機場水泥混凝土道面彎沉的影響因素分析

張玉芳 ，袁 捷 ，譚 悅

（1.上海華東民航機場建設監理有限公司，上海 200335；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 200092；3.虹橋國際機場公司，上海 200335）

0 引言

彎沉是公路路面[1]和機場道面[2]結構設計時的重要指標。公路水泥混凝土路面在結構設計時，以極限彎拉應力作為控制指標，以彎沉作為驗算指標[1]。而機場水泥混凝土道面結構設計時，僅以極限彎拉應力作為控制指標，未考慮彎沉指標[2]。對于機場水泥混凝土道面，在道面結構設計時未合理考慮彎沉指標是否合適有待考證。

豎向變形過大也是路面和道面損壞的主要形式之一[3]。影響道面彎沉大小的因素有很多，本文擬通過有限元軟件進行數值模擬，分析機場水泥混凝土道面不同影響因素對彎沉的影響程度，可以為道面結構設計時合理考慮后期損壞，改善道面豎向變形提供借鑒和參考。

1 有限元模型介紹

采用ABAQUS有限元軟件，建立5.0 m×5.0 m的道面板塊模型。采用單塊板模型，四邊自由無約束。基層支撐采用K地基模型，通過設置彈簧剛度，以調整地基強度。荷載采用B747-400機型主起落架荷載參數，荷載作用于板中位置如表1所列。

分析三種彎沉影響因素，分別為道面厚度、面層材料模量、基層頂面反應模量。

（1）道面厚度：考慮 30 cm、32 cm、34 cm、36 cm、38 cm、40 cm、42 cm七種情況。

（2）材料模量：考慮 30 GPa、35 GPa、40 GPa和45 GPa四種情況。

（3）基層頂面反應模量：考慮40MN/m3、80MN/m3和150 MN/m3三種情況。

表1 荷載參數信息表

2 影響因素分析

2.1 道面厚度對彎沉的影響

選取B747-400為計算荷載，面層水泥混凝土材料模量為36GPa。道面厚度分析30 cm、32 cm、34 cm、36 cm、38 cm、40 cm、42 cm七種情況，分析基層頂面反應模量為40 MN/m3、80 MN/m3和150 MN/m3三種情況，共分析工況21種。各種工況條件下的彎沉計算結果如表2所列。

表2 彎沉與道面厚度關系一覽表（單位:mm）

從表2可以看出，面層厚度越大，彎沉越小。以每增加2 cm為一等級，計算每增加3 cm彎沉的減小率，如表3所列。

表3 彎沉與道面厚度增長率一覽表

從表3可以看出，道面厚度每增加2 cm，彎沉會降低2%～5%。且道面厚度越大，下降百分比越小。

將分析結果進行統計分析，以圖形顯示，如圖1所示。從圖1可以看出，彎沉與道面厚度基本呈線性比例關系。

2.2 面層材料模量對彎沉的影響

選取B747-400為計算荷載，面層厚度為40 cm。基層頂面反應模量考慮40 MN/m3、80 MN/m3和150 MN/m3三種情況，面層水泥混凝土材料彈性模量考慮 30 GPa、35 GPa、40 GPa和 45 GPa四種情況，共分析工況12種。各種工況條件下的彎沉計算結果如表4所列。

表4 彎沉與材料模量關系一覽表（單位:mm）

從表4可以看出，面層材料模量越大，彎沉越小。以每增加5 GPa為一等級，計算每增加5 GPa彎沉的減小率，如表5所列。

從表5可以看出，彎沉隨著面層材料彈性模量的增加而逐漸減小。面層材料模量每增加5 GPa，彎沉會降低1%～4%。且面層材料模量越大，下降百分比越小。

將分析結果進行統計分析，以圖形顯示，如圖2所示。從圖2可以看出，彎沉與面層材料模量基本呈線性比例關系。

圖2 彎沉與材料模量的關系曲線圖

2.3 基層頂面反應模量對彎沉的影響

選取B747-400為計算荷載，面層水泥混凝土材料模量為36 GPa。道面厚度分析30 cm、32 cm、34 cm、36 cm、38 cm、40 cm、42 cm七種情況，分析基層頂面反應模量為40MN/m3、80MN/m3和150 MN/m3三種情況，共分析工況21種。各種工況條件下的彎沉計算結果如表6所列。

表6 彎沉與基層模量關系一覽表（單位:mm）

將分析結果進行統計分析，以圖形顯示，如圖3所示。

從圖3可以看出，彎沉與基層頂面反應模量之間不呈線性比例關系。為了得到兩者之間更精確的比例關系，將基層頂面反應模量等級進行細化，計算區間為40～200 MN/m3，每20 MN/m3為一等級。選取道面面層厚度40 cm這一工況。計算結果如圖4所示。

圖4 彎沉與基層模量關系曲線圖

從圖4可以看出，道面彎沉與基層頂面反應模量之間呈冪函數的關系。在基層頂面反應模量值較低時，彎沉隨模量的增加而顯著下降。在基層頂面反應模量超過100 MN/m3時，下降趨勢明顯減緩。因此，建議機場新建道面的基層頂面反應模量設計值不應小于100 MN/m3。

通過對影響彎沉的三個主要因素分析可以看出：面層厚度和面層材料彎拉模量對道面彎沉的影響有限，而基層頂面反應模量對彎沉影響非常顯著。從減小彎沉的效果來看，應首選提高基層頂面反應模量。而且從工程造價角度來看，提高基層頂面反應模量比提高面層厚度的造價要低。因此，在道面結構設計時，為減小道面彎沉，緩解道面因撓度過大而產生的病害，應優先選擇提高基層頂面反應模量。

3 結論

通過前文分析，可以得到以下結論：

（1）道面彎沉與面層厚度基本成線性比例關系。面層厚度每增加2 cm，道面彎沉下降2%～5%。

（2）道面彎沉與面層材料彎拉模量成線性比例關系。面層材料模量彎拉每增加5 GPa，道面彎沉下降1%～4%。

（3）道面彎沉與基層頂面反應模量之間呈冪函數的關系。在基層頂面反應模量值較低時，彎沉隨模量的增加而顯著下降。在基層頂面反應模量超過100MN/m3時，下降趨勢明顯減緩。建議機場新建道面的基層頂面反應模量設計值不應小于100MN/m3。

（4）道面結構設計中，為減小道面撓度過大而產生的病害，應優先選擇提高基層頂面反應模量的方法。

[1]JTG D40－2002，公路水泥混凝土路面設計規范[S].

[2]MH/T5004-2009，民用機場水泥混凝土道面設計規范[S].

[3]MH/T5024-2009，民用機場道面評價管理技術規范[S].