機場水泥道面接縫位移及嵌縫材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力探究

肖 陽 郝旭祥 杜啟飛

（空軍臨潼場站機場工兵勤務(wù)隊， 陜西 西安 710000）

機場水泥道面接縫位移及嵌縫材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力探究

肖 陽 郝旭祥 杜啟飛

（空軍臨潼場站機場工兵勤務(wù)隊， 陜西 西安 710000）

飛機作為一種應(yīng)用較為廣泛，機械化、精細化水平較高的交通工具，對于其配套設(shè)施的質(zhì)量要求比較高。而機場的水泥道面具有接縫多、施工復(fù)雜等特性，水泥道面接縫質(zhì)量對于道面質(zhì)量具有非常大的影響，不恰當(dāng)?shù)氖┕づc維護極易破壞道面的板邊與板角，有可能產(chǎn)生其他不良后果，影響機場道面的正常運行，甚至?xí)绊戯w機起降時的安全性。本文就機場水泥道面接縫位移及嵌縫材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行探究。

機場；水泥道面；接縫位移；嵌縫材料；結(jié)構(gòu)應(yīng)力

0 引言

機場水泥道面嵌縫材料與縫槽側(cè)壁之間的粘附性失去效果、嵌縫材料被擠出及粘聚性被破壞，是水泥道面嵌縫材料的主要失效形式。我們通過有限元分析，將道面接縫縫槽的水平位移量及豎向位移量同實際觀測數(shù)據(jù)進行比對與分析。經(jīng)過研究與計算，我們發(fā)現(xiàn)機場的水泥道面接縫水平位移量約 2.2mm，基本等同于公路的水泥路面；豎向位移量約在0.25～0.61mm之間，其剪切應(yīng)變量在3.1%～7.7%的區(qū)間內(nèi)，略大于公路的水泥路面。研究表明，機場水泥道面的嵌縫材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要是來自于接縫位移所帶來的拉伸應(yīng)力。

1 道面接縫的水平位移

受到環(huán)境、溫度及濕度變化的影響，機場的水泥道面的板塊體積發(fā)生變化，接縫縫槽很有可能發(fā)生水平位移。水泥道面接縫縫槽的水平位移原因主要有三種：板塊翹曲、板塊溫度變化、板塊濕度變化。

1.1 板塊翹曲引起的接縫水平位移

在機場水泥道面上，由于道面本身有一定的熱容量，環(huán)境溫度的改變并不會使得道面溫度立即發(fā)生變化，這種溫度的滯后效應(yīng)會體現(xiàn)在板塊的表面與底部之間的溫度梯度上面，這就容易造成水泥板塊的板塊翹曲現(xiàn)象。隨著板塊厚度的增加，道面的溫度梯度會隨之而減小，因此，我們引入厚度修正系數(shù) ab來進行道面溫度梯度的修正工作。引進指數(shù)回歸公式如下：

ab=1.829e-0.02H，r2=0.999 （ab時溫度梯度的厚度修正系數(shù)；H是板塊厚度；r是回歸系數(shù)）

通過指數(shù)回歸公式，計算不同厚度的道面溫度梯度的修正系數(shù)。通過對基層彈性模量、板塊的幾何尺寸等因素進行綜合考量，建立接縫變形的三維有限元模型，就各元素對于接縫的影響進行系統(tǒng)性的分析。我們以上海浦東機場為例，假定其最大的溫度梯度為90℃/m，其彈性模量為2GPa。通過計算，可以知道上海浦東機場的水泥道面溫度梯度所引起的接縫水平位移量約為0.3～0.4mm之間。

表1 上海浦東機場水泥道面溫度翹曲引起的接縫縫槽水平位移量 （單位：mm）

1.2 板塊溫度變化引起的接縫水平位移

環(huán)境溫度變化會使得水泥板塊發(fā)生熱脹冷縮效應(yīng)，進而引起接縫縫槽的水平位移。接縫縫槽的水平位移量與水泥板塊的溫度變化可以用以下公式表示：

式中，T為水泥板塊的年平均溫度；T0為水泥板塊在填充嵌縫材料時的實際溫度；α為水泥板塊的漲熱系數(shù)；ζ為水泥板塊與基層之間的摩阻系數(shù)；L為水泥板塊的長度。在式中，同樣以上海浦東機場為例，我們假定α為 1.0×10-5（℃-1）；假定ζ處在[0,1]的區(qū)間之內(nèi)，并取其近似值0.5；取T=15.8℃；T0=40.2℃；L=5m。則經(jīng)過計算，板塊溫度變化引起的接縫水平位移量為0.61mm。

1.3 板塊濕度變化引起的接縫水平位移

水泥板塊的體積會受到板塊內(nèi)部水分的增減而發(fā)生變形。一般情況下，水泥板塊內(nèi)部的水分蒸發(fā)所產(chǎn)生的干縮現(xiàn)象最為常見。我們將板塊的濕度變化所引起的板塊接縫變形張開量ΔL’=ε×L

在這一公式中，ε為水泥板塊的干縮系數(shù)，ε=0.5×10-4～2.5×10-4。經(jīng)過計算可知，受到水泥板塊濕度變化所引起的接縫水平位移量約為1.25mm。

2 道面接縫的豎向位移

飛機的荷載能力、接縫的傳荷能力及板塊底部的脫空狀態(tài)都會對水泥道面接縫造成影響，容易產(chǎn)生接縫的豎向位移。

2.1 建立有限元的分析模型

我們通過建立有限元的分析模型對道面接縫的豎向位移進行研究，分析模型可采用5m×5m的板塊實體進行分析，取板塊厚度為32cm、36cm、40cm。以線彈性材料參數(shù)（彈性模量E及泊松比μ、基礎(chǔ)反應(yīng)模量K）作為模型的材料參數(shù)。

表2 板塊實體分析模型的集合尺寸及材料參數(shù)

通過虛擬材料層法對道面接縫的傳荷能力進行模型分析，在 2塊板塊模型之間的接縫處，模擬同板塊接縫相同的寬度、通道面板塊的長度與厚度皆相同的薄層彈性體，并通過綁扎進行聯(lián)結(jié)。分別取1.0、0.75、0.5、0.25、0.5這5個參數(shù)作為脫空減折系數(shù)。通過計算可知，當(dāng)減折系數(shù)為1.0時，板塊模型不脫空，減折系數(shù)為0.0時，板塊模型失去支撐。

2.2 飛機輪載作用下的接縫理論彎沉差

通過有限元模型計算飛機輪載作用下的接縫理論彎沉差，我們得出了以下結(jié)論：

機場水泥道面的接縫位置，在飛機的荷載作用之下，其豎向位移量會受到接縫位置的傳荷能力、道面板塊的厚度、荷載的大小及板塊脫空狀況的影響，通過理論計算，以回歸分析方法，計算機場的不同等級與道面接縫豎向位移、接縫傳荷能力、板塊脫空程度之間的關(guān)系。

2.3 道面接縫豎向位移的估量

我們在假定正態(tài)分布的條件下，將接縫處的彎沉傳荷系數(shù)假定為保證率在95%的代表值其中，接縫處的彎沉傳荷系數(shù)代表值為LW；接縫處的彎沉緩和系數(shù)的統(tǒng)計均值為；保證率系數(shù)為Za，設(shè)置Za=1.645；接縫處的彎沉傳荷系數(shù)統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差為S。

在彎沉傳荷系數(shù)假定為保證率 95%的時候，各類機場的水泥道面的接縫豎向剪切應(yīng)變水平大概為3.1%～7.7%，而公路的水泥道面其接縫的傳荷能力在60%時，接縫豎向剪切應(yīng)變量約為 0.2%～1.0%。機場水泥道面的接縫豎向位移相較于公路道面的接縫豎向位移量更大，是受到了飛機的較大的荷載的影響。

3 典型水泥道面接縫的嵌縫材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力

在機場水泥道面接縫的縫槽寬深比及嵌縫材料的泊松比相同的情況之下，嵌縫材料剪切應(yīng)力與拉伸應(yīng)力的方向角之間的差距小于7°。在收到拉伸應(yīng)力與剪切應(yīng)力的作用時，嵌縫材料的縫槽極限狀態(tài)下，拉伸應(yīng)力與剪切應(yīng)力的線性疊加即為其結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

我們將理論與實踐結(jié)果相結(jié)合，計算出機場水泥道面的接縫水平位移量與豎向位移量，通過對典型的嵌縫材料進行拉伸松弛試驗的測試，可以獲得有效模量，計算嵌縫材料在水泥道面的接縫縫槽內(nèi)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，可以看出，受到接縫處的環(huán)境溫度與含水量變化所引起的嵌縫材料的拉伸應(yīng)變量要大于飛機荷載所產(chǎn)生的剪切應(yīng)變量，即機場的水泥道面嵌縫材料主要依靠水平位移的拉伸應(yīng)力產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

通過以上實驗與理論知識，我們不難看出，飛機荷載作用增加了機場道面的接縫豎向位移量，也受到豎向位移量的影響，其嵌縫材料的剪切應(yīng)力水平也會增加。同時，道面接縫的豎向位移量與道面板塊的接縫傳荷能力息息相關(guān)，當(dāng)板塊接縫的傳荷能力衰減時，嵌縫材料的剪切應(yīng)變會增加，會加大嵌縫材料的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

4 結(jié)語

機場水泥道面的接縫會受到板塊翹曲、環(huán)境溫度與板塊含水量的影響，這種情況下接縫的水平位移量約為 2.2mm，拉伸應(yīng)變量為 25%。通過建立有限元模型的方式，計算機場水泥道面的接縫豎向位移量在飛機的荷載情況下，其位移量約為 0.25%～0.61%，而剪切應(yīng)變量則為 3.1%～7.7%。通過以上分析，可知道面接縫在極限狀態(tài)下，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要受到水平位移引起的拉伸應(yīng)力的影響。

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