局部嵌固式修復體力學影響參數探討

摘 要：本文通過對鄭州新鄭國際機場跑道道肩上局部嵌固式修復體結構進行了有限元建模分析，分析了基層模量以及修復體與原道面間粘結程度對于修復效果的影響規律，從而為局部嵌固式修復體在混凝土邊角修復上的應用具有一定的指導意義。

關鍵詞：局部嵌固式；有限元；基層模量；粘結程度；邊角修復

板塊邊角位于道面板的邊緣處，處于側向懸空無支撐的狀態，是混凝土板強度薄弱處，也是板承載后應力較集中的部位。若鄰板高差、局部沉陷、脫空而發生板邊翹曲時，極易壓壞，通常是養護和修補的主要內容。為保障機場運行的安全可靠，國內外都在探索混凝土道面邊角高效、可靠的修復技術，以滿足機場道面的快速通航、可靠性、耐久性、經濟性以及環境適應性等需求。

對于快速修復方面，目前主要包括現場澆筑式和預制安裝式兩大類技術體系。其中對于現場澆筑式來說，主要集中在對新型快速修復材料的研究方面。Whiting.D Okammoto.P.A、Kumar等人針對快硬早強型修補料開展了研究[ 1 ]，其研究結果也表明，為改進道面板塊邊角的快速修復效果，應采取挖除破損層澆筑快硬材料的技術措施，但是，由于存在新澆筑的混凝土收縮性大，凝結硬化過程中很容易導致界面的開裂等問題，其修復后的耐久性仍不能滿足使用要求。此外，羅翥、顧玉輝等人在預制安裝式快速修復方面對預制修復板的尺寸及厚度等開展了一系列的研究[ 2 ]，其研究結果證實了該技術進行水泥混凝土路面修復是可行的，且操作簡便、快速高效、修復效果好，具有良好的經濟及社會效應。

根據目前針對板塊邊角快速修復技術的進展來看，采用預制安裝式修復具有修復速度快和修復后耐久性好的諸多有點，但是，由于安裝方法和工藝方面可能出現的問題也會導致修復板塊難以與既有板塊形成良好的協調工作性能而難以獲得良好的修復效果。

1 局部嵌固式修復技術

基于目前修復技術體系存在的各種弊端，為保障道面邊角破損的快速修復質量的可靠性，實現快速修復與使用耐久性的統一，中國民航大學機場工程民航科研基地提出局部嵌固式道面板角修復技術體系，該體系主要針對道面板邊角的受力特點，以及修復后的使用性能要求，采用預制修復板塊實現修復面的承載能力和可靠的耐久性，并利用角部的嵌固端，將修復面部分延伸到既有道面內部，既保證了修復板塊的可靠定位，又借助圓柱體與原道面間的嵌固效應，從而產生了對水平荷載的有效抵抗能力，其修復結構示意圖見圖1。

2 局部嵌固式修復體力學影響參數探討

為了研究基層模量以及界面粘結程度對于修復效果的影響，在鄭州新鄭國際機場南跑道道肩上進行了局部嵌固式板角修復試驗，并對其進行了有限元模擬。

該場道的地基反映模量為K=60MN/m3，道面的主要結構參數如表1。修復板塊嵌固端直徑為 10cm，嵌固端深度為10cm，鋼筋直徑均為10mm。荷載采用B767-200，胎壓為1.3MPa，輪印面積35.2cm×35.2cm。

以庫倫摩擦模型來表征面層-基層之間的摩擦特性，水泥路面應力分析中，一般取值在1.0～2.0范圍內，對面層荷載應力的影響較小，因此界面摩擦系數取為1.5[ 3 ]。不考慮板與板之間接縫的傳荷作用，道面板四周側面無法向位移約束，基層側面設置法向位移約束。

2.1 基層模量對修復體板頂拉應力響應分析

主要針對基層彈性模量對于修復體修復效果的影響進行了有限元模擬，分析了基層模量從1500MPa變化到10000MPa時修復體板頂拉應力的變化情況。

2.1.1跑南3200處：0.4 x 0.4m正方形板角修復體

2.1.2跑南2035處：0.35 x 0.6m板角修復體

由圖2和圖3可知，隨著基層模量的增加修復體板底、板頂拉應力都呈現下降的趨勢，但對修復體板頂影響更大。

當修復早期（修復體與原道面未固結時），修復體主要承受拉應力，為滿足及時通航的需求（即拉應力控制在5MPa內），基層模量不應小于6000MPa。

2.2 界面摩擦系數對修復體板頂拉應力響應分析

由圖4可以看出，隨著修復體與舊道面間摩擦系數的增加（即：粘結料粘結強度逐漸增加），修復體板頂拉應力逐漸減小，最終趨于穩定。為滿足通航需求，正方形修復體摩擦系數不宜小于0.7，矩形修復體不宜小于0.75；此外，對于正方形修復體來說，當修復體與原道面形成一個整體時，修復體內應力由受拉變為受壓，矩形修復體仍然是受拉。

3 結論

基層模量對于局部嵌固式修復體的修復效果影響比較顯著，尤其對于修復早期修復體板頂的影響較為顯著，要想將此結構用在修復中，滿足修復早期通航的道面基層模量不應小于6000MPa；隨著修復體與舊道面間摩擦系數（即：粘結料粘結強度）的增加，修復體板頂拉應力逐漸較小并趨于穩定，在不考慮基層模量的影響下，當摩擦系數達到0.75時，方可通航。

參考文獻：

[1] D.Whiting，M.Naqi，Strength and durability of rapid highway repair concretes， concrete International， V16，n6，Sep，2005.

[2] 李娣.預制混凝土板快速修復水泥路面結構設計研究[D].南京：東南大學，2015（3）.

[3] Power TC. Freezing Effects in concrete.Durability of Concrete.ACI SP47，1975.

作者簡介：

張寶鵬（1990-），男，山東臨沂人，研究生，主要研究方向：混凝土跑道邊角快速修復方向。