CN101775768A - 斜张法双向预应力混凝土路面制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了斜张法双向预应力混凝土路面制备方法。制备方法步骤为：路面材料参数确定、荷载应力分析、温度应力分析、基层摩阻应力分析、预应力计算、预应力筋数量计算、预应力筋布置间距计算。并包括预应力筋、构造钢筋的布置及U型模板的设计。斜张法双向预应力混凝土路面具有承载力强、抗变形能力好，路面无裂缝，接缝少，行车舒适的特点，斜张法双向预应力技术对路面可施加双向预应力，即纵向预应力与横向预应力，比单一方向施加预应力更适合路面受力状况。斜张法双向预应力混凝土路面施工方便，施工进度快。用于机场跑道及各等级公路路面、收费站、停车场。

Description

斜张法双向预应力混凝土路面制备方法

技术领域

本发明涉及混凝土路面制备方法，具体涉及斜张法双向预应力混凝土路面制备方法。

背景技术

水泥混凝土路面具有得天独厚的优点，混凝土路面强度高，稳定性好，使用寿命长，但路面存在大量的横向接缝，导致经常发生挤碎、拱起、错台、唧泥等病害，同时，大量的横向接缝也会增加路面噪声，影响行车的舒适性。

预应力混凝土路面具有承载力高、抗变形能力强，路面耐久性高、行车舒适性好等特点，二十世纪四十年代在国外有所研究和发展。最早的使用是在法国，后来英国和其它欧洲国家先后将其用于道路路面或机场道面。美国、日本和前苏联等国家也都修建了一定数量的预应力水泥混凝土路面和机场跑道。但这些路面都是纵向布置预应力钢筋，存在施工周期长，施工复杂的缺陷，纵向预应力的施加大大提高了路面的纵向承荷能力，但对路面面板横向抗弯拉强度几乎不起任何作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种承载力强、抗变形能力好、无裂缝、施工方便、接缝少、行车舒适，路面既有纵向预应力，又有横向预应力，并有较大的柔性和弹性，故是能承受多次重复荷载作用而不破坏的斜张法双向预应力混凝土路面的制备方法。

为了克服现有技术的不足，本发明的技术方案是这样解决的：一种斜张法双向预应力混凝土路面制备方法，本发明的特殊之处在于通过确定混凝土需施加的预应力的大小，进一步确定混凝土路面斜张法双向预应力筋数量和间距。

所述预应力筋分为两层布置，下层预应力筋位于路面厚度中心以下0～2cm处，上层预应力筋紧靠下层预应力筋之上布置。

所述预应力筋根据路面长度和宽度的比例确定预应力筋与路面纵向形成的角度，该角度范围为0～45度。

所述预应力筋的锚固区设置局部承压装置，该装置为U型模板和螺旋钢筋。

所述路面两侧的U型、横向及纵向构造钢筋的布设是为加强混凝土路面两侧的抗剪切强度。

所述预应力筋的张拉是在路面两侧或单侧进行，根据实际施工场地的张拉空间确定。

所述预应力筋为无粘结预应力钢绞线。

利用斜张法双向预应力混凝土路面的制备方法，具体按下述步骤进行：

1.预应力钢绞线间距计算

(1)路面材料参数确定

确定普通混凝土面层的弯拉强度标准值及其弯拉弹性模量，基层顶面当量回弹模量。

(2)荷载应力分析

预应力混凝土面层的相对刚度半径计算式为：

$r=0.537h{\left(\frac{E_c}{E_t}\right)}^{1/3}$

式中r为预应力混凝土面层的相对刚度半径；h为路面面板厚度；E_c为水泥混凝土的弯拉弹性模量；E_t为基层顶面当量回弹模量；0.537刚度半径计算系数。

标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算式为：

σ_L＝0.077r^0.60h^-2

式中σ_L为荷载应力；r为混凝土面层的相对刚度半径；h为路面厚度；0.077临界荷位处产生的荷载应力计算系数。

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为：

k_f＝N_e ^v

式中k_f为疲劳应力系数；N_e为设计基准期内标准轴载累计作用次数；v为与混合料性质有关的指数，预应力混凝土路面中v＝0.057。

根据公路等级，考虑偏载和动载因素对路面疲劳损坏影响的综合系数k_c；荷载疲劳应力计算式为：

σ_Lr＝k_fk_cσ_L

式中σ_Lr为荷载疲劳应力；k_f为疲劳应力系数；k_c为偏载和动载因素对路面疲劳损坏影响的综合系数，高速公路取1.30，一级公路取1.25，二级公路取1.20，三、四级公路c取1.10；σ_L为荷载应力。

(3)温度应力分析

混凝土板的温度翘曲应力计算为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ΔT}}=\frac{E_c{\mathrm{\α}}_c\mathrm{\ΔT}}{2(1-v_c)}$

式中σ_ΔT为混凝土板的温度翘曲应力；E_c为水泥混凝土的弯拉弹性模量；ΔT为混凝土路面面板上、下层温度差(℃)；v_c为混凝土的泊松比；α_c为混凝土温度膨胀系数。

温度疲劳应力系数k_t，计算式为

$k_t=\frac{f_r}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δt}}}[a{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δt}}}{f_r}\right)}^c-b]$

式中k_t为考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力系数；σ_ΔT为路面面板温度应力；f_r为混凝土弯拉强度标准值；a、b、c为公路自然区划中确定的回归系数。

温度疲劳应力计算式为：

σ_ΔTr＝k_tσ_ΔT

式中σ_ΔTr为温度疲劳应力；k_t为考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力系数；σ_ΔT为混凝土板的温度翘曲应力。

(4)路基摩阻应力分析

σ_F＝μ_rρχ

式中σ_F为路基摩阻应力；μ_r为路基摩阻系数；ρ为混凝土密度；χ为计算荷位距板端的距离。

(5)预压应力计算

根据公路等级，查得目标可靠度和变异水平等级，确定可靠度系数γ

γ(σ_Lr+σ_ΔTr)+σ_F-σ_P≤f_r

即可求出σ_p。

式中γ为可靠度系数；σ_Lr为荷载疲劳应力；σ_ΔTr为温度疲劳应力；σ_F为路基摩阻应力；σ_p为有效预应力引起的混凝土中的平均压应力；f_r为混凝土弯拉强度标准值。

(6)预应力钢筋数量计算式

采用直径为d的无粘结预应力钢绞线双向交叉布置需施加力为：

F＝σ_P×h×w

式中F为预应力筋需施加预压力；σ_p为有效预应力引起的混凝土中的平均压应力；h为路面面板厚度；w为试验路单幅路宽。

钢筋与路面面板纵向轴线构成夹角为α，则预压力为：

F_N＝F/cosα

因此，路面面板的单侧预压力为：

F_D＝F_N/2

预应力筋的极限抗拉强度为f_t，则单根预应力筋的有效预应力为：

f_E＝f_t×75％×80％

式中f_N为有效预应力；75％为张拉应力达到抗拉强度的比例；80％为考虑应力损失为20％后实际预应力取80％。

钢筋的截面积为A_s，则每根钢筋上的有效预张拉力计算为：

F_r＝A_s×f_E

则在单侧预应力作用下横截面上的钢筋数量为：

N＝F_D/F_r

由于钢筋交叉布置，所以横截面上的钢筋数量为2N根，横截面上钢筋的布置间距为：

D＝W/N

式中W为试验路单幅路宽；N为单侧预应力作用下横截面上钢筋数量；

沿板长方向钢筋的布置间距为：

S＝D/tanα

式中D为横截面上钢筋布置间距。

众所周知，混凝土的主要特性就是抗压强度远大于抗拉强度，而预应力水泥混凝土路面充分考虑到这一特性，预先在工作截面上施加压应力，可提高混凝土的抗弯拉强度，提高承受荷载能力，改善路面板的受力性能，使其受弯变形能力提高而不出现裂缝，使其具有普通水泥混凝土路面无法比拟的优点；预应力的存在可使混凝土路面获得较高的承载力、抗变形能力，减少了横向开裂的可能性，提高了路面的耐久性。另外，预应力水泥混凝土路面板较长、接缝少，增强了行车舒适性。

预应力混凝土路面能抵消一部分车轮荷载和温度变化所引起的拉应力，板厚可以减薄到10～15cm，板长可以增大到100～150m，而且可以减少裂缝，防止裂缝的扩展。与普通混凝土路面相比，预应力混凝土路面具有较大的柔性和弹性，故能承受多次重复荷载作用而不破坏，对基础的不均匀变化也有较大的适应性；这种路面宜用强度等级为C35～C40的混凝土，基础上应铺沥青砂浆或塑料薄膜等，以利于板体的伸缩滑动，并可减少预应力的损失。

斜张法双向预应力混凝土路面与普通预应力混凝土路面相比较，具有以下优点：

(1)、斜张法双向预应力混凝土路面是考虑连续施工而设置的路面结构，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，比单一方向产生预应力更适合路面的受力状况；

(2)、斜张法双向预应力混凝土路面预应力筋的设置，预应力筋分两层布设置，第一层预应力筋设置在距路面厚度中间0～2cm处，第二层预应力筋紧挨第一层预应力筋上方布置；

(3)、预应力筋的直径可采用12.7mm或15.2mm无粘结预应力钢绞线；

(4)、斜张法双向预应力混凝土路面的预应力筋的张拉可在路面两侧进行，提高了施工进度，张拉控制应力采用精密油泵控制；

(5)、预应力筋与路面纵向形成的角度范围为0～45度。

附图说明

图1为本发明U型模板结构示意图；

图2为下层钢绞线穿出位置结构示意图；

图3为上层钢绞线穿出位置结构示意图；

图4为构造钢筋布置结构示意图；

图5为板端构造钢筋布置示意图；

图6为预应力混凝土路面横断面结构示意图；

图7为试验路预应力筋布置示意图；

图8为上下层预应力筋于试验路侧面示意图；

附图标注代号名称：1为锚具；2为预应力筋；3为U型模板；4为下层预应力筋穿出位置；5为U型模板侧翼中线；6为上层预应力筋穿出位置；7为U型模板处的横向构造钢筋；8为U型模板间的横向构造钢筋；9为纵向构造钢筋；10为U型构造钢筋；11为端部构造钢筋；12为路面纵缝；13为预应力混凝土路面；14为1～2cm砂层+聚乙烯薄膜；15为路面基层；16为路面厚度中线；17为上层预应力筋；18为下层预应力筋。

具体实施方式

附图为本发明的实施例。

下面结合附图及实例对发明内容作进一步说明：

一种斜张法双向预应力混凝土路面制备方法，通过确定混凝土需施加的预应力的大小，进一步确定混凝土路面斜张法预应力筋数量和间距。

所述预应力筋分为两层布置，下层预应力筋位于路面厚度中心以下0～2cm处，上层预应力筋紧靠下层预应力筋之上布置。

所述预应力筋根据路面长度和宽度的比例确定预应力筋与路面纵向形成的角度，该角度范围为0～45°。

所述上层预应力筋和下层预应力筋为提高混凝土锚固区的局部承压能力，混凝土路面局部设置有承压装置，该装置为U型模板和螺旋钢筋。

所述预应力筋为加强混凝土路面两侧的抗剪切强度，在路面两侧布置纵向及横向构造钢筋。

所述预应力筋的张拉是在路面两侧或单侧张拉，根据实际施工场地的张拉空间确定。

所述预应力筋为无粘结预应力钢绞线。

图1、图2、图3所示，U型模板3采用钢模板，模板底面与基层顶面紧贴，局部低洼处空隙事先用水泥砂浆铺平，U型模板安装完毕后检查接头处的高差和模板内侧是否有错位，接头处的高差控制在3mm以内。

U型模板3的位置要严格按施工图纸摆放，不能有较大偏差，如果U型模板3摆放位置不正确，将导致同一水平面上预应力筋2位置不平行，张拉后会引起受力不均匀，U型模板3的厚度应不小于3mm，U型模板3的尺寸通过张拉端局部受压计算得出，U型模板3的高度与路面厚度一致，U型模板3的底层与斜边夹角根据预应力筋与路面形成的角度确定，U型模板3两个斜边均连接有锚具1，锚具1锚固预应力筋2。

图2所示为下层钢绞线穿出位置结构示意图；其中：4为下层预应力筋穿出位置；5为U型模板侧翼中线。

图3所示为上层钢绞线穿出位置结构示意图；其中：6为上层预应力筋穿出位置；5为U型模板侧翼中线。

图4、5所示，构造钢筋分为纵向构造钢筋9、一横向构造钢筋7与另一横向构造钢筋8和U型构造钢筋10，纵向构造钢筋9采用直径10～14mm的螺纹钢筋；横向构造钢筋7与8采用直径6～8mm的光圆钢筋，一横向构造钢筋7位于U型模板所在位置处，另一横向构造钢筋8位于U型模板之间位置处；U型构造钢筋10采用直径6～8mm的光圆钢筋；纵向构造钢筋沿路面纵向布置，紧挨U型模板内侧，分两层布置，每层两根，纵向构造钢筋定位后，横向构造钢筋用细铁丝正交绑扎于纵向构造钢筋，U型构造钢筋沿U型模板内缘布置；路面板端无斜向预应力筋的位置用间距为25cm×25cm的钢筋网11加强；构造钢筋分两层布设，布设构造钢筋时，下层位置处从下到上依次为U型构造钢筋10、一横向构造钢筋7或另一横向构造钢筋8、纵向构造钢筋9，上层位置处从下到上依次为纵向构造钢筋9、一横向构造钢筋7或另一横向构造钢筋8、U型构造钢筋10。

图6所示为预应力混凝土路面横断面结构示意图；13为预应力混凝土路面；14为1～2cm砂层+聚乙烯薄膜，其中砂粒直径小于0.3mm；15为路面基层。滑动层14设置在基层15顶面，基层应平整无坑凹，滑动层14是在基层上均匀铺设1～2cm厚的砂层，其中砂粒直径小于0.3mm，并在砂层上铺一层聚乙烯薄膜起到整平和减小摩阻力作用，聚乙烯薄膜的搭接处用透明胶带粘合成整体以防止渗水及细砂的散失。

图7所示为试验路预应力筋布置示意图；3为U型模板；17为上层预应力筋；18为下层预应力筋。

图8所示为上下层预应力筋于试验路侧面示意图；16为路面厚度中线；17为上层预应力筋；18为下层预应力筋。

实施例1

斜张法双向预应力混凝土路面制备方法，按下述步骤进行：

以二级公路预应力混凝土路面设计为例，假定路面长度100m，路面厚度22cm，路面宽度4.5m。

(1)路面材料参数确定

取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0MPa，相应弯拉弹性模量取31000Mpa；基层顶面当量回弹模量E_t取165Mpa；

预应力混凝土板的相对刚度半径：

$r=0.537h{\left(\frac{E_c}{E_t}\right)}^{1/3}=0.537*0.22*{\left(\frac{31000}{165}\right)}^{1/3}$

(2)荷载应力分析

标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为：

σ_L＝0.077r^0.60h^-2＝0.077*0.677^0.60*0.22^-2＝1.259

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k_f＝N_e ^v＝(100×10⁴)^0.057＝2.198，根据公路等级，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数k_c＝1.20；

荷载疲劳应力计算为：

σ_Lr＝k_fk_cσ_L＝2.198×1.2×1.259＝3.32(MPa)

(3)温度应力分析

混凝土板的温度翘曲应力计算为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ΔT}}=\frac{E_c{\mathrm{\α}}_c\mathrm{\ΔT}}{2(1-v_c)}=\frac{31000*1*{10}^{-5}*0.80*22}{2\×(1-0.15)}=3.20\left(\mathrm{MPa}\right)$

温度疲劳应力系数k_t，查表得a＝0.837，b＝0.038，c＝1.382，计算为：

$k_t=\frac{f_r}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δt}}}[a{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\Δt}}}{f_r}\right)}^c-b]=0.66$

计算温度疲劳应力为：

σ_ΔTr＝k_tσ_ΔT＝2.11MPa

(4)路基摩阻应力分析

σ_F＝μ_rρχ＝0.8×0.02471×50＝0.9984(MPa)

(5)预压应力计算

二级公路的安全等级为三级，相应于三级安全等级的变异水平等级为中级，目标可靠度为85％。再据查得的目标可靠度和变异水平等级，确定可靠度系数γ＝1.13；

γ(σ_Lr+σ_ΔTr)+σ_F-σ_P＝1.13×(3.32+2.11)+0.9884-σ_P≤f_r

σ_P≥2.113(MPa)

(6)预应力钢筋数量计算

采用直径为15.2mm的无粘结预应力钢绞线双向交叉布置需施加力

2.113×0.22×4.5＝2091.87KN

若钢筋与纵向成30度角设置，则预压力为：

2091.87/cos(30°)＝2415.6KN

因此，路面板的单侧预应力为：

2415.6/2＝1207.8KN

预应力钢筋的抗拉强度为1860MPa，则有效预应力为1860*75％*80％＝1116MPa，钢筋的截面积为140mm²，则每根钢筋上的有效预应力计算为：

140mm²*1116MPa＝156.24KN

则在单侧预应力作用下横截面上的钢筋数量为1207.8/156.24＝7.7≈8根

由于钢筋交叉布置，所以横截面上的钢筋数量为16根。

横截面上单侧钢筋的布置间距为4.5/8＝0.56m

沿板长方向单侧钢筋的布置间距为0.56/tan30＝1m。

Claims (7)

1.一种斜张法双向预应力混凝土路面制备方法，其特征在于通过确定混凝土路面需施加的预应力的大小，进一步确定混凝土路面斜张法双向预应力筋数量和间距，斜张法双向预应力混凝土路面可提高混凝土路面的承载能力和耐久性，抵消产生的应力，取消混凝土路面的横向缩缝。

2.根据权利要求1所述的斜张法双向预应力混凝土路面制备方法，其特征在于所述预应力筋分为两层布置，下层预应力筋位于路面厚度中心以下0～2cm处，上层预应力筋紧靠下层预应力筋之上布置。

3.根据权利要求1所述的斜张法双向预应力混凝土路面制备方法，其特征在于所述预应力筋与路面纵向形成的角度可根据路面长度和宽度的比例确定，该角度范围为0～45度。

4.根据权利要求2所述的斜张法双向预应力混凝土路面制备方法，其特征在于所述预应力筋的锚固区设置局部承压装置，该装置为U型模板和螺旋钢筋。

5.根据权利要求1所述的斜张法双向预应力混凝土路面制备方法，其特征在于所述路面两侧的U型、横向及纵向构造钢筋的布设是为加强混凝土路面两侧的抗剪切强度。

6.根据权利要求1所述的斜张法双向预应力混凝土路面制备方法，其特征在于所述预应力筋的张拉可在路面两侧或单侧进行，根据实际施工场地的张拉空间确定。

7.根据权利要求1所述的斜张法双向预应力混凝土路面制备方法，其特征在于所述预应力筋为无粘结预应力钢绞线。

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