（材料学专业论文）斜张法预应力混凝土路面设计与应用研究.pdf

摘要 从我国路面的现状来看，普通混凝土路面由于存在横向接缝易发生挤碎、拱起、错 台、唧泥等病害，从而影响路面的行车质量，难以满足高等级公路长期的使用要求。目 前减少路面接缝的主要途径是修筑预应力混凝路面。国内外预应力混凝土路面常采用 无粘结纵向预应力方式，这种施加预应力的方式虽然能在混凝土路面结构中产生一定的 预加力，但是对于承受多方面复杂应力的混凝土路面，不能解决其受力后路面开裂等问 题。对此，本课题提出斜张法预应力混凝土路面的新概念，并开展对其设计方法、施工 技术研究，以体现路面受力均匀、少裂缝、可连续施工之目的。 本研究考虑纵向预应力水泥混凝土路面的设计方法，通过对斜张法预应力混凝土路 面设计方法研究，提出了斜向无粘结预应力筋的布置方法，预应力值大小、局部承压区 设计方法及斜张法预应力混凝土路面设计步骤。通过有限元建模，对斜向张拉预应力钢 绞线进行受力分析，确定预应力筋最佳的张拉顺序，提出混凝土局部受压区处理方法。 通过g 2 1 0 南山峁隧道试验路的铺筑及测试数据，分析预应力筋张拉时混凝土板内的应 力分布情况、以及预应力板内温度变化规律，提出斜张法预应力混凝土路面的施工工艺 及施工注意事项。该研究将为斜张法预应力混凝土路面提供理论支撑和施工指导，也是 在纵向预应力混凝土路面基础上的进一步扩展和创新。 关键词：斜张法，预应力混凝土路面，设计方法，施工工艺 a b s t r a c t t h es t a t u so ft h er o a df r o mm y p o i n to fv i e w , o r d i n a r yc o n c r e t ep a v e m e n to f t e nc r o w d e d p l a c ep i e c e s ，a r c h , w r o n gs t a t i o n , p u m pm u dd i s e a s e s ，b e c a u s eo ft r a n s v e r s ej o i n t s ，t h u s a f f e c t i n gt h eq u a l i t yo fr o a dt r a f f i c ，c a l ln o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fh i g h - g r a d eh i g h w a y s n o wt h em a i nm e a s u r e st or e d u c et r a n s v e r s ej o i n t so ft h er o a di sp r e s t r e s s e dc o n c r e t e p a v e m e n t p r e s t r e s s e dc o n c r e t ep a v e m e n ta th o m ea n da b r o a di so f t e nu s e db yt h ew a yo f u n b o n d e dl o n g i t u d i n a lp r e s t r e s s e d ，a l t h o u g ht h i sw a yo fp r e s t r e s s e dc o n c r e t e p a v e m e n t s t r u c t u r ec a np r o d u c eac e r t a i np r e - t e n s i o n ，b u tt ow i t h s t a n dt h em a n yc o m p l e xs t r e s so ft h e c o n c r e t ep a v e m e n t , c a nn o ts o l v et h ec r a c k i n gp r o b l e m sa f t e rt h ef o r c e t h i ss t u d yp r o p o s e t h en e w c o n c e p to ft w od i r e c t i o nc r o s s t e n s i o n e dp r e s t r e s s e dc o n c r e t ep a v e m e n t t h i sr e s e a r c hi sb a s e do nl o n g i t u d i n a lp r e s t r e s s e dc o n c r e t ep a v e m e n td e s i g nm e t h o d ，b y r e s e a r c ht h ed e s i g nm e t h o do fc r o s s - t e n s i o n e dp r e s t r e s s e dc o n c r e t ep a v e m e n t , p r o p o s e dt h e a r r a n g e m e n tm e t h o d so fu n b o n d e dp r e s t r e s s e ds t e e ls t r a n d ，p r e s t r e s s e dv a l u e ，t h ed e s i g n m e t h o do fp a r t i a lp r e s s u r ea r e aa n dt h ed e s i g np r o c e d u r eo fc r o s s - t e n s i o n e dp r e s t r e s s e d c o n c r e t ep a v e m e n t b yf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r es i m u l a t e dt h ef o r c eo ft h ed i a g o n a lp r e s t r e s s e d s t e e ls t r a n d ，d e t e r m i n et h er e a s o n a b l et e n s i o ns e q u e n c eo f p r e s t r e s s e ds t e e ls t r a n d ，p r o p o s et h e a p p r o a c hm e t h o do fp a r t i a lp r e s s u r ea r e ac o n c r e t et or e d u c ec o n c r e t ec r a c k i n g t h r o u g ht h e g 210n a n s h a nt u n n e lt e s tr o a d ，a n a l y s i sc o n c r e t es t r e s sd i s t r i b u t i o nw h e np r e s t r e s s e ds t e e l s t r a n dt e n s i o n i n g ，t h et e m p e r a t u r ec h a n g e dr u l eo fo nt h ei n t e m a lt h ec o n c r e t es l a b ，p r o p o s e d c r o s s - t e n s i o n e dp r e s t r e s s e dc o n c r e t ep a v e m e n tc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e sa n dn o t e s t h es t u d y w i l lp r o v i d et h e o r e t i c a ls u p p o r ta n dc o n s t r u c t i o ng u i d a n c ef o rt w od i r e c t i o nc r o s s t e n s i o n e d p r e s t r e s s e dc o n c r e t ep a v e m e n t ，i st h ef u r t h e re x p a n s i o na n di n n o v a t i o no ft h el o n g i t u d i n a l p r e s t r e s s e dc o n c r e t e k e yw o r d s ：c r o s s t e n s i o n e dm e t h o d ；p r e s t r e s s e dc o n c r e t ep a v e m e n t ；d e s i g nm e t h o d ； c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 尽管在高速公路路面结构中，水泥混凝土路面所占的比重不大，但是由于它的强度 高，耐久性好，表面不产生车辙，在很多场合还是优先选用。水泥混凝土路面由于存在 横向接缝，使其常在接缝处出现断裂、错台、唧泥和剥落等病害，从而影响路面的行车 质量【l j 。此外，对接缝还需要做大量的养护工作，路面的养护工作不仅花费大而且需要 半封闭交通。以上的缺点与不足都限制了水泥混凝土路面在高等级公路中的大量推广应 用。为改善传统水泥混凝土路面的不足，适应交通运输的发展，因此有必要开展少缝混 凝土路面的研究工作。 1 1 1 水泥混凝土路面分类 水泥混凝土路面板可分为素水泥混凝土路面、配筋混凝土路面和预应力混凝土路 面。 1 、素水泥混凝土路面 素水泥混凝土路面根据施工方法的不同又可分为以下四种： 1 ) 普通水泥混凝土路面。该路面是指除接缝区和局部范围( 边缘和角隅) 外不配 置钢筋的混凝土路面。这是目前应用最为广泛的一种水泥混凝土路面类型。 2 ) 碾压混凝土路面。碾压混凝土是一种含水率低，通过碾压施工工艺达到高密度、 高强度的水泥混凝土。碾压混凝土路面与普通水泥混凝土路面相比，节省大量的水泥， 且施工速度快，养生时间短，强度高，具有良好的社会经济效益。根据我国碾压混凝土 的施工水平，全厚式碾压混凝土路面的平整度难以达到规定的要求。国外也没有直接用 作车辆高速行驶的路面面层。因此，碾压混凝土路面一般适用于二级及其以下等级的公 路。 3 ) 装配式混凝土路面。该路面是在工厂中把混凝土预制成板块，然后运至工地现 场装配而成。优点是路面板可以全年生产，不受气候影响，混凝土质量容易保证，施工 进度快，铺筑完即可通车，损坏后易于拆换修理。缺点是接缝多，整体性差，容易引起 行车颠簸跳动，一般很少采用。 4 ) 组合式( 双层式) 混凝土路面。新建道路的混凝土面板一般按单层式建造，只 有当缺乏品质良好的材料时，才考虑采用双层式混凝土面板，即利用当地品质较差的材 料修筑板的下层，而用品质较好的材料铺筑板的上层，以降低造价。在改建旧混凝土路 第一章绪论 面时，有时在其上加铺一层混凝土面层，这样也形成双层式水泥混凝土路面结构d i 。 2 、配筋混凝土路面 根据配筋的材料不同又可分为钢筋混凝土路面和纤维混凝土路面。 1 ) 钢筋混凝土路面。该路面又可分为间断钢筋混凝土路面、连续钢筋混凝土路面。 间断钢筋混凝土路面是指为防止可能产生的裂缝缝隙张开，板内配置有纵、横向钢 筋( 或钢丝) 网的混凝土路面。设置钢筋网的目的是控制裂缝缝隙的张拉量，把开裂的 板拉在一起，使板依靠断裂面上的集料嵌锁作用而保证结构强度，并非增加板的抗弯拉 强度。 连续配筋混凝土路面是沿纵向配置连续的钢筋，除了在其它路面交接或临近构造物 附近设置胀缝以及施工缝外，一般不设置横缝的混凝土面层。其一般适用于高速公路或 一级公路和机场混凝土道面。 2 ) 纤维混凝土路面。现在，国内外都在研究纤维混凝土路面，即在混凝土中掺入 一些低碳钢、不锈钢纤维或其它纤维( 如塑料纤维、纤维网等) ，使之成为一种均匀而 多向配筋的混凝土。纤维混凝土路面可以做成薄板，它的接缝少，使用寿命长，养护费 用少，作为一种新型的路面材料，具有广泛的发展前途。由于纤维混凝土的造价高，因 而主要用于设计标高受到限制的旧混凝土路面的加铺层，或者用于复合式混凝土面层的 上面层。 3 、预应力混凝土路面 预应力混凝土里面，按照其是否配筋以及施加预应力的方法可以分成两大类： 1 ) 配筋预应力混凝土路面，又称“单独型”路面，由间隔较长的膨胀缝相隔离的 路面板组成，在面板的抗压区分别配置一定数量的预应力钢筋。按施加预应力的先后次 序可以分为先张法和后张法两种。先张法是在混凝土浇筑之前，将钢筋加力至规定的程 度，然后浇筑混凝土，待混凝土硬化并达到规定强度时，将钢筋切断；后张法是在混凝 土浇筑之前，先留有套管及预应力钢筋，待混凝土浇筑并达到规定的强度后，用千斤顶 对钢筋施加预应力，从而对混凝土路面加压，并达到规定的预压应力。 2 ) 无筋预应力混凝土路面，又称“连续型 路面，因无膨胀缝而得名，这种路面 不配钢筋可以做得很长。按照施加预应力的方法可以分为千斤顶加力和自加应力。千斤 顶加力一般在两个固定的墩座间浇筑混凝土，并留有空隙放置加力千斤顶，待混凝土硬 化达到规定的强度后，用千斤顶从两端加力，达到规定的压力时，将两端空隙封闭。自 应力路面不用千斤项加力，而是选用膨胀水泥，混凝土硬化时，体积增大，由于两端受 2 长安大学硕士学位论文 有约束而使混凝土自动产生内压应力。 般认为，配筋预应力混凝土路面要好于无筋预应力混凝土路面。主要原因之一是 扣除路基摩擦后的预应力在有膨胀缝路面中几乎保持常量，而在无筋预应力混凝土板 中，板不能自由膨胀，板又很长，从而使应力随外界温度、湿度变化很大，很难对所需 的预应进行估计。因此，工程上都采用配筋预应力混凝土路面。 1 1 2 非预应力水泥混凝土路面的缺陷 水泥混凝土路面的使用性能在行车和自然因素的不断作用下逐渐变坏，以致出现各 种类型的损坏现象，大体分为接缝破坏和混凝土面板损坏两个方面，损坏性质也可分为 功能损坏与结构性损坏两个范畴。接缝破坏主要有以下四种表现形式，如图1 1 所示。 ( a ) 挤碎 麓搏 汹i ，、j 、 p 7 a ( b ) 拱起 ( c ) 错台( d ) 唧泥 图1 1 混凝土板的破坏模式 1 、挤碎 挤碎出现在横向接缝( 主要是胀缝) 两侧数十厘米宽度内。这是由于胀缝内的滑动 传力杆位置不正确，或滑动端的滑动功能失效，或施工时胀缝内局部有混凝土搭连，或 胀缝内落入坚硬的杂屑等原因，使路面板的伸长受到阻碍，使混凝土在膨胀时受到较高 的挤压应力，当其超过混凝土的抗剪强度时，板即发生剪切挤碎。 2 、拱起 3 第一章绪论 混凝土路面板在受膨胀而受阻时，接缝两侧的板突然向上拱起。这是由于板收缩时 缝隙张开，填缝料失效，坚硬碎屑等不可压缩的材料塞满缝隙，使板在膨胀时产生较大 的热压应力，从而出现纵向屈曲失稳。 3 、错台 横向接缝两侧路面板出现的竖向相对位移。当胀缝下部填缝板与上部缝隙未能对齐 或胀缝两侧混凝土壁面不垂直，是缝旁两板在伸张挤压过程中，会上下错位而形成错台。 地下水通过接缝渗入基础使其软化，或者接缝传荷能力不足，或传力效果降低时， 都会导致错台的产生。当交通量或基础承载力在横向各幅板上分布不均匀，各幅板沉陷 不一致时，纵缝也会产生错台现象。 4 、唧泥 车辆行经接缝时，由缝内喷溅出稀泥浆的现象。在轮载的频繁作用下，基层由于塑 性变形累积而同混凝土面层板脱空，地下水沿缝隙下渗而积聚在脱空的间隙内；在轮载 作用下积水变成有压水而同基层内浸湿的细料搅拌成泥浆，再沿接缝缝隙喷溅出来。唧 泥的出现，使路面板边缘部分失去支承，因而往往在离接缝1 5 m - 1 8 m 处容易导致横向 裂缝。 由上述分析可知，路面接缝是素水泥混凝土路面和配筋较少的间断钢筋混凝土路面 结构缺陷的根源，混凝土路面的许多问题常常发生在接缝处，反过来又影响了路面的行 车质量。解决路面接缝问题的一种方法是连续钢筋混凝土路面( c o n t i n u o u s l yr e i n f o r c e d c o n c r e t ep a v e m e n t ，简写为c r c p ) ；另一种方法是预应力混凝土路面( p r e s t r e s s e d c o n c r e t ep a v e m e n t 简写为p c p ) 2 1 。 连续钢筋混凝土路面一般允许出现裂缝，尽管在这种路面结构中配有大量的纵向钢 筋使这些裂缝挨的很紧，但随着时间的推移，如果在裂缝宽度发展到比较宽的情况下， 仍会出现破碎，有时甚至出现错台，并因此会影响路面行车的舒适性。因此解决裂缝的 有效方法是预应力混凝土路面。 普通素水泥混凝土路面主要依靠极限抗弯拉强度来承担行车荷载，由于混凝土的抗 拉强度很低，故采用较厚的路面板才能满足要求。相比较其抗压强度远大于抗拉强度， 在路面的使用方面，混凝土的抗压强度远没有发挥来。预应力混凝土路面则是在车辆荷 载作用前，路面已被施加永久的压应力，使水泥混凝土路面的受拉区预先承受压应力， 当车辆荷载作用时，路面板底部的压应力抵消了一部分拉应力，混凝土抗拉强度偏低的 缺点得到弥补，使混凝土抗压强度充分利用，从而提高路面的抗弯拉强度和路面承载力。 4 长安大学硕士学位论文 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4 0 - - 6 0 ，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。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 7 1 2 5 k m j m 2 ，这远少于连续配筋路面( 在一些 情况下可达1 5 的用量) 1 5 l 。 ( 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3 0 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胎纹的磨耗，但预应力混凝土路 面要比传统混凝土路较来看，初期投资高，但养护面的磨耗要小。就其费用与传统混凝 土路面的比费用几乎为零，并且减少了由于养护所延误的时间1 6 1 。 其主要缺点在于8 1 ： ( 1 ) 从经济观点来看，虽减薄了路面板的厚度，但需大量的纵向钢筋与横向钢筋， 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，这对接缝的设计要求很严，同 时对路基摩擦约束要尽可能小。 ( 3 ) 由于纵向预应方混凝土路面是在路面板端部张拉，所以施工时要预留后浇带 满足钢绞线张拉所需空间。 ( 4 ) 纵向预应力的施加大大提高了路面的纵向承载能力，但对横向几乎无影响， 所以对路幅较宽的混凝土路面不适合。 ( 5 ) 无粘结预应力筋的有效张拉长度一般不超过6 0 m ，因此要铺筑1 0 0 - - - - 2 0 0 m 的 预应力混凝土路面板，就必须用连接器将预应力筋连接起来，以使预应力传递连续【9 1 。 因此，从理论和施工工艺上纵向预应力技术很难适应混凝土路面大面积铺筑。 1 1 3 斜张法预应力混凝土路面介绍 为改善普通混凝土路面与纵向预应力混凝土路面的不足，本文提出了斜张法预应力 混凝土路面的新技术。斜张法预应力混凝土路面，即在水泥混凝土路面两侧同时施加双 向斜向应力，克服路面各方向力的影响，使路面在较长范围内不设置缩缝，这样可以彻 5 第一章绪论 底解决水泥混凝土路面由于接缝产生的损害现象，可以有效地延长水泥混凝土路面的使 用寿命。斜张法预应力混凝土路面的示意图如图1 2 所示。 图1 2 斜张法预应力路面示意图 斜张法预应力混凝土路面除了纵向预应力混凝土路面具有的优点外，还具有其独特 的优点： ( 1 ) 斜张法预应力混凝土路面既可产生纵向预应力，又可产生横向预应力，可双 向对路面进行预应力，比单一方向的预应力更适合路面的受力状况。 ( 2 ) 由于施加了纵向和横向预应力，约束了混凝土的双向变形，混凝土路面承载 力大大提高。 ( 3 ) 斜张法预应力混凝土路面是考虑连续施工而设置的路面结构，预应力筋的张 拉可在路面两侧进行，提高了施工进度。 ( 4 ) 在修建长板混凝土路面时，采用斜向对称布置预应力筋方式，不仅可以节省 连接器，而且还避免了留设施工缝，可保证混凝土施工的连续性。 ( 5 ) 斜张法预应力混凝土路面只需在端头布置横向构造钢筋，大大节省了横向构 造钢筋的数量。 ( 6 ) 斜张法预应力混凝土路面由于伸缩缝大大减少，减低了行车噪音，提高路面 的使用寿命。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 l 、国外发展历程 预应力混凝土路面是2 0 世纪4 0 年代后期发展起来的一种特殊的水泥混凝土路面。 最早是在法国使用，后来在英国和其他欧洲国家先后用于道路路面或机场道面上。美国、 日本和前苏联等国家也都修建了一定数量的预应力混凝土路面和机场道面【1 0 1 【1 2 1 。 据载世界上第一条预应力混凝土路面出现在法国，应用于l u z a n c y 的一座桥梁引路 6 长安大学硕士学位论文 上。但直到1 9 4 7 年，闻名于世的o i l y 跑道建成，才使预应力混凝土路面完全确立。当 时，该跑道是为了满足现代飞行的需要而设置的。全长4 0 9 5 m ，由带横向钢丝索和台座 的三角形面板组成。 英国是自1 9 5 0 年的c r a w l e y 道路开始预应力混凝土路面研究的。该路主要是为了 调查预应力混凝土在道路建设中的使用情况，在该路上对一些设计因素和施工方法进行 了研究。其后又先后修建了伦敦机场的停机坪、e s s e x 道路、p o r t t a l b o t 道路、c a t w i e k 停机坪等。英国的纵向预应力一般为：1 5 7 5 m p a ( 公路) ，3 1 5 m p a ( 机场) 。 德国对预应力板的早期分析工作要比其他国家早，但其理论应用只限于桥面板、楼 板等，而不是路面板。在1 9 5 3 年才开始在m e r g e l s t e t t e n 修筑预应力混凝土路面，其后 又修筑了几条道路。 美国最早著名的p a t u x e n tr i v e rn a v a ea i rs t a t i o n 预应力混凝土路面是由b u r e a uo f y a r d sa n dd o c k s 于1 9 5 3 1 9 5 4 年建的，路面长1 5 0 m 、宽3 6 m 、厚1 7 5 c m ，纵向钢索的 初始预应力大约为4 9 m p a 。其后又修了许多试验路，其中较近的就是1 9 8 0 年闻名的芝 加哥o h a r e 国际机场上所建的预应力混凝土罩面( 2 4 0 m 长，4 5 m 宽，2 0 2 2 5 c m 厚的 跑道) ，这是美国首次将预应力混凝土用于商用机场道面。 其他国家如比利时、奥地利等都于2 0 世纪5 0 年代左右起步，巴西也于1 9 7 2 1 9 7 8 年在里约热内卢修了一条厚1 8 c m 、面积为5 5 2 0 0 0 m 2 的预应力混凝土机场道面，在荷兰、 瑞士也都修了许多预应力道面。 总体来说，预应力混凝土路面的研究与修建始于国外，其发展大体分三个时期。 1 9 4 6 年1 9 6 2 年为第一个发展时期。1 9 4 6 年英格兰和法国首先开展了这方面工作。 到1 9 6 0 年，全世界总计建成约6 0 条预应力路面，其中包括2 1 k m 的公路，3 2 k m 的机 场道路，多数属于试验性的。1 9 6 2 年6 月2 日，国际道路协会和国际预应力协会在意大 利那不勒斯召开了“预应力混凝土路面与机场道面 专题会议。这次会议对预应力混凝 土路面技术进行了全面的总结和讨论，基本上反映了1 9 6 0 年以前预应力混凝土路面的 研究与发展水平。 1 9 6 2 年1 9 8 8 年为第二个发展时期。这段时间里，材料性能与施工机具技术都有很 大的提高，7 股的高强钢绞线得到大量使用，而且钢绞线实现了塑料套包裹、润滑油保 护、成卷存放与运输等技术要求。预应力混凝土路面也建立了相应的标准( a s t m ) 。复 合支座与钢索夹具的广泛使用也使得后张法预应力筋能更好地锚固。 1 9 8 8 年至今为第三个发展时期。这个时期预应力路面材料有了很大发展，无粘结预 7 第一章绪论 应力钢筋生产技术的成熟与商业化，大大简便了预应力施工工艺。钢纤维混凝土、补偿 收缩混凝土、先进接缝材料的发展，使得人们重新审视预应力路面板与接缝设计的有关 问题。将钢纤维混凝土与补偿收缩混凝土应用在路面工程，可以大大降低收缩值以及减 小路面板位移量，从而减小基层对板摩擦而造成的板底拉应力，相应地，横向接缝的宽 度可减小。如果接缝宽度不变，主板长度可增加。 2 、预应力混凝土路面在国外的应用 表1 1 汇总了1 9 4 6 1 9 6 2 年间西欧一些国家修筑的预应力混凝土道面工程【13 1 。美国、 日本、印度和俄罗斯等国家对预应力混凝土路面也进行了深入的理论研究和工程实践。 文献【1 3 】称印度每年以1 0 的增长速度发展预应力混凝土路面。 表1 11 9 4 6 - 1 9 6 2 年间西欧修筑的p c p 工程汇总表 法国国道 l u z a r l c y ，e s b l y , s e r v 勰，o r l y ， 1 c 蛩尝望粪；昔 1 9 4 6 - - 1 9 6 1 3 0 8 ，3 4 5 1 2 。1 8 m a i s o nb l a n c h e ，飞机的滑行道 一 f o n t e n a y - t r e s i g n y 停机坪 比利时 r u s s e l sa n dz w a r t b e r g 机笺鍪道 1 9 4 7 1 9 6 0 1 8 1 , 0 5 48 砌 澳大利亚 s a l z b u r g ，v i e n n a ， w i e n s c h w e c h a t 公路 薪妻盖鬈 9 5 和，9 5 9 1 2 4 , 9 4 6 ，5 砣。 飞机的滑行道 荷兰 1 c 扣竺譬 ；：昔 1 9 5 0 - - 1 9 6 0 2 6 ，1 9 9 1 2 1 5 a m s t e r d a m s c h i p h o ，l e i d e n 飞机的滑行道 瑞士 囝措 w i n e u l d e g c g h , 批n a z , b 0 u m o e d r n r i k e n , 城幂誊路 1 9 5 5 郴6 0 2 6 3 0 01 2 州 英国 c r a w l e y , l o n d o n , s o u t h 删5 煞 1 9 5 0 。1 9 5 71 7 ，7 3 01 3 1 7 e s s e x ，p o r tt a l b o t ，g a t w i c k 停机坪 ”一 b u c k i n g h a m s h i r e ，w o o l w i c h 1 2 2 国内研究现状 我国分别于1 9 9 7 年和1 9 9 9 年修建了两条预应力混凝土试验路。第一条试验路位于 南京新机场高速公路标段禄1 2 1 互通式立交b 匝道上( b k 0 + 0 8 0 - b k 0 + 18 0 ) ，为禄口开发区 与宁溧公路间的连接道路。第二条预应力水泥混凝士试验路位于国道3 1 0 徐州市贾汪区 汴塘段，起讫桩号为k o + 0 2 5 k 0 + 1 8 5 。第一条试验路路面板的长度为1 0 0 m 、宽度7 2 m 、 8 长安大学硕士学位论文 板厚2 0 c m ，预应力钢筋采用两端张拉。在徐州贾汪试验路上采用了两块纵向相接的预 应力混凝土路面板，每块预应力混凝土路面板长度7 5 m 、宽度6 m 、板厚1 8 c m ，采用一 端张拉。 目前，国内外还没有对斜张法预应力技术进行研究。 1 3 主要研究内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 本研究在充分吸收国内外研究成果的基础上，结合国内实际情况，对斜张法预应力 混凝土路面进行研究。主要研究内容有以下几个方面： 1 、斜张法预应力混凝土设计方法研究 根据预应力混凝土路面的基本设计原则，计算出预压应力大小；通过对斜向布置的 预应力筋进行受力分析，得出无粘结预应力筋的布置方案，并提出了斜张法预应力水泥 混凝土路面设计流程。 2 、斜张法预应力混凝土有限元分析 拟定计算模型进行有限元建模，对斜向张拉预应力钢绞线进行受力分析；针对钢绞 线的张拉顺序提出5 种方案，分别进行有限元模拟，最终确定最佳的预应力筋张拉顺序； 并对张拉端局部受压区混凝土进行局部处理以减少混凝土开裂。 3 、g 2 1 0 线南山峁隧道试验路研究 在有限元分析的基础上，提出试验路总体设计方案，包括无粘结预应力筋的布置方 法，施加预应力值大小及钢绞线张拉顺序与张拉力大小；对试验路进行铺筑，并测试张 拉时混凝土的应力变化，对测试结果进行分析，验证理论研究的正确性。 4 、斜张法预应力水泥混凝土路面施工工艺研究 在上述研究基础上，结合试验路铺筑施工过程，进行斜张法预应力技术施工工艺研 究，包括施工程序、施工控制关键因素等。 1 3 2 技术路线 针对上述主要研究内容，本文主要通过国内外资料调研与实际工程调研相结合，理 论分析与试验路工程相结合等技术手段，对斜张法预应力混凝土路面进行研究，如图1 3 所示。 9 第一章绪论 国内外研究现状li 国内外工程应用 制定研究大纲 理论分析 确定试验路方案 试验路铺筑及检测 数据统计分析 总结成果、撰写论文 图1 3 技术路线 长安大学硕士学位论文 第二章斜张法预应力混凝土路面设计方法研究 2 1 斜张法预应力混凝土路面设计 2 1 1 预应力混凝土路面荷载特性 1 、标准轴载和轴载换算 车辆荷载的轻重和作用次数是影响路面结构使用状况的主要因素，也是混凝土路面 设计的主要依据。对于各种不同汽车轴载的作用次数，可按等效疲劳损伤原则换算成标 准轴载的作用次数，并根据标准轴载的作用次数判断道路的交通繁重程度。 水泥混凝土路面的轴载换算公式是在混凝土疲劳方程的基础上建立的。凡是前、后 轴载大于4 0 k n 的轴数均应换算成标准轴数；对于小于或等于4 0 k n 的轴数，因为它在 混凝土板内产生的应力很小引起的疲劳损伤也很轻微，因此可以略去不计。我国刚性路 面设计规范将后轴重i o o k n 定为标准轴载。为形成统一的刚性路面设计体系，在进行 预应力混凝土路面的设计时，以1 0 0 k n 的单轴一双轮组荷载作为标准轴载。 不同轴一轮型和轴载的作用次数与标准轴载的作用次数应按公式2 1 2 4 进行换算： m = 窆口，ff ，k 土l o o ) t = i 1 1 6 ( 2 1 ) a ，= 2 2 2 x 1 0 3 z 。0 4 3 ( 2 2 ) a 。= 1 0 7 1 0 5 只。0 2 2 ( 2 3 ) a ，= 2 2 4 x1 0 喝只。0 。2 2 ( 2 4 ) 式中： 。使用初期设计车到标准轴载作用次数( n d ) ； 尸各级荷载单轴重或双轴总重( k n ) ； 刀轴载的分级数目； 各类轴型，级轴载的作用次数( n d ) ； a ，轴数系数；单轴一双轮组时，o g ，= 1 ；单轴一单轮时，按式2 2 计算；双轴 一双轮组时，按式2 3 计算；三轴一双轮组时，按式2 4 计算。 2 、交通分级、设计使用年限和累计作用次数 预应力混凝土路面的交通等级，按其使用初期设计车道所承受的标准轴载作用次数 m 分为四个等级，即特重交通、重交通、中等交通、轻交通。具体分级如表2 1 所示。 第二章斜张法预应力混凝土路面设计方法研究 预应力混凝土路面的设计使用年限为路面达到预定损坏标准时所能使用的年限。预 应力混凝土路面的使用年限要比普通的混凝土路面长的多。根据国内外的使用经验，并 参照交通等级确定，一般使用年限为2 0 - - 4 0 年。若确定很长的使用年限，则远景交通量 很难准确估计，而且会使初期建设投资过高。因此从长远建设利益出发，为了节省更多 的投资应采用合理的设计使用年限。预应力混凝土路面的设计使用年限可采用规范推荐 值，见表2 1 所示。在特殊情况下，预应力混凝土路面也可根据使用要求确定设计使用 年限，但超过此年限，路面并非完全破坏而不能使用，只是其使用性能太差和运行费用 过高。 设计使用年限内设计车道的标准轴载累计作用次数札与第一年的交通量、交通轴 载组成和交通量的预测增长率等因素有关。设计使用年限内设计车道的标准轴载累计作 用次数m 按式2 5 计算： 札；n s ( 1 + g , ) - 1 x 3 6 5 叩 ( 2 5 ) g ， 式中： m 设计使用年限内车道的标准轴载累计作用次数； 毋交通量年平均增长率( ) ，由调查确定； f 设计使用年限； 7 7 车轮轮迹横向力分布系数，可按表2 2 选取。 表2 2 车轮轮迹横向力分布系数 1 2 长安大学硕士学位论文 2 1 2 斜张法预应力混凝土路面设计基本准则 一般认为，路面中所施加的预应力大小主要由以下3 个因素决定：交通荷载、温度 和湿度引起的翘曲约束、板收缩期间的板底摩擦约束。 对预应力混凝土路面而言，路面板厚度和板内预应力应满足公式【1 5 j 2 6 的要求： ) ，( 仃厶，+ 口n ) + 盯f 一仃z ( 2 6 ) 式中： o 删由预应力引起的混凝土中的纵向预压应力： z 混凝土弯拉强度标准值； 仃，由荷载引起的弯曲应力； c l r a r ，由温度差引起的应力； 由路基摩阻引起的应力； ，可靠度系数。参见表2 3 2 5 取值。 表2 3 可靠度设计标准 表2 5 可靠度系数y 注：变异系数在表2 。5 所示的变化范围的下限时，可靠度系数取低值；上限时，取高值。 第二章斜张法预应力混凝土路面设计方法研究 1 、荷载疲劳应力分析 标准轴载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力按公式f 1 5 1 2 7 计算 吒，= 0 恕吼 ( 2 7 ) 式中： 吒，荷载疲劳应力( m p a ) ； 吼荷载应力( m p a ) ； 考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数： 恕考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数，按表2 6 取值。 表2 6 综合系数吃 标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力按公式【”1 2 8 2 9 计算 吼= 0 0 7 7 r o 6 0 h 。2 ，一。粥7 办时 式中： ，- 一预应力混凝土的相对刚度半径( m ) ； 厅混凝土板的厚度( m ) ； 巨混凝土弯拉弹性模量( m p a ) ； e 基层顶面当量回弹模量( m p a ) 。 设计基准期内的荷载疲劳应力系数按公式【1 5 1 2 1 0 计算 = ( 札) v 式中： m 一设计使用年限内车道的标准轴载累计作用次数； v 一与混合料性质有关的指数，预应力混凝土路面中，y = 0 0 5 7 。 2 、温度疲劳应力分析 在临界荷位处的温度疲劳应力按公式【1 5 1 2 1 1 计算 1 7 什2 毛仃a r 1 4 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 长安大学硕士学位论文 仃n 路面面板温度疲劳应力( m p a ) ； 仃r 路面面板温度应力( m p a ) ； 豇考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力系数。 温度疲劳应力系数按公式【”j 2 1 2 计算 毛= 球才刁 式中： 口、b 、c 回归系数，按所在地区的公路自然区划查表2 7 确定。 表2 7 回归系数a 、b 、c 最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力按公式1 1 5 j 2 1 3 计算 a 墨坐 ( 2 1 3 ) a ，。2 ( l 1 - v 。) ( z 1 3 ) 式中： e 混凝土弯拉弹性模量( m p a ) ； 口混凝土温度膨胀系数； 7 混凝土路面面板上、下层温度差( ) ，与混凝土面板的最大温度梯度值 i 有关，按我国水泥混凝土路面设计规范，i 依据公路所在地的公路自 然区划1 4 】按表2 8 选用。； u 混凝土泊松比。 表2 8 预应力混凝土路面面板的最大温度梯度计算值 1 5 第二章斜张法预应力混凝土路面设计方法研究 3 、路基摩阻应力分析 = 以以 ( 2 1 4 ) 式中： 仃，路基摩阻应力( m p a ) ； 以路基摩擦系数； p 混凝土密度( g c m 3 ) ； z 计算荷位距板端的距离( 聊) ，宜取路面面板长度的一半。 2 1 3 斜张法预应力混凝土路面关键设计参数 1 、斜向预应力筋与路面长度方向夹角a 由斜张法预应力路面设计准则公式2 6 可得到纵向预应力值与横向预应力值计算公 式，分别如式2 1 5 与2 1 6 所示。 ( 1 ) 纵向预应力值计算公式 仃刀- ? ( o r h ，+ 仃a n ) + 仃f z ( 2 1 5 ) ( 2 ) 横向预应力值计算公式 仃声= 仃t a n a ( 2 1 6 ) 式中： 口斜向预应力筋与路面长度方向夹角( 。) ； 仃厦横向预应力值( 脚口) 。 1 6 长安大学硕士学位论文 图2 1 斜张法双向预应力筋间距布置图 由式2 1 6 可知，倾角a 值越小，混凝土路面板所受横向压应力越小。对于路面宽度 较小的混凝土板，横向预应力对路面承载力影响不大，可将倾角a 尽可能调小；而对路 面宽度较大的板，则可根据所需施加横向预应力的大小，适当调整倾角a 。由于纵向预 应力值一般应大于横向预应力值，所以a 的取值一般为0 。4 5 。之间。 2 、斜向预应力钢筋布置间距【1 6 】 通过对斜向预应力筋进行受力分析，得出斜向预应力筋间距计算公式如2 1 7 与2 1 8 所示。 s ：三! 垒二型兰丝兰竺竺( 2 1 7 ) o p y ，z 三：兰! 坠二型兰生兰! 竺! 竺( 2 1 8 ) l = o 一 lz 16 ， 仃办s m 口 式中： 预应力筋张拉控制应力( m p a ) ； 仃。总预应力损失值( m p a ) ； 彳口预应力筋面积( m m 2 ) ； 厅混凝土路面板厚度( m m ) ； s 斜向预应力筋沿横截面的间距( m m ) ； 三斜向预应力筋沿路面纵向的间距( m m ) ； a 斜向预应力筋纵向倾角( o ) 。 由上式分析可知，当预应力值大小、混凝土板厚确定后，斜向预应力筋的间距与预 应力筋的截面尺寸a p 及口有关。当a 一定时，4 越大，斜向预应力筋水平间距三越小， 预应力筋布置越密集；彳。越小，斜向预应力筋水平间距三越大，预应力筋布置越稀疏。 1 7 第二章斜张法预应力混凝土路面设计方法研究 同理，当么。一定时，a 越大，斜向预应力筋水平间距工越小；口越小，斜向预应力筋水 平间距三越大。因此，设计斜张法预应力混凝土路面时，在保证预压应力满足设计要求 的前提下，还要从路面的经济性考虑。 3 、局部承压区设计 斜张法预应力混凝土路面的锚固端形式与纵向预应力有所不同。由于斜向预应力筋 与路面纵向有一定角度，所以铺筑时要间隔一定距离预留一个u 形的空间来保证预应力 筋张拉时的需要，保证千斤项张拉时与混凝土垂直。同时，由于无粘结预应力混凝土路 面预应力的施加主要集中在锚固端，锚固端垫板作用在混凝土上的面积往往很小，因此 路面板锚固端的混凝土将承受较大的局部压力。所以u 形装置两侧的螺旋筋可以有效减 少锚固端的局部承压。u 形装置示意图如图2 2 所示。 。 秘 图2 2u 形装置示意图 当混凝土强度或变形的能力不足时，路面板锚固端混凝土将产生裂缝，甚至会发生 局部受压破坏。因此，设计时既要保证在张拉预应力筋时锚固端的混凝土不开裂或不产 生过大的变形，又要求锚固端所需配置的间接钢筋须满足局部受压承载力的要求，还要 保证预应力筋张拉时所需空间要求。 ( 1 ) 端部受压截面尺寸验掣”】 e 1 3 5 # 。届z 气 ( 2 1 9 ) 式中： f 局部受压面上作用的局部荷载或局部压力设计值；对后张法预应力混凝土 构件中的锚头局压区的压力设计值，应取1 2 倍张拉控制力，即 巧= 1 2 仃。o a p 。此处，o c o n 为张拉控制应力值，建议按下表2 9 取值；彳一为 预应力筋的截面积： z 混凝土抗压强度设计值；在后张法预应力混凝土构件的张拉阶段验算中， 应取相应阶段的混凝土立方体抗压强度兀，值。 1 8 长安大学硕士学位论文 卢，混凝土强度影响系数，反映了混凝土强度等级对局部受压的影响。当混凝 土强度等级不超过c 5 0 时，取色= 1 ；当混凝土强度等级为c 8 0 时，取玩= 0 8 ； 其间按线性内插法取用。 届混凝土局部受压时的强度提高系数，屏2 鲁。其中，4 一混凝土局部受 压面积，当有垫板时可考虑预压力沿锚具垫圈边缘在垫板中按4 5 0 扩散后传 至混凝土的受压面积。4 一局部受压的计算底面积，可根据局部受压面积 与计算底面积同心、对称的原则确定( 如图2 3 取用) 。 a 混凝土局部受压净面积。 表2 9 张拉控制应力容许值 钢筋种类 后张预应力仃。 碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线 冷拔低炭钢丝、热处理钢筋 冷拉钢筋 注：表中厶及厶表示预应力钢筋的强度标准值。碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线、冷拔低炭钢丝、 热处理钢筋的强度标准值是指极限抗拉强度f p t k ；热轧钢