機場水泥混凝土道面接縫優化技術研究

吳念祖,杜 浩

（1.上海機場（集團）有限公司,上海200335;2.同濟大學,上海200092）

0 前言

水泥混凝土道面占我國機場道面總量的87%。在機場水泥混凝土道面早期出現的病害中，70%以上屬于接縫病害；全壽命運行期間，60%以上道面病害屬于接縫病害[1]。

除了飛機輪載作用和自然環境影響之外，接縫槽口的形狀和尺寸對病害的形成也有一定影響。接縫槽口受到機輪荷載和溫度梯度作用時，在槽口棱角處可能會產生較為明顯的應力集中現象。而當應力大小超過混凝土強度時，道面板接縫出現邊角破碎、剝落等現象。因此，采用合理的接縫形式，以減少應力集中對機場道面的破壞，對于保障飛機在道面上的安全滑行，延長道面的使用壽命以及減少道面維護費用都極具重要意義。

1 道面接縫常見形態及損壞模式

傳統的水泥混凝土道面接縫及槽口構造如圖1所示，鋸切的槽口呈上寬下窄的形狀，槽口為90°直角。對于直角形狀的接縫槽口，在槽口直角尖端處的混凝土受機輪荷載和溫度梯度的作用，可能會產生較為明顯的應力集中現象，實踐經驗也表明該處的混凝土最容易產生破碎損壞。

為了有效地減少接縫槽口處的混凝土破碎，保證飛機滑跑安全，美國等國家從20世紀70年代就開始對機場道面接縫采用倒角工藝進行施工[2]，即將切縫槽口倒成圓弧或鈍角形式，使得接縫槽口與道面表面以圓弧或斜線過渡，以減少破碎和裂縫的產生。FAA道面設計指南中提出普通水泥混凝土道面所有暴露的切縫、邊緣及尖角都要進行倒角處理，并推薦了半徑為6mm的倒圓角和6 mm×6 mm倒45°角2種構造形式，如圖2所示。對于不同的接縫形狀，可能發生的破壞模式如圖3所示。

2 道面接縫形態優化的力學分析

為了分析檢驗圓弧或斜角切縫形式在消除應力集中方面的效果，本文采用有限元方法，分析機輪荷載和溫度梯度作用下的接縫槽口處混凝土的應力分布情況，并與傳統的直角接縫進行對比分析。

2.1 模型建立

以ANSYS有限元分析軟件為平臺，為了使切縫位置應力計算結果具有足夠的精度，將切縫角點5 cm×5 cm的局部范圍進行網格細化，使得單元大小約為1 mm×1 mm。所建立的有限元模型如圖4所示。

選用B777-300ER輪載為切縫位置力學分析的作用荷載[3]，考慮該機型在最大設計滑行重量對應的垂直荷載和平穩制動產生的水平荷載的共同作用。荷載作用位置與橫縫相切，即僅一塊水泥混凝土板直接受荷。

2.2 工況分析

對比分析四種切縫形式（直角、斜角、圓角、橢圓角）在槽口位置的應力集中問題，其中，斜角切縫分為邊長4 mm和6 mm兩種情況，圓角切縫分為半徑4 mm和6 mm兩種情況，橢圓角切縫長、短軸分別為6 mm、4 mm，呈立式布置。分析工況編號及工況條件如下：

A1：直角切縫形式；

B1：斜角切縫形式，邊長為4 mm×4 mm；

B2：斜角切縫形式，邊長為6 mm×6 mm；

C1：圓角切縫形式，圓弧半徑為4 mm；

C2：圓角切縫形式，圓弧半徑為6 mm；

D1：橢圓切縫形式，長軸6 mm，短軸4 mm。

分析工況如圖5所示。

2.3 道面結構參數

2.3.1 基層頂面當量反應模量

根據設計要求，基層頂面的當量反應模量可取100 MN/m3。

2.3.2 水泥混凝土板參數

水泥混凝土板結構和材料參數如表1所列。

表1 水泥混凝土板結構和材料參數表

2.3.3 傳力桿的剛度計算

橫縫傳力桿的剛度計算如表2所列。

表2 橫縫傳力桿剛度計算表

2.4 道面接縫荷載應力分析

考慮到倒角尺寸很小，僅可能對附近局部范圍內混凝土的應力分布產生影響，因而選擇緊鄰倒角處寬10 cm、深10 cm的范圍觀察水泥混凝土的應力狀況，即分析與接縫水平距離分別為1 cm、5 cm、10 cm位置混凝土，在機輪荷載作用下的水平向應力和豎直向應力沿板深度（0～10 cm）的變化規律。

圖6～圖8為不同接縫形式下，距離接縫10 cm、5 cm、1 cm處水泥混凝土水平向應力的變化規律；圖9、圖10為不同切縫形式距離切縫1 cm、2 cm處水泥混凝土豎直向應力的變化規律。

由以上各圖可以得出以下結論：

（1）接縫形式對附近混凝土應力狀況的水平影響距離為整個輪印長度，豎向影響深度約為混凝土板表面以下10 cm。

（2）接縫采取倒角工藝后，將改善緊鄰切縫局部范圍內混凝土的應力狀況。

圖6 不同切縫形式距切縫10 cm位置混凝土的荷載應力（水平向）曲線圖

圖7 不同切縫形式距切縫5 cm位置混凝土的荷載應力（水平向）曲線圖

（3）采取倒角工藝后，接縫位置距離表面1 cm范圍內的混凝土從受拉改變為受壓的有利狀態。

2.5 道面接縫溫度應力分析

對于接縫位置的溫度應力分析，主要考慮溫度相對穩定時的翹曲應力，不考慮空氣的對流和路面的輻射。參考現行公路水泥混凝土路面設計規范，正溫度梯度采用東南濕熱區（Ⅵ區）的最大溫度梯度，為0.9℃/cm，對于40 cm的面層板，還應進行最大溫度梯度的厚度修正，修正系數取0.59，此時板頂與板底的溫差達21.2℃，計算時取板頂溫度為45℃。

同樣以距離接縫寬10 cm、深10 cm范圍內的水泥混凝土應力狀況為對象，進行計算分析。計算結果表明：

（1）不同接縫形式對接縫位置溫度應力影響較小。

（2）接縫位置混凝土的溫度應力較小，最大拉應力不超過1 kPa，最大壓應力不超過100 kPa，遠小于混凝土自身設計彎拉強度。

（3）由于溫度變化作用次數遠低于機輪荷載的作用次數，加之采用小板能有效減小溫度翹曲應力。即使混凝土板在溫度梯度作用下產生翹曲變形的同時承受機輪荷載的作用，由于接縫位置混凝土的溫度應力相對于荷載應力很小，其總應力仍接近于荷載應力。因此現行民航機場水泥混凝土道面設計規范在板厚計算中沒有考慮溫度應力的影響是完全可行的。

3 接縫倒角技術質量控制標準

在工程實踐中，為了保證施工質量，接縫倒角施工工藝應采用表3所列的質量控制標準。

表3 允許偏差項目表

其中，擴縫寬度和深度兩項指標僅在施工過程中控制，在竣工驗收時因灌縫已經施工完畢而不作要求。

4 工程實踐

接縫倒角技術已應用于浦東機場三跑道、虹橋機場二跑道的工程建設中，其中浦東機場倒角接縫長度達到15.62萬延米，虹橋機場二跑道系統倒角接縫長度總計達10.73萬延米。采用R6 mm的圓弧倒角，浦東機場三跑道投入運行1 a以來，道面接縫病害減少90%，工程效果顯著。同時，通過現場檢測，證明接縫倒角對道面平整度和摩擦系數的影響幅度很小，其影響在可接受的范圍內。

因此，接縫倒角技術對機場場道工程建設而言具有重要的革新意義，不僅可以在一定程度程度上減小道面破壞概率，降低道面運行后維修費用，而且從源頭上減小因道面破損而導致飛機發動機吸入破碎物的概率，提高了道面使用的安全性和可靠性，具有明顯的經濟效益和社會效益。

[1]史保華,王聲.應用瀝青混凝土修建機場道面的分析探討[J].石油瀝青,1998,12(2):35-42.

[2]FAA Airport pavement design and evaluation 2002.

[3]MHJ 5004-1995,民用航空運輸機場水泥混凝土道面設計規范[S].