機場裝配式道面研究進展及力學性能分析

賈弘申 李嘉珺 藍 翔 劉燦燦

中國民航大學交通科學與工程學院 天津 300300

1 引言

機場道面是空中交通體系正常運行的關鍵所在，為滿足飛機正常的起飛以及降落要求，機場道面需要有足夠的強度以及穩定性。現有的機場道面種類根據材料不同主要有剛性道面與柔性道面，國內機場道面以剛性道面為主，剛性道面主要是由水泥混凝土澆筑而成，柔性道面主要是指瀝青混凝土道面。剛性道面其抗彎壓能力以及彈性模量較其他材料要大，所以其剛度大。在飛機起降時，由于剛度的影響其變形較小[1]。目前剛性道面結構分析主要關心接縫傳荷能力對板邊緣應力的影響，周正峰等[2]人通過有限元分析軟件，基于“貢獻面積”原則，建立三維有限元分析模型，并且指出對于剛性道面的接縫處，其傳荷剛度越小，基層對于接縫撓度傳荷系數越高。柔性道面主要是通過抗壓以及抗剪強度來承擔飛機的荷載作用，其剛度較小，飛機荷載傳來時，彎沉量較大，主要通過道面與基層的相互作用來承擔荷載。由于我國航空運輸行業的不斷發展，為保證機場改擴建時機場的正常運行，需要對道面進行快速的拆卸和安裝，現行的方法主要是在地基上直接鋪設可拆卸的裝配式機場道面[3]。

本文針對裝配式道面類型進行分析，并總結裝配式道面的受力性能特點，同時建立裝配式道面的ABAQUS有限元進行力學性能分析。

2 裝配式道面研究進展

裝配式道面相較于傳統路面的現澆、攤鋪，其結構先由工廠預制，運送到現場后進行裝配接縫，具有更高的效率，同時也更易于實現標準化施工和精細化管理，更加的綠色環保。目前國內外對于裝配式路面的研究主要集中于混凝土裝配式道面的鋪面[4]。相較于路況復雜的公路裝配式路面，機場道面是更為理想的施工條件，更加具有可實施性，目前也已經存在了多種裝配式道面的類型。

2.1 裝配式道面類型

（1）鋼板裝配式道面

裝配式道面最早是采用鋼板裝配式道面，為沖孔鋼板裝配式道面，主要用于軍事飛機起降。每塊板有87個沖壓成型的加強孔，可以大幅減輕鋼板的重量，同時在側面布置了卡扣進行固定，從而使得整個跑道相互連接。鋼板裝配式道面做到了快速建造、修復，同時成本降低，機動性強，鋼板道面可以循環利用[5]。不過缺點同樣明顯，鋼板道面的剛度小、變形大，承載力不足，仍不能作為道面修復的首要選擇。

（2）高強度復合材料裝配式道面

在20世紀40年代研制了玻璃鋼道面，這是高強度復合材料在裝配式道面中的重要應用，隨著高分子材料的發展，超高分子量聚乙烯纖維、碳纖維和玻璃纖維的樹脂基高強度復合材料應運而生。高強度復合材料具有如下優點：復合材料道面的體型寬大，整體性優秀，單獨的版塊長度約9m，采用1.8m的寬度符合車輛的尺寸，方面運輸；復合材料擁有高強度、性能好的優點。復合材料的抗彎強度得到了巨幅的提升，其中樹脂材料可以達到280MPa；復合材在水膜條件下的摩擦系數有0.45～0.60；巴氏硬度有40以上。但是復合材料依然存在其缺點：復合材料版幅巨大但是自重小，使得裝配的時候道面之間的連接性不夠理想，必須要配件輔助才能很好的固定；復合材料同樣沒有解決剛度的問題，道面變形過大，承載力不足[6]；復合材料主要都是高分子有機物，在高溫環境或者特殊情況下，存在不可忽視的安全隱患。所以，復合材料不能作為裝配式道面的首選。

（3）預應力鋼筋混凝土裝配式道面

預應力鋼筋混凝土裝配式道面具有強度大，承載力強，施工簡易、方便，很快在其他國家進行發展。預應力混凝土道面的優點：預應力道面有效的減少了板層的厚度，大概只是普通道面的一半，節省了鋼材和混凝土的用量，減輕了結構的自重，在面對大跨度的結構時效果顯著；由于預應力的作用，構件的抗裂能力遠遠高于普通構件，道面板的整體性得到增強，橫向開裂的問題也有所改善，耐久性表現優異。預應力混凝土道面板的跨度很大，道面板間嚴絲合縫，整體性強，有效的減少了板間的滑動、錯臺問題；預應力道面混凝土具有很好的抗疲勞性能，與普通混凝土相比，其彎曲疲勞壽命是普通混凝土的平均彎曲疲勞壽命的3.18～5.99倍，并且隨著預應力的增大壽命也在提高[7]。預應力混凝土道面的缺點：機場跑道的道面寬度很大，道面板的應力狀態復雜，預應力裝配道面難以應對縱向應力，從而產生縱向裂縫；機場道面的復雜情況使得裝配道面的預計拱度難以確定，混凝土的徐變過程會使得道面的拱度增大，如果道面板的返拱度設置出問題，機場跑道的平整度將會不能保證。綜上，預應力裝配式道面依舊沒有成熟的施工工藝，離實際應用尚有差距。

（4）普通鋼筋混凝土裝配式道面

相較于上述的三種裝配道面，普通鋼筋混凝土裝配式道面的優點：水泥混凝土道面板的自重，剛度優于鋼板道面，承載能力更強，同時能承受更大的壓力；水泥混凝土道面作為機場路面時，可以承受飛機發動機釋放高溫氣流，溫度穩定性好，較于高強度復合材料，耐久性更強；普通鋼筋混凝土可以實現機械化、自動化施工，可以更加精確地控制道面的平整程度，同時構件的成本低廉，可以進行大規模的應用。

綜上，普通鋼筋混凝土的經濟效益以及實際應用都是最為優秀的產品，作為新興的道面修復技術，彌補了傳統修復工藝的所有缺點，是最適宜的裝配式道面修復材料。

2.2 裝配式道面性能特點

裝配式道面相較于現澆混凝土道面，雖然原材料相同，但是因其單塊板面面積相對較小，因而在受力的時候表現出不同的特點，近年來國內外也有不少研究人員進行過相關的研究。

楊博瀚等[8]運用建立三維有限元模型對裝配式機場預應力混凝土道面承載性能的影響因素進行正交分析，其結果表明裝配式道面板的板厚、面層與基層的摩擦系數與彈性模量，預應力的施加對混凝土道面板的承載能力影響較為明顯，并且就對每個影響因素確定了一個合理的數值范圍。蘇海花[9]通過開展足尺裝配式預應力混凝土道面彎沉特性的試驗，分析了該道面結構的彎沉特性、傳荷能力及其影響因素，確定了裝配式機場預應力混凝土道面的傳荷能力主要包括板與板之間的摩擦作用，其次為預應力鋼絞線作為傳力桿的作用，最后是企口縫的傳荷作用。同時在對同一塊道面板的不同的位置，對兩塊板的中縫的不同位置，都經行了加載彎沉實驗，得出了板角與外側版的板邊中點分別為各自最不利的受荷位置。臧小雙等[10]通過建立路面結構的三維有限元動載模型來分析對不同車速和荷載下對裝配式路面的影響，其結果表明，行車速度的提高會降低裝配式面板的板底拉應力以及面層豎向位移；同一車速下，隨著荷載的增加，面板內部的最大剪應力將增大。在發生破壞時，龐旭[11]指出，裝配式混凝土道面板不會發生路基剪切破壞與翻版破壞，其主要壞模式仍是水泥板疲勞斷裂。

針對需要快速裝配道面的情況時，張恒[12]提出了一種新型的快速裝配鋼框-預應力混凝土道面的設計，并建立了三維有限元模型進行分析，得出了除了基于板厚的影響外，道面板板底的土基反應模量，板間鉸接件位置都會對道面板的受力特性產生影響。

相比道面板結構受力性能研究而言，朱懋江等[13]發現裝配式水泥混凝土道面板的灌漿層的粘結特性也是影響裝配式道面板的力學響應的重要因素，通過設計灌漿種類、板底粗糙程度、灌漿厚度和基層結構四因素三水平的正交試驗方案，開展豎向靜態和疲勞加載試驗以及側向加載試驗，得出了不同因素分別對灌漿層與面層粘結性能、灌漿層與基層粘結性能、道面結構承載性能產生影響的先后程度，并給出了最優的設計工藝和灌漿的選材。

3 裝配式道面有限元數值分析

采用 ABAQUS軟件中建立了道面板以及下部土基有限元數值模型，并以兩個板通過傳力桿拼接為一塊為例，分別對不同工況下的機場道面結構進行了力學分析。

3.1 有限元分析模型

根據對地基的影響深度的驗算，下面的基層是兩個相鄰的道面板拼接起來的，其平面尺寸為5m×10m×9.0m。以彈性模量、密度和泊松比等物理力學指標對擬建道面板各層材料進行定義賦值，進而表示其材料的強度等特征，道面結構分別由剛性水泥混凝土面層、水泥穩定粒料上基層、碾壓混凝土下基層、砂石顆粒墊層和土基組成。三維有限元模型如圖1所示。

地基回彈模量為40 MPa，對于輪載的加載位置通常采取三種典型的道面板位置，即板邊橫縫中部、板中和板角位置。通過在ABAQUS載荷模塊中修改荷載加載的位置，計算研究出道面板的力學響應結果。

3.2 結果分析

改變機輪荷載作用位置，經ABAQUS軟件模擬計算得到以下應力云圖和數值，如圖2所示。

通過圖2可知，最大橫向拉應力S11為1.155 MPa（板邊橫縫中間位置）；最大縱向拉應力S22為2.347MPa（板角位置），垂直位移最大值U3為1.249 mm（板角位置）。以上數據對比分析可知，當機輪荷載作用在道面板板角位置處時，出現的最大主應力的值達到最高，據此可以推測出整個道面結構在板角位置周圍發生破壞的概率最大，可以在板角位置處通過特殊的結構設計使其承載能力得到增強。當在進行剛性道面板設計施工的過程中，可以在道面板的板角位置設置加強網，可以預防道面板破壞的加深，即使發生了一定的破壞，也能保證道面板的正常運作，對飛行器的運行不產生過大的影響。