4 路面结构设计
4.1 几何尺寸
4.1.1、4.1.2 对预应力混凝土路面，路面面板长取90m～210m，可大大减少路面接缝数量，从而改善行车平稳性和舒适性。路面面板越长，由预应力损失和板底摩阻力造成的影响就越大，预应力在板内的效果就越差，因此，板底摩阻力小，板长就可取较大值。路面面板纵向预应力的施加大大提高了路面的纵向承载能力，但对横向承载能力几乎无影响。当道路路幅较宽时，面板的横向应力较大，成为主要的控制应力，因此规定路面面板宽不宜超过标准两车道的宽度，可不设置横向无粘结预应力钢绞线。预应力的存在使路面面板整体性较强，减少了横向开裂的可能性，而且，即使路面面板因荷载产生裂缝也能自行闭合，提高了路面的耐久性。
上述结论可通过对荷载下预应力混凝土路面面板的应力分析得出（本章有关应力分析及相关结论均根据国内已修建的两条预应力混凝土路面，即1997年修建的南京禄口试验路和1998年修建的徐州贾汪试验路的实际工程情况并通过有限元分析得出）：
在板宽确定的情况下（模型取板宽7.2m），路面面板长应由所施加的预应力大小和温差引起的纵向最大拉应力共同来控制。如图1所示，随板长的增加，板内横纵向拉应力都有所增加，但横向拉应力增加量非常小（板长每增长20m，横向拉应力仅增加约0.02MPa），纵向拉应力的增加几乎与板长成正比；横向拉应力比纵向拉应力大很多。
预应力大小对于路面面板的影响，如图2所示。由该图可见，随预应力值的增大，板的上翘值在减小。因此，施加预应力可使板底各点的位移趋向一致，增强了路面的整体性，减小了路面面板下的不均匀沉降或脱空现象出现的可能性。
对于横向预应力各国意见不统一，据国外资料介绍，认为当板宽不超过两个标准车道宽度时，可不设横向预应力，但为了安全起见，要求在横向配置一定数量的防止开裂并起到固定、支撑纵向无粘结预应力钢绞线的构造钢筋。对于横向预应力的确定，根据计算所得的最大横向应力与混凝土的设计弯拉强度（建议取80％的抗弯拉强度）的比较而定。如果不需施加横向预应力，则需配置横向钢筋，可按现行行业标准《公路水泥混凝土路面设计规范》JTG D40或《城镇道路路面设计规范》CJJ 169中连续配筋混凝土路面选用。当路面面板的宽度较大时，可釆用双向预应力以提高抗裂能力。
无粘结预应力钢绞线的混凝土保护层厚度不宜小于50mm；锚具系统的最小混凝土保护层厚度应符合现行行业标准《无粘结预应力混凝土结构技术规程》JGJ 92的有关规定。保护层厚度的规定是为了满足结构构件的耐久性要求和对受力钢筋有效锚固的要求。预应力混凝土路面面板的最小厚度值，应能给无粘结预应力钢绞线提供最小的保护层厚度，以防开裂、锈蚀，同时需能满足板在荷载下的挠度变形设计要求。
对于预应力混凝土路面，由于预应力的施加，提高了路面面板截面的实际弯拉强度，因而，在相同的荷载作用下，预应力路面面板的厚度较普通混凝土路面面板取得更薄。根据国内外的工程理论分析，并结合我国公路运输繁忙和超载现象严重的情况，加之施工工艺及施工管理水平及各地施工环境相异等因素，推荐板厚取值为140mm～240mm，板初估厚度为相应素混凝土路面面板厚的70％～75％。
国外关于预应力混凝土路面的设计与施工研究开展得较早，并取得了很多经验。
最早的预应力混凝土路面是法国于1946年修建的。在法国，只有一条试验路是板边薄于板中的，其他都是由平均约150mm的等厚板组成。美国最著名的Patuxent River Naval Air Station预应力混凝土道面是由Bureau of Yards and Docks于1953年～1954年修建的，长152.4m、宽3.66m、厚178.1mm，其后又修建了多条试验路，其中1980年在芝加哥O'Hare国际机场修建的预应力混凝土罩面（240m长、45m宽、200mm～225mm厚的跑道），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20世纪50年代前后开始修建预应力混凝土路面。巴西于1972年～1978年在里约热内卢修建了一条180mm厚的预应力混凝土机场道面；荷兰、瑞士也都修筑了预应力混凝土路面。
4.1.3 预应力混凝土路面的设计以混凝土疲劳断裂为设计极限状态。由于预应力事先在路面面板工作截面上施加压应力，当荷载作用于路面时，混凝土截面产生的拉应力一部分由预应力产生的压应力抵消，板截面上的应力较之普通混凝土板路面低，从而提高了混凝土的抗弯拉强度，在荷载重复作用下，预应力混凝土路面设计应满足本规范式(4.1.3-1)的要求。
预应力混凝土路面面板内荷载应力、温度应力和板底摩阻应力的处理参考本规范附录A。
国外关于预应力混凝土路面结构设计也有釆用混凝土疲劳应力比SR指标来进行的。预应力混凝土路面面板的厚度按SR指标设计时按下式计算：
式中：SR一一混凝土疲劳应力比，可按表2取值；
ft——混凝土设计弯拉强度(MPa)。
路面中所施加的预应力大小主要由三个因素决定：交通荷载；由温度和湿度所引起的翘曲约束；板收缩期间的板底摩阻约束。预应力混凝土路面常用的预应力值可参考如下：
(1)路面面板内仅使用纵向无粘结预应力钢绞线或纵、横向都配无粘结预应力钢绞线时，一般为0.63MPa～2.87MPa；机场道面内平均值可达3.15MPa，当釆用斜向钢筋来产生纵向预应力时，平均值约为1.93MPa。
(2)横向预应力还未被广泛采用，一般为0～1.4MPa，当板宽不大于两个标准车道宽度时，可不设横向预应力。
(3)从无粘结预应力钢绞线的实际间距和经济使用方面考虑，如果求得的预应力值σp＞4.0MPa，则需增大路面面板厚度，重新计算。
纵向预应力的处理模型应符合下列规定：
(1)无粘结预应力钢绞线仅在锚固端与混凝土结合，在其他地方会发生纵向相对滑动；
(2)对路面面板施加预应力时，将预应力作为一种外力加在路面面板的锚固端，扣除无粘结预应力钢绞线与周围接触的混凝土或套管之间的摩阻损失（图3，图中未画出板底的摩阻力)。
预应力损失的处理模型应符合下列规定：
(1)预应力混凝土路面的预应力损失计算按本规范第4.2.2条的规定确定，本规范第4.2.2条中的各项应力损失不是同时发生的，预应力损失值的组合可根据应力损失出现的先后与全部完成所需要的时间，按预施应力和使用阶段来进行区分。对于后张预应力混凝土路面，预施应力阶段和使用阶段的预应力损失可按下列公式计算：
(2)在有限元模型分析中，应将以上计算的σ12、σ13、σ14、σ15等效为一组和预施应力方向相反的外力，分别作用于锚固端混凝土上。
钢筋的处理模型应符合下列规定：
(1)预应力混凝土路面面板应釆用整体式模型，其弹性矩阵可按下式计算：
[D]＝[Dc]＋[Ds] (5)
式中：[Dc]——混凝土的应力应变矩阵；
[Ds]——分布钢筋的应力应变关系矩阵。
(2)模型可不考虑混凝土的开裂，按一般均质体计算，混凝土的应力应变矩阵[Dc]可按下式计算：
(3)对于等效的分布钢筋，其应力-应变关系矩阵[Ds]可按下式计算：
式中：Es——钢筋的弹性模量；
ρx、ρy、ρz——沿x、y和z方向的配筋率。
温度应力的处理模型应符合下列规定：
(1)同一时刻，板截面上温度不一致产生的翘曲应力，在预应力混凝土路面模型中宜采用热弹性三维有限元方法；
(2)不同时刻，由于温度上升或下降时引起的热胀冷缩而在板内产生的热压应力或收缩应力，在预应力混凝土路面模型中假定为均匀变化。
板底摩阻力的处理模型应符合下列规定：
预应力混凝土路面，板底摩阻力对路面受力影响很大，必须予以考虑。板底摩阻力主要由以下三方面的因素引起：
(1)由施加预应力引起的板底摩阻力；
(2)由温度引起的板底摩阻力；
(3)由车辆荷载引起的板底摩阻力（可忽略）。
根据线性叠加原理，在分析处理时将上述三项同时考虑进去，进行一次迭代求解板底摩阻力（选取的是每一断面的最大值）。
预应力混凝土路面在预应力、温度应力、荷载应力的共同作用下，摩阻力沿板底并非均匀分布，板底摩擦系数为变量，与板底位移有关。图4为板底摩阻力随板底位移的变化情况，板底位移增大时，板底摩阻力也随之增大，当位移达到ωa时板底摩阻力最大，位移再增大，板底摩阻力趋于定值τa。在路面面板模型中假定在板中处不发生位移，即板中附近处摩阻力很小，板端处最大。
对于细砂滑动层，ωa≈0.6mm，可采用图4中的理论曲线3用于板底摩阻力的分析。在分析过程中，釆用以下做法：
(1)在沿板长的某个断面上，假定板底摩阻力τ是均匀分布的，该断面中的摩擦系数的取值原则为：先在不考虑摩阻力的情况下，计算出板底的各结点的位移，然后根据每一断面的水平向（沿板长）最大位移确定摩擦系数。ω≥0.6mm时，μr＝f（给定值）；当ω≤0.6mm时，μr＝ω·f/0.6。根据各结点的形函数，分配摩阻力，进行第二次计算，此时已考虑了摩阻力的影响；
(2)只考虑沿板长方向的板底摩阻力；
(3)以板中处位移为基准，用其他各点相对于板中的位移来决定摩擦系数的大小（因垂直荷载的影响很小，忽略由荷载组合引起的板底摩阻力）。
预应力混凝土路面模型在进行地基处理时，可采用温克勒地基或弹性半空间地基模型，并在计算分析时假定：在变形过程中，板与地基始终紧密接触，无间隙。
预应力混凝土路面模型在进行地基反力集度处理时，地基反力集度的计算应与所釆用的地基模型相对应，应根据地基的计算模型，在已知位移的情况下求力的运算。