预应力混凝土路面的发展与研究

摘要：本文对世界各国在预应力路面方面所做的工作进行了回顾与展望。主要就以下几个方面进行阐述：预应力混凝土路面的发展，其优缺点、预应力混凝土路面类型、材料要求、设计方法、路基约束、费用及其未来的进一步研究工作。

　　尽管预应力的原理被广泛地应用于房屋、桥梁等结构领域，但在道路上的应用却很有限。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。预应力混凝土路面就是充分利用这一特性，事先在工作截面上施加压应力，以提高它的抗弯拉强度，提高承受荷载能力。国外对预应力混凝土路面做了较多的研究，国内尚未开展此项研究工作。
　　由于预应力混凝土路面提高了截面的实际抗弯强度，因而在相同的荷载作用下，路面板的厚度比普通混凝土路面要薄，一般为10～15cm。如果再薄会使路面板产生过大的挠度，对路面板的耐久性和地基的稳定性都不利，另外，也增大了施工难度。预应力使混凝土路面板长可大大增大，一般取90～120m，国外也有长达150～300m。

　　预应力混凝土路面是二十世纪四十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，后来在英国和其它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。
　　据载世界上第一条预应力混凝土路面出现在法国的Luzancy的一座桥梁的引路上。但直到1947年，闻名于世的Orly跑道的建成才使预应力混凝土路面完全确立。当时，该跑道为了满足现代飞行的需要而设置的。全长409.5m，由带横向钢丝索和台座的三角形面板组成。1953年，在同一地点，在连续的矩形板上采用了开口式千斤顶和横向钢丝索，其它工程诸如：在Luzancy和Esbly使用了斜向钢丝索，而在长295.2m的Bourg-Servas路段上采用了开口式千斤顶和墩座的“连续型”板(即无膨胀缝、连续的混凝土板)。
　　其中，一条试验路是板边薄于板中，其他都是平均约15cm厚的等截面。法国除在Bourg-Servas路上使用了5.18MPa的初始预应力外，对板所施加的纵向预应力在数量级上与其他国家都相同。法国工程师不赞成横向施加预应力。
　　英国是自1950年的Crawley道路才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(采用了Freysinnet型钢丝索和锚具，24.6m长的钢索在2.25m中心处形成了一个菱形图案)进行了研究。其后又先后修建了伦敦机场的停机坪、Essex道路、Port TaLbot道路、Catwick停机坪等。
　　英国的预应力混凝土路面板绝大多数都是“单独型”的，即有钢丝索和分隔的膨胀缝。因为它们认为，“单独型”板要好于“连续型”。在英国，广泛地使用15cm等厚板，除在伦敦机场上用的三角形板为16.25cm外。它曾使用的最大截面是25cm等厚板，而一块采用开口式千斤顶的板却为10cm厚。
　　英国的纵向预应力一般为：1.575MPa(公路)，3.15MPa(机场)，1.925MPa(斜向钢丝束)；横向预应力一般少于0.35MPa，除三角形板外。
　　在德国一些有关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1953年才开始在Mergelstetten修筑预应力路面，其后又修筑了几条道路。
　　美国最早著名的Patuxent River Navae Air Station预应力道面是由Bureau of Yards and Docks于1953～1954年建的，这是一条长150m、宽3.6m、厚17.5cm的路面，纵向钢索的初始预应力大约为4.9MPa。其后又修了许多试验路，其中较近的就是1980年闻名的芝加歌O′Hare国际机场上所建的预应力混凝土罩面(240m长，45m宽，20～22.5cm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50年代左右起步，巴西也于1972～1978年在里约热内卢修了一条厚18cm、面积为552〖KG*4〗000m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，其中较近的如荷兰在Schipol建的(1980～1987年)。

　　许多研究工作表明预应力混凝土路面有以下几方面的优势：
　　(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2，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。

　　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板组成。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分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。

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5　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，弯拉模量为2.10～5.25MPa。
　　一些实例中还使用矾土水泥，但其明显优势在于混凝土浇筑的高速性。
　　现有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。

6　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引起的板底受拉可被预应力和板底摩擦约束应力所抵消。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：
　　基本的设计方程牺ft＋fpf△T+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(混凝土弯折模量/安全系数)；
　　　　　f△T——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
　　　　　　　　　　　　f△T=（Ecac△T2）／(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=μ×ρ×χ
　　其中，μ为路基摩阻系数，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)，fF达到最大。在确定预应力大小时，取fF=μ×ρ×L/2。
　　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。横向预应力还未广泛被采用，一般为0～1.4MPa，当板宽不超过3.6m时，可不设横向预应力。

7　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。有些部门建议摩擦系数为0.25～0.5但在试图减小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。

8　费用

　　造价费用最能体现新生事物的发展前途，人们往往更注重其经济效益如何，而忽略了其它方面。虽然国外做过许多与传统的混凝土路面的比较分析，但仍不能说明问题，因为大部分工作都是试验性的，所以比成本费用自然要高于所预期的。很显然，当技术完善和普及时，其费用就会下降。目前，从国外一些报告可以看出，预应力混凝土路面与传统路面在建设费用上相差不大。虽然评估预应力混凝土路面的长期养护费用似乎过早，但它在养护上的经济性是十分可观的。
　　英国的Crawley的预应力道面显示了它与普通钢筋混凝土路面的建设费用基本相同。在完成第一块板的铺设后，曾进行招标修建其余的板，结果早期的投标价要低于所预计用于普通路面的造价，4个最低的报价只比普通路面的报价高6%。
　　另外，1980在美国的O'Hare机场修建了世界第一个用于商用机场道面的后张罩面。表1给出了修建前的方案比较——40年使用年限的总成本分析，尽管表1有估计成份，但也一定程度说明了预应力混凝土路面的经济效益。

表1

方案A
(普通混凝土路面)

方案B
(预应力混凝土路面)

初期项目费用

1874000

1986000

39年的接缝养护

228500

45700

每隔5年接缝的清洁和填料
(发生7次)

1001400

20年后需沥青罩面
(1980年需费用200000)

530700

30年后需沥青罩面
(1980年需费用200000)

864400

总费用

4499000

2878100

注：表中数据考虑了时间因素　　　单位：美元

9　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。作者认为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。
　　(5)接缝和排水系统的设计。
　　(6)施工程序的发展，是否能使用传统的铺路做法，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较好的直路上，“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。

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