基于模擬試驗的預應力混凝土路面設計與施工

李健華

(廣東省冶金建筑設計研究院有限公司,廣東 廣州 510030)

普通水泥混凝土路面具有強度高、造價低、夜間行車可視性強、穩定性好等特點,但在高壓環境下時,其承壓能力仍然偏低,存在一定的缺陷[1]。其中,預應力混凝土路面由于閾值不同,其路面板薄而長,不同的受力面可以保證路面均衡且不開裂,日常的維護處理成本也較低,可以更好地保證路面的安全程度[2]。單一的預應力混凝土路面在建設中容易受到外部環境及特定因素的影響,如果路面設計出現誤差,對后續的建設會造成很大影響[3]。模擬試驗技術是一種試驗方式,大致可以劃分為動物模擬試驗和檢材模擬試驗。此次僅使用檢材模擬試驗的方式完成輔助[4]。綜合預應力混凝土路面的建設需求,采用多階方式安裝加固預應力筋,從而能夠有效避免路面斜向、下沉等問題,確保縱向、橫向各個方向的壓應力保持均衡,降低路面出現裂縫的概率[5]。

1 工程概況

采用模擬試驗的方式,對選定的G預應力混凝土路面進行測定與驗證分析。該工程試驗路段全長1 800 m,路面的寬度為10.5 m,結合實際的建設施工需求,擬定該路面的初始厚度為18 cm,保護層的側向厚度為3.2 cm。建設過程中,應采取分段施工方式[6]。共分為5個路段,每一個路段路面情況均不同,要結合當前的施工要求作出合理整合,再對混凝土路面設計基礎指標及參數進行設定,如表1所示。

表1 混凝土路面設計施工基礎指標及參數表

根據表1,完成對混凝土路面設計施工基礎指標及參數的設置與分析。隨即以此為基礎,結合模擬試驗的限制標準,測定預應力混凝土路面的建設等級,設置施工的目標可靠度保證在85%以上,測定計算出混凝土的線膨脹系數,見式(1):

(1)

其中,G為混凝土的線膨脹系數;ε為可靠度系數;m為覆蓋識別范圍;n為堆疊范圍;η為混凝土的容重。將計算得出的線膨脹系數設置為施工基準值,完成對測試環境的搭建,接下來,采用模擬試驗的方式,進行具體測定分析。

2 預應力混凝土路面設計分析

在對預應力混凝土路面進行設計之前,需要對其受力情況及點位進行分析測定。先提取出路面的荷載特性。隨著路面荷載輕重的變化,對路面內置的支撐結構會造成一定影響,同樣也是預應力混凝土路面設計的依據。可以先在施工測定的路面上標定出各個支撐受力點,計算出混凝土受力點的彎拉彈性模量,見式(2):

(2)

其中,D為受力點的彎拉彈性模量;h為回歸系數;d為初始疲勞應力;β為單元預應力;y為劃歸區域;a為加固范圍。結合上述設定,完成對受力點彎拉彈性模量的計算。將計算得出的受力點彎拉彈性模量設置為路面設計的基準值,再明確受力點的具體位置,同時對支撐結構進行加固處理,預應力混凝土路面支撐加筋結構如圖1所示。

根據圖1,完成對預應力混凝土路面支撐結構加筋結構的設計與分析,并以此為基礎對路面支撐加固的位置進行二次維護,最后設定對應路面設計參數見表2。

表2 預應力混凝土路面設計參數表

根據表2,完成對預應力混凝土路面設計參數的設置與分析,在加固的預應力筋布置位置設置監測裝置,以便實時開展數據及信息的獲取采集。基于上述得出的受力點彎拉彈性模量及加筋結構,構建路面基礎設計方案并標定出相應設計點位,為后續施工建設提供依據。

3 設計預應力混凝土路面施工模擬試驗技術

3.1 立模及滑動層鋪設處理

結合模擬試驗模式對預應力混凝土路面施工需求及標準變化進行立模及滑動層鋪設處理,要確保與基層頂面緊貼并縮小縫隙,保證鋪設平整,再核查此時頂板接頭處是否穩定并設定試驗數值,如表3所示。

表3 混凝土路面立模試驗參數表

根據表3,完成對混凝土路面立模試驗參數的設置,在此基礎上進行滑動層的安裝及定向鋪設。其中,滑動層的設置必須保持在路面基層頂面,以便降低路面壓力及出現裂縫的概率。要確保基層無凹坑并將路面清掃干凈,調整砂層鋪撒的厚度為6.5 mm～12.5 mm,在立模上鋪設聚乙烯塑料薄膜,待黏合之后提高整體的防滲水能力,避免滑動層材料的散失。

3.2 預應力損失比測定及路面鋼筋加固

預應力混凝土路面的加固處理涉及加工拉桿、預應力鋼筋以及構造鋼筋等的安裝設置。首先,可以檢查預應力鋼筋的數量、規格是否處于最佳狀態,顯示無誤差之后,再使用設備進行切割處理,保持鋼筋自身的直度。如果顯示彎曲度過大則表示不適用,可以適當剔除。通過在基礎混凝土路面中分兩層設置,在縱向鋼筋外設置20 cm 的間隔距離,并同時安裝關聯的箍筋。結合模擬試驗技術測定出預應力的損失范圍波動比,一般應控制在2.5～3.5之間為最佳,最后將箍筋用細鐵絲捆綁在縱向結構上,從而測定計算出預應力筋的布設角度,見式(3):

(3)

其中,P為預應力筋布設角度;λ為跨度寬度;ω為單元值;q為預應力筋的數量;δ為縱向夾角;R為區域間距。結合上述得出的預應力筋布設角度,進行加固鋼筋的布設,在交叉位置上間隔放置支撐鋼筋架并進行校直,再用扎絲綁扎緊固后即完成基礎布置。

3.3 多層級攤鋪處理及張拉預應力筋

完成對預應力損失比測定及路面鋼筋加固之后,接下來,對路面進行攤鋪處理、養護及張拉預應力筋。先將支撐點進行密集排振,通過拉桿實現路面內置結構的基礎性安裝,再以此為基礎進行切縫處理。在攤鋪前要對路面進行灑水潤濕作業并測定計算出坍落度,保持其處于合理范圍后,即可測定計算出路面試件的抗壓抗折強度,采用模擬試驗的方式,計算出松鋪系數為1.25～1.38,坍落度為12 mm～45 mm的拌合物。

針對標定的位置進行振搗,設置時間應控制在12 s～35 s 之間為宜,再進行張拉預應力筋處理。要將初始預應力施加到混凝土模板之上,盡量消除摩擦約束出現的拉應力,并測定實時的張拉控制應力為1 366 MPa,平均抗壓強度為135 MPa,路面設計的強度控制在75%即可。再結合模擬試驗技術,進行第二次的張拉處理,卸荷處理的同時進行錨固施工,把加固的夾片錨分別布設在預應力混凝土路面的兩側,路肩上設置張拉預應力筋,實現基礎性加固處理。

3.4 封錨與伸縮縫處理實現施工

完成對攤鋪處理及張拉預應力筋之后對其進行封錨處理,應及時對伸縮縫進行填充以完成施工。預應力張筋處理之后,應結合模擬試驗技術,利用設備切除長預應力筋,將錨索封閉在路的兩側并切斷鋼絞線,在夾片錨具外設置輔助的限制施工防護結構,完成封錨處理。再采用澆筑的方式對伸縮縫進行填充,具體如圖2所示。

根據圖2,完成對伸縮縫填充的處理。這樣的形式可以進一步強化預應力混凝土路面的建設施工強度,也可以消除施工過程中的問題。

4 工程施工結果分析

完成對上述的測定施工之后,應結合模擬試驗技術對選定的5個路段依次開展路面承壓值測定分析,測試結果對比分析如表4所示。

表4 測試結果對比分析表

根據表4完成對測試結果的分析,5個路段路面最終得出的受壓承載力均可以達到350 MPa以上,說明在模擬試驗技術支持下,路面設計與施工效果都得到明顯提升,具有實際應用價值。

5 結語

綜上所述,完成對基于模擬試驗的預應力混凝土路面設計與施工技術的分析研究。與初始的預應力混凝土路面施工形式相比對,此次結合模擬試驗技術,所設計的施工結構具有更強的針對性與穩定性,在路面承載力計算、路面承壓效果測定以及路面病害的控制等方面都取得了一定效果,大大提升日常車輛運行的安全性及舒適度,在面對復雜的施工環境時,還可以強化混凝土路面的承重能力,增加對各個位置預應力的均衡控制,在保證道路運行通暢的基礎上,更提升了預應力混凝土路面的質量。