裝配式預應(yīng)力混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

周 俊，徐佳誠，閆 壘，于 翔

（1.江蘇宿遷交通工程建設(shè)有限公司，江蘇 宿遷 223800；2.南京工業(yè)大學道路工程研究所，江蘇 南京 211816）

0 引 言

近年來，國家大力發(fā)展基礎(chǔ)建設(shè)，促進了我國公路建設(shè)的快速發(fā)展。依據(jù)我國交通發(fā)展方向和特點，瀝青路面因施工便捷、行車舒適等優(yōu)點已成為主導路面，但瀝青路面建設(shè)是高能耗、高污染的行業(yè)[1]。相較于瀝青路面，水泥路面的原材料更易獲得，因其抗壓強度高、剛度較大、耐久性較強、使用壽命長而被廣泛使用[2]，但由于硅酸鹽水泥混凝土的性質(zhì)，現(xiàn)澆水泥混凝土路面養(yǎng)護時間長、強度增長慢、開放交通晚，無法滿足路面快速施工的要求。

為了在道路施工中實現(xiàn)“四節(jié)一環(huán)?！保ü?jié)能、節(jié)材、節(jié)水、節(jié)地和環(huán)境保護）的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[3]，本文基于綠色建筑和智能建造技術(shù)理論開發(fā)了一種新型可循環(huán)使用的路面體系，即裝配式預應(yīng)力混凝土路面。這種路面既可廣泛應(yīng)用于公路新建、改擴建和養(yǎng)護工程，也可用于地震、泥石流等極端自然災(zāi)害條件下的道路搶修。

1 裝配式路面結(jié)構(gòu)設(shè)計

裝配式預應(yīng)力混凝土路面是由一系列經(jīng)特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計的預制面板組成，通過鋼絞線采用后張法將預應(yīng)力施加到路面板中，可提高路面結(jié)構(gòu)性能和耐久性，同時可降低路面板厚度[4]。具體的預制面板結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 預制面板

如圖1（a）所示，連接板位于裝配式路面的兩端，每塊連接板之間包含一個伸縮縫，主要“吸收”因溫度變化產(chǎn)生的膨脹和收縮運動。連接板的一端為伸縮縫的位置，另一端是剪切鍵，用于與基礎(chǔ)板嵌鎖搭接。錨固槽預留在連接板的中部，用于錨固縱向預應(yīng)力鋼絞線。

如圖1（b）所示，基礎(chǔ)板是連接板和中央應(yīng)力板之間的“填充面板”，其數(shù)量取決于裝配式路面的長度（伸縮縫之間）?；A(chǔ)板邊緣的剪切鍵，確保面板在拼裝時能正確對齊。此外，縱向預應(yīng)力筋孔道被澆筑在板中間，孔道在整塊面板上等距分布。

第三種類型的面板是中央應(yīng)力板，如圖1（c）所示。中央應(yīng)力板與基礎(chǔ)板類似，不同之處在于在每個預應(yīng)力筋孔道處設(shè)有全深度的張拉槽。為了防止面板受到穿孔弱化的影響，全深度的張拉槽在兩個相鄰的中央應(yīng)力板之間交替排列，確保面板獲得足夠的剛度。將預應(yīng)力鋼絞線從張拉槽穿入，在錨固槽處穿出并錨固，并在張拉槽區(qū)域進行對稱張拉。張拉完成后，張拉槽區(qū)域填充快凝混凝土，以便快速開放交通。

典型的裝配式預應(yīng)力面板組件如圖2所示。裝配式預應(yīng)力路面由3種類型的面板組成，面板將按照順序放置，從連接板開始，基礎(chǔ)板放置在連接板后，然后是2塊中央應(yīng)力板，之后是其他的基礎(chǔ)板和第二塊連接板。在所有的面板都安裝到位后，將預應(yīng)力筋通過中央應(yīng)力板的張拉槽插入孔道中，并穿過縱向預應(yīng)力孔道穿入連接板的錨固槽進行錨固，將預應(yīng)力筋從張拉槽對稱張拉。最后，在基礎(chǔ)板的張拉槽和連接板處的錨固槽填充快凝混凝土，以供車輛平穩(wěn)行駛。

圖2 典型的裝配式預應(yīng)力路面組件

2 接縫及吊裝點位設(shè)計

水泥混凝土路面的接縫主要有3種：集料嵌鎖、傳力桿和企口縫。本文研究的裝配式預應(yīng)力路面，接縫傳荷主要由預應(yīng)力鋼絞線和企口縫傳荷。企口縫使用的結(jié)構(gòu)主要為梯形企口縫和圓形企口縫[5]。梯形企口縫在使用時板與板之間的嵌鎖作用強于圓形企口縫，因此，本文使用梯形企口縫作為接縫形式。不同的榫頭坡度對應(yīng)的接縫傳荷能力不同，當榫頭坡度1∶4、榫頭厚度4 cm時，企口縫的傳荷能力最好。因此，本路面結(jié)構(gòu)采用這種企口尺寸。圖3為鍵槽尺寸示意圖。本次梯形企口縫是沿面板邊緣連續(xù)的剪切鍵槽。這些連續(xù)剪切鍵槽有助于確保面板在安裝時垂直對齊，有利于實現(xiàn)路面快速組裝。

圖3 裝配式面板的鍵槽尺寸（單位：mm）

吊裝施工是預制拼裝過程中必不可少的步驟，吊裝位置的選擇對預制板內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力有很大影響。本文采用四點吊裝方式，能均勻分配負載，減少吊裝面板時擺動的幅度[6]。為加快面板的吊裝速率，在每個面板中澆筑4個吊裝錨，它們位于距離面板邊緣0.2L位置處。其中，L是指面板的長度。

3 裝配式路面模型制作

全尺寸的預制板在實驗室成型較為困難，因此對實體模型進行等比例縮放，擬定了多種幾何相似的路面板試驗?zāi)Ｐ?。最終確定以1∶3.75的相似比制作路面板試驗?zāi)Ｐ蚚7]，路面厚度保持不變。

根據(jù)實驗室內(nèi)場地規(guī)劃、相應(yīng)的技術(shù)標準和預制面板的圖紙尺寸，采用木模板制作三類面板。各個類型的預制板模板如圖4所示。試驗?zāi)Ｐ吐返念A制面板共計8塊。由于實驗場地限制要求，8塊板分三次預制完成。在混凝土攤鋪前，仔細校核木模板的支撐部件、標高、預應(yīng)力鋼絞線位置等。校核完成后，用小型攪拌機拌合混凝土，用推車配合鐵鍬把混凝土攤鋪在模板內(nèi)。如圖5所示，澆筑應(yīng)連續(xù)，非必要條件下禁止施工過程間斷?；炷恋恼駬v采用插入式振搗器，振搗時先在模板邊緣振搗，緊接著采用“梅花”點狀插入式振搗中部，盡量避免振搗器和PVC管道碰撞，避免漏振、過振，做到緊插慢拔，預制完成后進行覆蓋保溫，養(yǎng)生28 d。

圖4 木模板示意圖

圖5 預制面板澆筑

4 裝配工藝

在預制面板澆筑完成后，通?？梢栽跐仓?4 h后進行拆模。由于冬季氣溫較低，早晚溫差比較大，脫模時間延長至5 d。滿足脫模要求后，將面板從模板中取下并堆疊。預制面板拼裝的順序為連接板→基礎(chǔ)板→中央應(yīng)力板→基礎(chǔ)板→連接板。裝配式路面板在進行拼裝時，首先利用壓路機將基層部分壓實，表面整平，利用叉車通過吊鉤將預制面板吊起至指定區(qū)域內(nèi)進行初步就位。在進行拼裝時將設(shè)有凸榫和凹槽的連續(xù)剪切鍵配對組裝，以提供平整的行駛面，裝配式路面板的裝配張拉工藝如圖6所示。

圖6 裝配式路面施工工藝

在預制面板拼裝完成后，將預應(yīng)力鋼絞線從中央應(yīng)力板的張拉槽兩端穿入，在錨固槽穿出。由于按照相似比計算的張拉槽尺寸較小，不足以實現(xiàn)千斤頂張拉操作，故本次試驗方案采取在張拉槽處錨固，在兩端進行分級對稱張拉。本試驗?zāi)Ｐ吐防锩婀才渲昧?根預應(yīng)力鋼絞線，每邊4根，如圖7（a）所示，從左往右依次為鋼束1～鋼束4，對稱交錯布置。

鋼絞線張拉時采用單孔夾片錨，一端錨固，在另一端張拉，張拉設(shè)備采用穿頭式千斤頂，張拉順序為鋼束2→鋼束3→鋼束1→鋼束4。每根預應(yīng)力鋼絞線按照20%、40%、70%、100%的張拉力分4級對稱張拉。張拉鋼絞線的順序由內(nèi)到外，張拉過程如圖7（b）所示。

圖7 張拉預應(yīng)力鋼絞線

5 結(jié)語

本文對預應(yīng)力裝配式路面的結(jié)構(gòu)，包括裝配式面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計、接縫和吊點位置進行了詳細介紹。由于試驗場地的限制，對裝配式路面按照1∶3.75的相似比制作了試驗?zāi)Ｐ?，路面厚度保持不變。通過預應(yīng)力鋼絞線，對預制面板進行對稱分級張拉并錨固。此裝配式路面可標準化設(shè)計、工廠化預制和現(xiàn)場模塊化安裝，施工速度快，施工環(huán)境不受極端天氣的影響，使用性能優(yōu)異，既可廣泛應(yīng)用于公路新建、改擴建和養(yǎng)護工程，也可用于地震、泥石流等極端自然災(zāi)害條件下的道路搶修。