ∶S ∶G = 220∶478∶630∶1 072, 并摻加減水劑。經(jīng)測試, 強度可達到48.6M Pa, 初始塌落度為180~ 200 mm , 滿足設計與施工要求。
(6) 錨具。結(jié)合工程的要求, 無粘結(jié)筋承受長期的振動荷載及疲勞荷載, 所以必須采用Ⅰ類錨具。經(jīng)綜合對比, 采用TBM –1型夾片錨具, 錨夾具分批進行外觀檢查, 不得有裂紋、傷痕、銹蝕, 尺寸不得超過允許偏差。
(7) 為減少路基摩阻引起的預應力損失, 采用CEF-200 型土工布。
3.5 試驗路的觀測
在進行預應力筋張拉、汽車荷載作用及連續(xù)觀測中, 測得的板底土壓力盒的變化圖如圖1 所示。限于篇幅, 這里只給出斷面1 (距板端125 mm ) 處的土壓力盒變化圖, 其它斷面基本類似。
測試點A、D 是對稱布置, 各距板邊為0.6 m;B、C 兩點對稱布置, 各距板邊2.6 m。從圖1 可見,兩組曲線反應相同規(guī)律, 說明該斷面的測試結(jié)果比較理想。易知: 如果整塊板施工符合設計要求, 預應力筋的張拉以及溫度效應不會導致路面板底出現(xiàn)脫空或局部壓力分布不均現(xiàn)象。從圖中容易看出, 此次荷載試驗比較失敗, 未能反映實際受力狀態(tài), 主要原因是汽車荷載太小, 采用東風-140, 總重約有1.0×104 kg 左右。從圖2 中可見,B、D 截面沿板長的測試規(guī)律基本一致, 而且與有限元程序計算值的趨勢也相同(采用溫克勒地基, E k = 2M Pa/ cm , 混凝土容重為24 kN /m 3, 板底摩阻系數(shù)取0.8) , 說明設計方法是可行的。截面A 的土壓力變化比較奇特, 按理應與其相對稱的D 截面變化趨勢相同, 這主要是施工造成的(基層頂面各斷面的標高不同, 或預應力筋跑位等)。
本次荷載試驗采用東風-140, 滿載渣土, 采用千斤頂大致標磅, 約有1.0×104 kg 左右, 但經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)影響很小, 說明汽車荷載不夠大。
4 結(jié) 語
筆者研究了預應力混凝土路面的設計方法, 提出縱向預應力設計、橫向配筋設計、板端部設計的設計程序及路用材料選用。本文的研究內(nèi)容可為新編中國剛性路面設計規(guī)范提供參考。另外, 介紹了預應力混凝土試驗路的結(jié)構(gòu)設計, 分析了試驗路的一些測試結(jié)果。測試及實用結(jié)果表明本文的設計方法是可行且有效的。