機場水泥混凝土道面接縫優(yōu)化技術(shù)研究

吳念祖,杜 浩

（1.上海機場（集團）有限公司,上海200335;2.同濟大學(xué),上海200092）

0 前言

水泥混凝土道面占我國機場道面總量的87%。在機場水泥混凝土道面早期出現(xiàn)的病害中，70%以上屬于接縫病害；全壽命運行期間，60%以上道面病害屬于接縫病害[1]。

除了飛機輪載作用和自然環(huán)境影響之外，接縫槽口的形狀和尺寸對病害的形成也有一定影響。接縫槽口受到機輪荷載和溫度梯度作用時，在槽口棱角處可能會產(chǎn)生較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。而當(dāng)應(yīng)力大小超過混凝土強度時，道面板接縫出現(xiàn)邊角破碎、剝落等現(xiàn)象。因此，采用合理的接縫形式，以減少應(yīng)力集中對機場道面的破壞，對于保障飛機在道面上的安全滑行，延長道面的使用壽命以及減少道面維護費用都極具重要意義。

1 道面接縫常見形態(tài)及損壞模式

傳統(tǒng)的水泥混凝土道面接縫及槽口構(gòu)造如圖1所示，鋸切的槽口呈上寬下窄的形狀，槽口為90°直角。對于直角形狀的接縫槽口，在槽口直角尖端處的混凝土受機輪荷載和溫度梯度的作用，可能會產(chǎn)生較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，實踐經(jīng)驗也表明該處的混凝土最容易產(chǎn)生破碎損壞。

為了有效地減少接縫槽口處的混凝土破碎，保證飛機滑跑安全，美國等國家從20世紀(jì)70年代就開始對機場道面接縫采用倒角工藝進行施工[2]，即將切縫槽口倒成圓弧或鈍角形式，使得接縫槽口與道面表面以圓弧或斜線過渡，以減少破碎和裂縫的產(chǎn)生。FAA道面設(shè)計指南中提出普通水泥混凝土道面所有暴露的切縫、邊緣及尖角都要進行倒角處理，并推薦了半徑為6mm的倒圓角和6 mm×6 mm倒45°角2種構(gòu)造形式，如圖2所示。對于不同的接縫形狀，可能發(fā)生的破壞模式如圖3所示。

2 道面接縫形態(tài)優(yōu)化的力學(xué)分析

為了分析檢驗圓弧或斜角切縫形式在消除應(yīng)力集中方面的效果，本文采用有限元方法，分析機輪荷載和溫度梯度作用下的接縫槽口處混凝土的應(yīng)力分布情況，并與傳統(tǒng)的直角接縫進行對比分析。

2.1 模型建立

以ANSYS有限元分析軟件為平臺，為了使切縫位置應(yīng)力計算結(jié)果具有足夠的精度，將切縫角點5 cm×5 cm的局部范圍進行網(wǎng)格細化，使得單元大小約為1 mm×1 mm。所建立的有限元模型如圖4所示。

選用B777-300ER輪載為切縫位置力學(xué)分析的作用荷載[3]，考慮該機型在最大設(shè)計滑行重量對應(yīng)的垂直荷載和平穩(wěn)制動產(chǎn)生的水平荷載的共同作用。荷載作用位置與橫縫相切，即僅一塊水泥混凝土板直接受荷。

2.2 工況分析

對比分析四種切縫形式（直角、斜角、圓角、橢圓角）在槽口位置的應(yīng)力集中問題，其中，斜角切縫分為邊長4 mm和6 mm兩種情況，圓角切縫分為半徑4 mm和6 mm兩種情況，橢圓角切縫長、短軸分別為6 mm、4 mm，呈立式布置。分析工況編號及工況條件如下：

A1：直角切縫形式；

B1：斜角切縫形式，邊長為4 mm×4 mm；

B2：斜角切縫形式，邊長為6 mm×6 mm；

C1：圓角切縫形式，圓弧半徑為4 mm；

C2：圓角切縫形式，圓弧半徑為6 mm；

D1：橢圓切縫形式，長軸6 mm，短軸4 mm。

分析工況如圖5所示。

2.3 道面結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3.1 基層頂面當(dāng)量反應(yīng)模量

根據(jù)設(shè)計要求，基層頂面的當(dāng)量反應(yīng)模量可取100 MN/m3。

2.3.2 水泥混凝土板參數(shù)

水泥混凝土板結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)如表1所列。

表1 水泥混凝土板結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)表

2.3.3 傳力桿的剛度計算

橫縫傳力桿的剛度計算如表2所列。

表2 橫縫傳力桿剛度計算表

2.4 道面接縫荷載應(yīng)力分析

考慮到倒角尺寸很小，僅可能對附近局部范圍內(nèi)混凝土的應(yīng)力分布產(chǎn)生影響，因而選擇緊鄰倒角處寬10 cm、深10 cm的范圍觀察水泥混凝土的應(yīng)力狀況，即分析與接縫水平距離分別為1 cm、5 cm、10 cm位置混凝土，在機輪荷載作用下的水平向應(yīng)力和豎直向應(yīng)力沿板深度（0～10 cm）的變化規(guī)律。

圖6～圖8為不同接縫形式下，距離接縫10 cm、5 cm、1 cm處水泥混凝土水平向應(yīng)力的變化規(guī)律；圖9、圖10為不同切縫形式距離切縫1 cm、2 cm處水泥混凝土豎直向應(yīng)力的變化規(guī)律。

由以上各圖可以得出以下結(jié)論：

（1）接縫形式對附近混凝土應(yīng)力狀況的水平影響距離為整個輪印長度，豎向影響深度約為混凝土板表面以下10 cm。

（2）接縫采取倒角工藝后，將改善緊鄰切縫局部范圍內(nèi)混凝土的應(yīng)力狀況。

圖6 不同切縫形式距切縫10 cm位置混凝土的荷載應(yīng)力（水平向）曲線圖

圖7 不同切縫形式距切縫5 cm位置混凝土的荷載應(yīng)力（水平向）曲線圖

（3）采取倒角工藝后，接縫位置距離表面1 cm范圍內(nèi)的混凝土從受拉改變?yōu)槭軌旱挠欣麪顟B(tài)。

2.5 道面接縫溫度應(yīng)力分析

對于接縫位置的溫度應(yīng)力分析，主要考慮溫度相對穩(wěn)定時的翹曲應(yīng)力，不考慮空氣的對流和路面的輻射。參考現(xiàn)行公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范，正溫度梯度采用東南濕熱區(qū)（Ⅵ區(qū)）的最大溫度梯度，為0.9℃/cm，對于40 cm的面層板，還應(yīng)進行最大溫度梯度的厚度修正，修正系數(shù)取0.59，此時板頂與板底的溫差達21.2℃，計算時取板頂溫度為45℃。

同樣以距離接縫寬10 cm、深10 cm范圍內(nèi)的水泥混凝土應(yīng)力狀況為對象，進行計算分析。計算結(jié)果表明：

（1）不同接縫形式對接縫位置溫度應(yīng)力影響較小。

（2）接縫位置混凝土的溫度應(yīng)力較小，最大拉應(yīng)力不超過1 kPa，最大壓應(yīng)力不超過100 kPa，遠小于混凝土自身設(shè)計彎拉強度。

（3）由于溫度變化作用次數(shù)遠低于機輪荷載的作用次數(shù)，加之采用小板能有效減小溫度翹曲應(yīng)力。即使混凝土板在溫度梯度作用下產(chǎn)生翹曲變形的同時承受機輪荷載的作用，由于接縫位置混凝土的溫度應(yīng)力相對于荷載應(yīng)力很小，其總應(yīng)力仍接近于荷載應(yīng)力。因此現(xiàn)行民航機場水泥混凝土道面設(shè)計規(guī)范在板厚計算中沒有考慮溫度應(yīng)力的影響是完全可行的。

3 接縫倒角技術(shù)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

在工程實踐中，為了保證施工質(zhì)量，接縫倒角施工工藝應(yīng)采用表3所列的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。

表3 允許偏差項目表

其中，擴縫寬度和深度兩項指標(biāo)僅在施工過程中控制，在竣工驗收時因灌縫已經(jīng)施工完畢而不作要求。

4 工程實踐

接縫倒角技術(shù)已應(yīng)用于浦東機場三跑道、虹橋機場二跑道的工程建設(shè)中，其中浦東機場倒角接縫長度達到15.62萬延米，虹橋機場二跑道系統(tǒng)倒角接縫長度總計達10.73萬延米。采用R6 mm的圓弧倒角，浦東機場三跑道投入運行1 a以來，道面接縫病害減少90%，工程效果顯著。同時，通過現(xiàn)場檢測，證明接縫倒角對道面平整度和摩擦系數(shù)的影響幅度很小，其影響在可接受的范圍內(nèi)。

因此，接縫倒角技術(shù)對機場場道工程建設(shè)而言具有重要的革新意義，不僅可以在一定程度程度上減小道面破壞概率，降低道面運行后維修費用，而且從源頭上減小因道面破損而導(dǎo)致飛機發(fā)動機吸入破碎物的概率，提高了道面使用的安全性和可靠性，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

[1]史保華,王聲.應(yīng)用瀝青混凝土修建機場道面的分析探討[J].石油瀝青,1998,12(2):35-42.

[2]FAA Airport pavement design and evaluation 2002.

[3]MHJ 5004-1995,民用航空運輸機場水泥混凝土道面設(shè)計規(guī)范[S].