一種新型裝配式預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土路面技術(shù)

張立乾 陳紅 閆晶 吳星 李兵

北京特種工程設(shè)計(jì)研究院 100028

引言

預(yù)應(yīng)力混凝土路面預(yù)先在工作截面上施加預(yù)壓應(yīng)力，以提高混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力；裝配式路面將工廠預(yù)制好的面板板塊運(yùn)輸至施工現(xiàn)場進(jìn)行裝配，實(shí)現(xiàn)快速拼裝修建、快速開放交通的目的；高強(qiáng)混凝土是指抗壓強(qiáng)度達(dá)到80MPa以上具有良好抗壓、抗彎折韌性的活性粉末混凝土。

目前國內(nèi)外在預(yù)應(yīng)力路面領(lǐng)域研究多集中在現(xiàn)澆斜向預(yù)應(yīng)力水泥混凝土領(lǐng)域，路面厚度在20cm左右，斜向預(yù)應(yīng)力混凝土路面存有路面板厚重、預(yù)應(yīng)力筋斜向編織布設(shè)效果不好、預(yù)應(yīng)力損失大且施工工序復(fù)雜、周期長的缺點(diǎn)；在裝配式預(yù)應(yīng)力路面領(lǐng)域則為單板單縱向施加預(yù)應(yīng)力，現(xiàn)場吊裝拼裝為整體，路面厚度在16cm～20cm之間，存在厚重、連接困難的問題，難以廣泛使用。

基于裝配構(gòu)件、預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)混凝土三者優(yōu)勢相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，提出一種新型裝配式預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土路面技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了裝配式路面和預(yù)應(yīng)力技術(shù)的結(jié)合，同時(shí)能夠使面層超薄化，路面構(gòu)件輕型化，現(xiàn)場裝配作業(yè)更加快速、便捷。

1 路面結(jié)構(gòu)構(gòu)造

1.1 平面布置

裝配式預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土路面橫向和縱向均可實(shí)現(xiàn)裝配拼接。裝配拼接的板塊可以是矩形或長方形，接觸面設(shè)有企口，以實(shí)現(xiàn)相鄰板拼接處傳遞豎向剪力的功能。單板縱向長度為1m，橫向?qū)挾葹?m，單板沿縱向分為端板和中板，端板一側(cè)不設(shè)企口而提供預(yù)應(yīng)力筋張拉錨固側(cè)壁，中板則為端板之間板塊，上下端均設(shè)有企口接縫。圖1 所示為縱向10 塊單板，橫向2 塊單板，共計(jì)20 塊單板構(gòu)成的一個(gè)裝配拼接單元，長10m，寬6m，面積為60m2。

圖1 20 塊板平面布置（單位：mm）Fig.1 Layout plan of 20 plates（unit：mm）

1.2 企口接縫構(gòu)造

企口接縫分為凹企口和凸企口，凹凸咬合形成一對企口接縫，見圖2。

圖2 企口拼接三維示意Fig.2 Three dimensional sketch of tongue and groove splicing

1.3 預(yù)應(yīng)力鋼筋布設(shè)

預(yù)應(yīng)力鋼筋沿板體中心布設(shè)，這樣設(shè)置的目的是為了讓預(yù)應(yīng)力筋對板體產(chǎn)生軸向正應(yīng)力，避免產(chǎn)生垂直于板體的分布力、集中力或彎矩，因?yàn)檫@些力的作用可能會影響板體和其下基層之間結(jié)合。單板體橫向長度為3m，間距1.5m，布置2道縱向預(yù)應(yīng)力；單板體縱向長度為1m，布置1道橫向預(yù)應(yīng)力，單板預(yù)制時(shí)精確預(yù)留預(yù)應(yīng)力筋孔道，考慮到縱橫預(yù)應(yīng)力鋼筋在平面內(nèi)有交叉，可以在平面交叉點(diǎn)設(shè)置微彎孔道，實(shí)現(xiàn)縱橫鋼筋的相互穿越而不對板中心線產(chǎn)生過大偏離。預(yù)應(yīng)力筋選用一根1860 級直徑15.24mm 的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線。預(yù)應(yīng)力鋼筋的布置示意見圖3，三維示意見圖4。預(yù)應(yīng)力錨具采用夾片錨具，外套防腐套。

圖3 預(yù)應(yīng)力鋼筋布設(shè)立面示意（單位：mm）Fig.3 Elevation diagram of prestressed reinforcement layout（unit：mm）

圖4 預(yù)應(yīng)力鋼筋布設(shè)三維示意Fig.4 Three dimensional diagram of prestressed reinforcement arrangement

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 計(jì)算模型

采用力學(xué)分析軟件ABAQUS建立數(shù)值計(jì)算模型，如圖5 所示。模型物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physical mechanics indicator

圖5 數(shù)值技術(shù)模型Fig.5 Numerical technology model

模型尺寸：單板3m×1m，厚0.1m，共計(jì)20塊單板構(gòu)成10m × 6m 拼裝單元?；鶎映叽?2m×8m，高度0.6m。

材料本構(gòu)關(guān)系：單板、預(yù)應(yīng)力鋼筋、錨板、基層均采用彈性本構(gòu)。

相互作用：單板底和基層頂之間為接觸關(guān)系，接觸面切向摩擦系數(shù)為0.5，法向接觸均為硬接觸；單板企口接縫之間為接觸關(guān)系，接觸面切向摩擦系數(shù)為0.5，法向接觸均為硬接觸；單板和預(yù)應(yīng)力筋之間為接觸關(guān)系，接觸面切向摩擦系數(shù)為0.1，法向接觸均為硬接觸。錨板和預(yù)應(yīng)力筋端部為綁定約束。錨板和其下單板端面為綁定約束。

邊界條件：基層四周為水平約束，土基底部為豎向約束。

預(yù)應(yīng)力的施加采用降溫模擬。定義初始溫度場為0°，單束1860級鋼絞線按照標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度50%作為張拉控制應(yīng)力的情況下，對應(yīng)的降溫為－380°。

2.2 工況及分析

為了較為全面地了解裝配板體的力學(xué)行為，設(shè)計(jì)四種工況進(jìn)行分析。

工況一：重力場＋預(yù)應(yīng)力。分析裝配板體在自重作用和預(yù)應(yīng)力作用下的力學(xué)變形行為。

工況二：重力場＋預(yù)應(yīng)力＋輪壓載荷。分析裝配板體在自重作用、預(yù)應(yīng)力作用和承受輪載作用下的力學(xué)變形行為。

工況三：重力場＋輪壓載荷。分析裝配板體在自重作用和承受輪載作用下的力學(xué)變形行為。

工況四：重力場＋預(yù)應(yīng)力＋輪壓載荷＋上吸力載荷。分析裝配板體在模擬快速通行時(shí)車輛造成的板頂負(fù)壓作用下（上吸力載荷）的力學(xué)變形行為。

四種工況作用下，板體結(jié)構(gòu)力學(xué)變形見表2。

表2 四種工況作用下板體力學(xué)變形對比Tab.2 Comparison of plate mechanical deformation under four working conditions

工況一重力場和預(yù)應(yīng)力作用下，裝配板的縱向及橫向正應(yīng)力分布云圖見圖6，可以看出，除去施加預(yù)應(yīng)力錨固點(diǎn)附近區(qū)域外，板體主體正應(yīng)力縱向?yàn)?.5MPa 左右，橫向?yàn)?.7MPa 左右，即為壓應(yīng)力儲備。預(yù)應(yīng)力云圖見圖7，根部為931.5MPa，基本沒有垂向變形。工況一條件下模型、邊界及載荷均對稱，所以載荷效應(yīng)為軸對稱。

圖6 工況一正應(yīng)力Fig.6 Normal stress under condition Ⅰ

圖7 工況一預(yù)應(yīng)力Fig.7 Prestressed under condition Ⅰ

工況二重力場、預(yù)應(yīng)力和輪載作用下，裝配板垂向變形云圖見圖8，輪壓處僅為0.0625mm。輪壓處板頂?shù)渍龖?yīng)力云圖見圖9。板底縱向壓應(yīng)力為1.325MPa，橫向壓應(yīng)力為2.327MPa，對應(yīng)的板頂壓應(yīng)力分別為3.587MPa、5.434MPa。板底沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，即為輪壓產(chǎn)生的彎拉應(yīng)力不足以抵消預(yù)加應(yīng)力。

圖8 工況二垂向位移Fig.8 Vertical displacement under condition Ⅱ

圖9 工況二輪壓處板頂?shù)卓v橫向正應(yīng)力Fig.9 Vertical and horizontal normal stress at the top and bottom of plate at the second wheel of working condition

工況三重力場和輪載作用下，裝配板垂向變形云圖見圖10，垂向位移和工況二相近，但計(jì)算執(zhí)行到17 步，最終未能收斂，分析原因可能是接觸面相互脫開所致。輪壓處板頂?shù)渍龖?yīng)力云圖見圖11。板底縱向拉應(yīng)力0.496MPa，橫向拉應(yīng)力為1.185MPa，對應(yīng)的板頂壓應(yīng)力分別為0.584MPa、1.244MPa。工況二、三條件下模型、邊界對稱，但輪載未作用在結(jié)構(gòu)中心，所以載荷效應(yīng)呈現(xiàn)非對稱。

圖10 工況三垂向位移Fig.10 Vertical displacement under condition Ⅲ

圖11 工況三輪壓處板頂?shù)卓v橫向正應(yīng)力Fig.11 Vertical and horizontal normal stress at the top and bottom of plate at the third wheel of working condition

工況四重力場、預(yù)應(yīng)力、輪載作用和上吸力載荷作用下，裝配板垂向變形云圖見圖12，吸力作用處向上最大垂向位移為0.41mm，對應(yīng)的上吸力為31.5kN，板體由于預(yù)應(yīng)力的緊密拉結(jié)和企口接縫的嵌鎖，始終為一整體，沒有出現(xiàn)散開的跡象。上吸力和輪壓處板頂?shù)渍龖?yīng)力云圖見圖13。板底縱向壓應(yīng)力為0.115MPa，橫向壓應(yīng)力為1.010MPa，對應(yīng)的板頂壓應(yīng)力分別為4.525MPa、5.763MPa。板頂、底沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，即為上吸力和輪壓產(chǎn)生的彎拉應(yīng)力不足以抵消預(yù)加應(yīng)力。工況四條件下模型、邊界對稱，但輪載、上吸力載荷未作用在結(jié)構(gòu)中心，所以載荷效應(yīng)呈現(xiàn)非對稱。

圖12 工況四垂向位移Fig.12 Vertical displacement under condition Ⅳ

圖13 工況四板頂?shù)卓v橫向正應(yīng)力Fig.13 Vertical and horizontal normal stress at the top and bottom of plate at the forth wheel of working condition

3 結(jié)論

1.預(yù)應(yīng)力裝配式高強(qiáng)混凝土路面結(jié)構(gòu)受力變形滿足要求，科學(xué)合理。

2.預(yù)應(yīng)力給路面板提供了充足的壓應(yīng)力儲備，在輪載作用下可以不出現(xiàn)拉應(yīng)力。

3.路面板之間的企口接縫在實(shí)現(xiàn)豎向剪力載荷傳遞上是有效的，輪載受壓區(qū)會通過企口縫實(shí)現(xiàn)向臨板的應(yīng)力傳遞。

4.裝配板體有很強(qiáng)的整體性，在對抗吸力載荷方面具有優(yōu)勢。

另外，目前板體厚度為100mm，在輪載作用下未出現(xiàn)拉應(yīng)力且變形很小，有望進(jìn)一步減薄板體厚度，向重量更輕、拼裝更快邁進(jìn)。