预应力混凝土路面设计方法研究 -

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-07-01 原文发表时间:2007-07-02 人气:1

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在中国，优质沥青主要依靠进口，价格昂贵，而水泥资源相对丰富，因此，水泥混凝土路面近几年得到迅速发展。从中国路面的现状来看，普通混凝土路面常发生挤碎、拱起、错台、唧泥等病害，很有必要对现有混凝土路面进行结构和技术的革新。由于预应力混凝土路面具有很多传统的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，有必要开展特殊混凝土路面的研究工作。预应力混凝土路面是种预先加入预应力增加受拉强度的路面。它的长期使用性能明显比其它的混凝土路面好，并且，由于板长长，接缝少，改善了行车舒适性。中国预应力混凝土路面的研究尚属起步阶段，由东南大学交通学院和江苏省交通厅共同承担预应力混凝土试验路的设计。
　　试验路段位于南京新机场高速公路B标段禄口互通式立交B匝道上(BK0 080～BK0 180)，为禄口开发区与宁溧公路间的连接道路。路基宽度19 m，路面宽度14.4 m(2×7.2 m)，中央分隔带宽1.6 m，土路肩宽1.5 m。试验路全长100 m，路面板宽为7.2(单幅)。采用后张法施工。该试验路竣工于1997年6月30日，测试工作将长期定时进行。
　　根据国外的设计经验，结合中国现行规范，认为预应力路面的设计标准为：以使用年限末期混凝土板出现疲劳开裂为临界状态，采用国外与国内相结合的方法进行设计。
　　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。

1　预应力路面设计依据

1.1　预应力路面的基本设计准则

　　一般认为，路面中所施加的预应力大小主要由以下3个因素所决定：交通荷载、由温度和湿度所引起的翘曲约束、板收缩期间的板底摩擦约束。
　　基本的设计方程为

　　(1)

式中：f_p为由预应力引起的混凝土中的压应力；f_t为混凝土的容许弯曲应力(混凝土抗折模量／安全系数)；f_ΔT为由温度差引起的应力；f_F为由路基摩阻引起的应力；f_L为由荷载引起的弯曲应力。
　　如果假设温度梯度线性变化，那么温度应力为

　　(2)

式中：E_c、α_c、v_c分别为混凝土的弹性模量、温度膨胀系数和泊松比。
　　路基摩阻引起的应力为

f_F=μρχ　　(3)

式中：μ为面板与基层间的摩阻系数；ρ为混凝土的密度；χ为距千斤顶的距离。当χ=L/2(L为板长)，f_F达到最大，取f_F=μρL/2。
　　荷载应力用威斯特卡德(Westgaard)公式计算

　　(4)

式中：P为轮载；K为地基反应模量；h为路面板厚；b为当量轮压半径。

1.2　重复荷载与混凝土的疲劳特性

　　在车轮荷载的重复作用下，尽管荷载应力小于混凝土的极限抗弯拉强度，路面板仍会产生疲劳破坏，为此，在设计时，应以混凝土的疲劳特性为另一主要依据。在非预应力板中，混凝土的疲劳是以应力比SR(承受多次重复荷载最后达到破坏的应力f_t与一次达到破坏的应力f_cm的比值)来衡量的。对于预应力路面，应力比应是净工作张拉力与净开裂应力的比值^［3］，由式(5)进行计算。不同应力比的容许重复荷载次数如表1所示。

　　(5)

式中：f_cm为混凝土设计弯拉强度(Mpa)；其余符号意义同前。

　　　　　表1　应力比和荷载容许重复次数

应力比	容许重复次数	应力比	容许重复次数
0.51	400 000	0.63	14 000
0.52	300 000	0.64	11 000
0.53	240 000	0.65	8 000
0.54	180 000	0.66	6 000
0.55	130 000	0.67	4 500
0.56	100 000	0.68	3 500
0.57	75 000	0.69	2 500
0.58	57 000	0.70	2 000
0.59	42 000	0.71	1 500
0.60	32 000	0.72	1 100
0.61	24 000	0.73	850
0.62	18 000	0.74	650