企口接縫在剛性道面橫向施工縫中應用的可行性研究

江圣澤, 盛昀

(1.民航機場建設工程有限公司, 天津 300456;2.中國民用航空飛行學院, 四川 廣漢 618307)

機場道面是飛行區供飛機起降、滑行、停放的重要載體。對于剛性水泥混凝土道面,板塊在飛機運行過程中的傳荷能力是評價道面結構性能的重要參數[1-2]。傳荷能力決定受荷載板體向未受荷載相鄰板體傳遞應力的能力[3-4]。與普通水泥公路不同,飛機接地后其前后起落架沿跑道和滑行道中心線滑行,不可隨意轉向和變道。飛機主起落架對板塊產生的荷載影響范圍隨機型大小和起落架構型發生變化,受荷倉位板塊直接承受飛機荷載,而受荷倉位外側非荷載影響區域板體均不直接承受機輪的沖擊和碾壓。

道面荷載主要通過接縫傳遞。道面接縫分為橫向接縫和縱向接縫。現有機場剛性道面縱向接縫采用設置拉桿企口接縫和不設拉桿企口接縫兩種形式,橫向接縫為道面澆筑完成后由切縫機切割產生的假縫和施工時產生的施工縫。橫向施工縫多采用設置傳力桿的構造形式,依靠鋼筋本身抗拉的力學性能使板塊之間保持密閉的工作狀態[5],保障道面板受飛機荷載時的傳荷能力。

李曄等使用ANSYS軟件對機場道面企口接縫應力進行分析,發現當企口接縫緊密結合時,道面板受力均勻,企口在板與板之間起活性鉸的作用,將荷載作用均勻傳向相鄰板體,應力水平均勻分布,在企口接縫槽口部位不會出現彎拉應力集中現象[6]。徐祥瑞認為企口接縫緊密結合的情況下,企口接縫是一種良好的結構形式[7]。Tabatabaie-Raissi A. M.、Rice J. L.、Novak J.等認為企口接縫是一種能較好傳遞荷載的接縫形式[8-10]。上述研究表明,企口接縫擁有良好的傳荷能力。

由于跑道中受起落架荷載直接作用區域外的剛性道面板不直接承受機輪沖擊和碾壓,非主輪作用區域的道面板在滿足飛機運行要求的情況下相鄰板體間具有足夠的荷載傳遞能力即可,該區域的道面橫向施工縫不必采用同主輪直接作用區相同的構造設計。另外,企口接縫因為其構造特點,施工時無須設置傳力桿,可節省鋼筋材料,節約施工成本。本文對企口接縫在非主輪作用區域道面橫向施工縫中的應用進行可行性研究。

1 研究思路

使用有限元分析軟件建立剛性道面混凝土板三維實體模型,模型尺寸參照某4F機場三期擴建工程機坪聯絡道道面結構尺寸,材料參數由工程實驗室根據規范要求通過試驗獲取。模型建立2種接縫形式的道面板體,分別為企口接縫和傳力桿接縫。

根據道面使用過程中的實際情況對模型施加荷載。該機場三期擴建工程新建機坪聯絡道寬度為107.5 m,設計最大運行機型為B747。文獻[11]的研究結果表明,B747機輪荷載對道面產生的最大位移斷面彎沉影響區域在50 m范圍內。因此,以50 m范圍為界限,將寬度為107.5 m的機坪聯絡道劃分為機輪荷載作用區和非荷載作用區(見圖1)。

圖1 機輪荷載作用區域劃分(單位:m)

所研究的板體位于主起落架直接沖擊和碾壓以外的區域,考慮到機場運行保障車輛不會行駛在該區域的板面上,主要考慮大自然變化下的溫度應力,即對模型施加溫度荷載。若企口形式橫向接縫的傳荷能力與傳力桿接縫的傳荷能力一致或優于傳力桿接縫,則說明非主輪直接作用區域橫向施工縫設置企口接縫可行。

接縫傳荷能力是水泥道面結構設計和性能評價的關鍵指標之一[12-13]。采用《民用機場道面評價管理技術規范》中評價混凝土道面傳荷能力的方法,在模型板邊設置直徑為30 cm圓形區域,通過模擬落錘式彎沉儀的落錘沖擊道面產生的彎沉值,由式(1)計算受荷板體與未受荷板體間的彎沉比傳遞系數,評價接縫的荷載傳遞能力,分析企口形式接縫在道面橫向施工縫中應用的可行性,并對企口接縫進行優化設計。

(1)

式中:CLTEδ為彎沉比傳遞系數(%);Dunload、Dload分別為未受荷板、受荷板距離接縫150 mm處傳感器的實測彎沉(μm)。

2 數值仿真分析

基于Winkler地基理論建立有限元模型,整體結構為兩塊相接的混凝土板,板體尺寸為5 m×5 m,相鄰板塊接縫形式為企口接縫和傳力桿接縫(見圖2、圖3)。企口尺寸與傳力桿尺寸參照設計圖紙選取。

圖2 企口接縫示意圖

圖3 傳力桿接縫示意圖

建模時,假設兩種模型計算所用材料均為線彈性材料,混凝土彈性模量為40 GPa,泊松比為0.2,線膨脹系數為1.05×10-5℃-1,導熱系數為1.7 W/(m·℃);傳力桿采用直徑38 mm的鋼筋,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.15,線膨脹系數為1.2×10-5℃-1,導熱系數為45 W/(m·℃);嵌縫材料彈性模量為10 MPa,泊松比為0.4,線膨脹系數為0.25×10-5℃-1,導熱系數為0.05 W/(m·℃)。

根據文獻[14]的研究成果,模型荷載施加區域網格尺寸取0.1 m×0.1 m,其余區域網格尺寸取0.2 m×0.2 m,可保證計算精準度和效率。模擬單元采用八節點六面體單元,模型邊界條件參照規范將板邊設置為自由邊界,板底邊界參照Winkler地基彈性薄板設置。

由于剛性道面在溫度變化條件下傳荷能力會發生變化,對模型考慮兩種情況:1) 考慮到《民用機場道面評價管理技術規范》并未明確要求落錘式彎沉檢測應考慮溫度變化對道面傳荷系數的影響,不考慮溫度變化,模擬計算接縫的傳遞系數。2) 隨著一年四季的溫度變化,實際剛性道面板體由于熱脹冷縮與相鄰板體之間的傳荷系數發生變化,對模型板體表面分別施加7種溫度荷載,分別為0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃,計算溫度變化時接縫的傳荷系數。

對于第二種情況,隨著溫度的增加,道面板逐漸產生翹曲應力[15-17],板體之間相互擠壓,傳荷系數發生變化。板內翹曲應力按式(2)計算[18]。

(2)

式中:E為彈性模量;α為線膨脹系數;h為道面板厚度;Tg為道面溫度梯度,按式(3)計算;Bx為綜合溫度翹曲應力和內應力作用的溫度應力系數。

(3)

式中:T(0,t)為某時刻路表面的溫度;T(h,t)為某時刻路面下深度h處的溫度;h為路面某一點沿深度方向與路表面的距離。

表1為機場剛性道面的最大溫度梯度標準值。該機場位于中國中部地區,屬于Ⅱ區域,最大溫度梯度取88 ℃/m。

表1 各地區機場剛性道面的最大溫度梯度標準值

3 不同接縫形式對比分析

考慮地基承載力在機場運行后期的變化,結合溫度變化情況,在基層頂面反應模量分別為80 MN/m3、90 MN/m3、100 MN/m3、110 MN/m3和120 MN/m3的條件下進行分析。圖4為不考慮溫度變化時不同形式接縫傳荷系數隨基層頂面反應模量的變化。由圖4可知:1) 采用企口接縫構造的相鄰板塊之間傳荷系數最小為88%,最大為89%;采用傳力桿接縫構造的相鄰板塊之間傳荷系數最小為88%,最大為89%。兩種構造形式接縫在不同基層頂面反應模量下的傳荷系數均大于規范要求(80%),荷載傳遞能力屬于“優”。 2) 傳荷系數隨基層頂面反應模量的增大而減小,但反應模量增大對傳荷系數并不會產生較大影響,企口接縫和傳力桿接縫在不考慮溫度時都具有較好的傳荷能力。

圖4 不考慮溫度變化時接縫傳荷系數隨基層頂面反應模量的變化

圖5、圖6為考慮溫度荷載時不同基層頂面反應模量下兩種構造形式接縫傳荷系數的變化。

圖5 考慮溫度荷載時不同基層頂面反應模量下傳力桿接縫的傳荷系數

圖6 考慮溫度荷載時不同基層頂面反應模量下企口接縫的傳荷系數

由圖5、圖6可知:板面溫度為0～40 ℃的條件下,基層頂面反應模量為80 MN/m3時,傳力桿接縫的傳荷系數約為0.89,企口接縫的傳荷系數約為0.89;基層頂面反應模量為90 MN/m3時,傳力桿接縫的傳荷系數約為0.89,企口接縫的傳荷系數約為0.89;基層頂面反應模量為100 MN/m3時,傳力桿接縫的傳荷系數約為0.88,企口接縫的傳荷系數約為0.87;基層頂面反應模量為110 MN/m3時,傳力桿接縫的傳荷系數約為0.88,企口接縫的傳荷系數約為0.87;基層頂面反應模量為120 MN/m3時,傳力桿接縫的傳荷系數約為0.87,企口接縫的傳荷系數約為0.86。板面溫度為50～60 ℃的條件下,基層頂面反應模量為80 MN/m3時,傳力桿接縫最低傳荷系數和最高傳荷系數分別為0.89、0.94,企口接縫最低傳荷系數和最高傳荷系數分別為0.90、0.97;基層頂面反應模量為90 MN/m3時,傳力桿接縫最低傳荷系數和最高傳荷系數分別為0.90、0.94,企口接縫最低傳荷系數和最高傳荷系數分別為0.89、0.92;基層頂面反應模量為100 MN/m3時,傳力桿接縫最低傳荷系數和最高傳荷系數分別為0.89、0.95,企口接縫最低傳荷系數和最高傳荷系數分別為0.89、0.90;基層頂面反應模量為110 MN/m3時,傳力桿接縫最低傳荷系數和最高傳荷系數分別為0.89、0.94,企口接縫最低傳荷系數和最高傳荷系數分別為0.87、0.88;基層頂面反應模量為120 MN/m3時,傳力桿接縫最低傳荷系數和最高傳荷系數分別為0.88、0.89,企口接縫最低傳荷系數和最高傳荷系數分別為0.87、0.88。混凝土道面板在氣溫升高時板體受熱膨脹,相鄰板體間的貼合程度增強,荷載傳遞效率提高。企口接縫形式板塊在不同基層頂面反應模量下的傳荷系數均隨著溫度的升高而增大。而基層頂面反應模量提高會使道面結構支撐得到加強,板底彎拉應力和板面彎沉值減小,從而降低受荷板與未受荷板之間的位移差,兩種接縫形式的板體傳荷系數減小。企口接縫在不同溫度和不同基層頂面反應模量下的傳荷系數均大于規范要求,傳荷效果良好。

綜上,不考慮溫度的條件下,企口接縫的傳荷效率良好;考慮溫度的條件下,企口接縫同樣具有良好的傳荷效率;兩種環境下,基層頂面反應模量變化對道面接縫傳荷系數的影響均較小。對于該機場非主輪直接作用區混凝土板體,可采用企口接縫作為施工橫縫。

4 結論

本文參照某4F機場飛行區三期擴建工程機坪聯絡道道面結構,分別建立企口接縫和傳力桿接縫形式的混凝土板有限元模型,通過改變板面溫度,分析道面板在5種基層頂面反應模量下的傳荷系數,研究企口接縫應用于機場剛性道面橫向施工縫的可行性。結論如下:

(1) 在不考慮溫度的條件下,采用企口接縫構造,相鄰板塊之間的傳荷系數最小為88%,最大為89%;采用傳力桿接縫構造,相鄰板塊之間的傳荷系數最小為88%,最大為89%。兩種接縫構造在不同基層頂面反應模量下的傳荷系數均大于規范要求(80%),荷載傳遞能力屬于“優”。基層頂面反應模量增大對接縫傳荷系數并不會產生較大影響,企口接縫在不考慮溫度時具有較好的傳荷能力。

(2) 考慮溫度的條件下,兩種接縫的傳荷系數隨基層頂面反應模量的增大略微減小,但反應模量增大對傳荷系數并不會產生較大影響,企口接縫具有較好的傳荷能力。企口接縫的力學性能與傳力桿接縫相近,均可達到良好的傳荷效果,非主輪作用區道面的橫向施工縫可采用企口接縫構造。

(3) 該機場機坪聯絡道中非主起落架荷載作用區可采用企口接縫作為橫向施工縫。