賈弘申 李嘉珺 藍(lán) 翔 劉燦燦

中國民航大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300300

1 引言

機(jī)場道面是空中交通體系正常運(yùn)行的關(guān)鍵所在，為滿足飛機(jī)正常的起飛以及降落要求，機(jī)場道面需要有足夠的強(qiáng)度以及穩(wěn)定性?，F(xiàn)有的機(jī)場道面種類根據(jù)材料不同主要有剛性道面與柔性道面，國內(nèi)機(jī)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(jī)起降時(shí)，由于剛度的影響其變形較小[1]。目前剛性道面結(jié)構(gòu)分析主要關(guān)心接縫傳荷能力對(duì)板邊緣應(yīng)力的影響，周正峰等[2]人通過有限元分析軟件，基于“貢獻(xiàn)面積”原則，建立三維有限元分析模型，并且指出對(duì)于剛性道面的接縫處，其傳荷剛度越小，基層對(duì)于接縫撓度傳荷系數(shù)越高。柔性道面主要是通過抗壓以及抗剪強(qiáng)度來承擔(dān)飛機(jī)的荷載作用，其剛度較小，飛機(jī)荷載傳來時(shí)，彎沉量較大，主要通過道面與基層的相互作用來承擔(dān)荷載。由于我國航空運(yùn)輸行業(yè)的不斷發(fā)展，為保證機(jī)場改擴(kuò)建時(shí)機(jī)場的正常運(yùn)行，需要對(duì)道面進(jìn)行快速的拆卸和安裝，現(xiàn)行的方法主要是在地基上直接鋪設(shè)可拆卸的裝配式機(jī)場道面[3]。

本文針對(duì)裝配式道面類型進(jìn)行分析，并總結(jié)裝配式道面的受力性能特點(diǎn)，同時(shí)建立裝配式道面的ABAQUS有限元進(jìn)行力學(xué)性能分析。

2 裝配式道面研究進(jìn)展

裝配式道面相較于傳統(tǒng)路面的現(xiàn)澆、攤鋪，其結(jié)構(gòu)先由工廠預(yù)制，運(yùn)送到現(xiàn)場后進(jìn)行裝配接縫，具有更高的效率，同時(shí)也更易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化施工和精細(xì)化管理，更加的綠色環(huán)保。目前國內(nèi)外對(duì)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(fù)雜的公路裝配式路面，機(jī)場道面是更為理想的施工條件，更加具有可實(shí)施性，目前也已經(jīng)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(jī)起降。每塊板有87個(gè)沖壓成型的加強(qiáng)孔，可以大幅減輕鋼板的重量，同時(shí)在側(cè)面布置了卡扣進(jìn)行固定，從而使得整個(gè)跑道相互連接。鋼板裝配式道面做到了快速建造、修復(fù)，同時(shí)成本降低，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，鋼板道面可以循環(huán)利用[5]。不過缺點(diǎn)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(fù)的首要選擇。

（2）高強(qiáng)度復(fù)合材料裝配式道面

在20世紀(jì)40年代研制了玻璃鋼道面，這是高強(qiáng)度復(fù)合材料在裝配式道面中的重要應(yīng)用，隨著高分子材料的發(fā)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(qiáng)度復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生。高強(qiáng)度復(fù)合材料具有如下優(yōu)點(diǎn)：復(fù)合材料道面的體型寬大，整體性優(yōu)秀，單獨(dú)的版塊長度約9m，采用1.8m的寬度符合車輛的尺寸，方面運(yùn)輸；復(fù)合材料擁有高強(qiáng)度、性能好的優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度得到了巨幅的提升，其中樹脂材料可以達(dá)到280MPa；復(fù)合材在水膜條件下的摩擦系數(shù)有0.45～0.60；巴氏硬度有40以上。但是復(fù)合材料依然存在其缺點(diǎn)：復(fù)合材料版幅巨大但是自重小，使得裝配的時(shí)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(fù)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(fù)合材料主要都是高分子有機(jī)物，在高溫環(huán)境或者特殊情況下，存在不可忽視的安全隱患。所以，復(fù)合材料不能作為裝配式道面的首選。

（3）預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土裝配式道面

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土裝配式道面具有強(qiáng)度大，承載力強(qiáng)，施工簡易、方便，很快在其他國家進(jìn)行發(fā)展。預(yù)應(yīng)力混凝土道面的優(yōu)點(diǎn)：預(yù)應(yīng)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(jié)省了鋼材和混凝土的用量，減輕了結(jié)構(gòu)的自重，在面對(duì)大跨度的結(jié)構(gòu)時(shí)效果顯著；由于預(yù)應(yīng)力的作用，構(gòu)件的抗裂能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通構(gòu)件，道面板的整體性得到增強(qiáng)，橫向開裂的問題也有所改善，耐久性表現(xiàn)優(yōu)異。預(yù)應(yīng)力混凝土道面板的跨度很大，道面板間嚴(yán)絲合縫，整體性強(qiáng)，有效的減少了板間的滑動(dòng)、錯(cuò)臺(tái)問題；預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力的增大壽命也在提高[7]。預(yù)應(yīng)力混凝土道面的缺點(diǎn)：機(jī)場跑道的道面寬度很大，道面板的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，預(yù)應(yīng)力裝配道面難以應(yīng)對(duì)縱向應(yīng)力，從而產(chǎn)生縱向裂縫；機(jī)場道面的復(fù)雜情況使得裝配道面的預(yù)計(jì)拱度難以確定，混凝土的徐變過程會(huì)使得道面的拱度增大，如果道面板的返拱度設(shè)置出問題，機(jī)場跑道的平整度將會(huì)不能保證。綜上，預(yù)應(yīng)力裝配式道面依舊沒有成熟的施工工藝，離實(shí)際應(yīng)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(yōu)點(diǎn)：水泥混凝土道面板的自重，剛度優(yōu)于鋼板道面，承載能力更強(qiáng)，同時(shí)能承受更大的壓力；水泥混凝土道面作為機(jī)場路面時(shí)，可以承受飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)釋放高溫氣流，溫度穩(wěn)定性好，較于高強(qiáng)度復(fù)合材料，耐久性更強(qiáng)；普通鋼筋混凝土可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化施工，可以更加精確地控制道面的平整程度，同時(shí)構(gòu)件的成本低廉，可以進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用。

綜上，普通鋼筋混凝土的經(jīng)濟(jì)效益以及實(shí)際應(yīng)用都是最為優(yōu)秀的產(chǎn)品，作為新興的道面修復(fù)技術(shù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)修復(fù)工藝的所有缺點(diǎn)，是最適宜的裝配式道面修復(fù)材料。

2.2 裝配式道面性能特點(diǎn)

裝配式道面相較于現(xiàn)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(duì)較小，因而在受力的時(shí)候表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，近年來國內(nèi)外也有不少研究人員進(jìn)行過相關(guān)的研究。

楊博瀚等[8]運(yùn)用建立三維有限元模型對(duì)裝配式機(jī)場預(yù)應(yīng)力混凝土道面承載性能的影響因素進(jìn)行正交分析，其結(jié)果表明裝配式道面板的板厚、面層與基層的摩擦系數(shù)與彈性模量，預(yù)應(yīng)力的施加對(duì)混凝土道面板的承載能力影響較為明顯，并且就對(duì)每個(gè)影響因素確定了一個(gè)合理的數(shù)值范圍。蘇?；╗9]通過開展足尺裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土道面彎沉特性的試驗(yàn)，分析了該道面結(jié)構(gòu)的彎沉特性、傳荷能力及其影響因素，確定了裝配式機(jī)場預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(shí)在對(duì)同一塊道面板的不同的位置，對(duì)兩塊板的中縫的不同位置，都經(jīng)行了加載彎沉實(shí)驗(yàn)，得出了板角與外側(cè)版的板邊中點(diǎn)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(jié)構(gòu)的三維有限元?jiǎng)虞d模型來分析對(duì)不同車速和荷載下對(duì)裝配式路面的影響，其結(jié)果表明，行車速度的提高會(huì)降低裝配式面板的板底拉應(yīng)力以及面層豎向位移；同一車速下，隨著荷載的增加，面板內(nèi)部的最大剪應(yīng)力將增大。在發(fā)生破壞時(shí)，龐旭[11]指出，裝配式混凝土道面板不會(huì)發(fā)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(duì)需要快速裝配道面的情況時(shí)，張恒[12]提出了一種新型的快速裝配鋼框-預(yù)應(yīng)力混凝土道面的設(shè)計(jì)，并建立了三維有限元模型進(jìn)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(yīng)模量，板間鉸接件位置都會(huì)對(duì)道面板的受力特性產(chǎn)生影響。

相比道面板結(jié)構(gòu)受力性能研究而言，朱懋江等[13]發(fā)現(xiàn)裝配式水泥混凝土道面板的灌漿層的粘結(jié)特性也是影響裝配式道面板的力學(xué)響應(yīng)的重要因素，通過設(shè)計(jì)灌漿種類、板底粗糙程度、灌漿厚度和基層結(jié)構(gòu)四因素三水平的正交試驗(yàn)方案，開展豎向靜態(tài)和疲勞加載試驗(yàn)以及側(cè)向加載試驗(yàn)，得出了不同因素分別對(duì)灌漿層與面層粘結(jié)性能、灌漿層與基層粘結(jié)性能、道面結(jié)構(gòu)承載性能產(chǎn)生影響的先后程度，并給出了最優(yōu)的設(shè)計(jì)工藝和灌漿的選材。

3 裝配式道面有限元數(shù)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(shù)值模型，并以兩個(gè)板通過傳力桿拼接為一塊為例，分別對(duì)不同工況下的機(jī)場道面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)分析。

3.1 有限元分析模型

根據(jù)對(duì)地基的影響深度的驗(yàn)算，下面的基層是兩個(gè)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(xué)指標(biāo)對(duì)擬建道面板各層材料進(jìn)行定義賦值，進(jìn)而表示其材料的強(qiáng)度等特征，道面結(jié)構(gòu)分別由剛性水泥混凝土面層、水泥穩(wěn)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(duì)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(jì)算研究出道面板的力學(xué)響應(yīng)結(jié)果。

3.2 結(jié)果分析

改變機(jī)輪荷載作用位置，經(jīng)ABAQUS軟件模擬計(jì)算得到以下應(yīng)力云圖和數(shù)值，如圖2所示。

通過圖2可知，最大橫向拉應(yīng)力S11為1.155 MPa（板邊橫縫中間位置）；最大縱向拉應(yīng)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(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，當(dāng)機(jī)輪荷載作用在道面板板角位置處時(shí)，出現(xiàn)的最大主應(yīng)力的值達(dá)到最高，據(jù)此可以推測(cè)出整個(gè)道面結(jié)構(gòu)在板角位置周圍發(fā)生破壞的概率最大，可以在板角位置處通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其承載能力得到增強(qiáng)。當(dāng)在進(jìn)行剛性道面板設(shè)計(jì)施工的過程中，可以在道面板的板角位置設(shè)置加強(qiáng)網(wǎng)，可以預(yù)防道面板破壞的加深，即使發(fā)生了一定的破壞，也能保證道面板的正常運(yùn)作，對(duì)飛行器的運(yùn)行不產(chǎn)生過大的影響。