快速裝配鋼框-預應力混凝土道面承載性能的影響因素分析 ①

張 恒， 趙方冉

(1.安徽財經大學管理科學與工程學院，安徽 蚌埠 233030；2.中國民航大學機場學院，天津 300300)

0 引 言

機場改擴建不停航施工過程中，通常需要快速鋪筑的道面結構作為臨時聯絡道來滿足機場的正常運行需要，該臨時聯絡道不僅具備承受飛機荷載的能力，而且還要滿足快速裝拆的要求。因此，快速裝配式道面結構設計和承載性能研究在機場工程領域具有重要的現實價值。蔡良才、周少輝等[1-3]對拼裝式鋁合金道面結構在飛機荷載下的承載能力與應力應變規律做了充分的有限元分析與現場試驗工作。岑國平等[4]通過室外鋪筑鋁蜂窩道面板實驗得出較高的地基強度可有效減少彎沉，而當地基脫空發生時，道面板板底出現過大應力，導致面板易發生破壞失效。楊博瀚等[5]利用有限元模型探討了合理結構參數的裝配式機場預應力混凝土道面能夠適應飛機荷載的要求。劉山洪等[6]對預制預應力混凝土復合道面板力學性能、施工工藝等進行了理論與實驗研究。上述裝配道面對鋪筑基層有較高的承載能力要求，飛機荷載反復作用下容易產生較大沉陷而難以保證道面結構的平整性，工程成本較高。因此，研究適用于民航領域的快速裝配鋼框-預應力混凝土道面結構來滿足機場臨時道面的鋪筑需求。

1 快速裝配鋼框-預應力混凝土組合道面設計分析

由于快速裝配道面結構的地基缺乏足夠的時間完成硬化處理，很難為面層結構提供較高的支撐強度，多為中低強度土基支撐，地基反應模量在80 MN/m3以下，這使得道面板塊承受豎向荷載時容易產生較大變形而導致局部應力過大。為此，需要裝配道面結構不僅具有較高的剛度和承載能力，而且具有較好的荷載擴散能力，此外，道面板單元還需具有運輸方便和裝拆便捷的特點，宜選用適當的型鋼框架與預應力混凝土結構來滿足要求，如圖1所示。快速裝配道面結構可采用物理幾何特征參數相同的矩形薄板通過一定的裝拆機構，形成快速鋪裝的效果，使得道面板能夠保持連續性與平整性，荷載作用下板間連接件機構會使板產生一定的相對位移，能夠消散部分荷載應力，板塊單元間通過鉸接件連接形成道面整體，使其形成良好的變形協同能力。從道面結構力學特征看，以單一板單元為力學對象，該道面屬于剛性道面結構；但當多板塊組合結構連接成整體后則可看作為柔性道面結構。因此，鋼框-預應力混凝土組合道面也可當作“半柔性道面”結構。目前，尚缺乏針對此類半柔性道面的研究和工程實踐，需要研究其力學性能的影響參數及力學響應規律。

2 鋼框-預應力混凝土道面有限元模型參數及模擬條件

為探討飛機荷載作用下鋼框-預應力混凝土組合道面結構的力學響應規律，基于“飛機輪胎荷載-道面板-地基”的復雜耦合系統，利用ABAQUS有限元軟件建立道面結構模型，并對計算參數給予一定的限制，研究其力學響應規律。

2.1 組合道面結構設計與材料參數確定

由于機場不停航施工周期短，地基處理較為簡單，無基層結構，建立winkler地基模型，采用中低強度(地基反應模量K=70MN/m3)地基模擬工程實際狀況。考慮到機場常用機型及輪載要求，道面結構荷載可采用B737-800主起落架矩形單輪輪載進行模擬[7]，見表1。

表1 B737-800飛機荷載參數

單元板間采用鉸連接方式，連接件模型為4處間斷分布各8 cm長的連接件，該連接件為高6 cm、寬度3 cm、孔徑2cm的插銷式結構。其中，鋼框架、連接件及連接軸采用Q345槽鋼，混凝土采用C40混凝土，均為線彈性材料。鋼框-預應力混凝土組合道面結構單元板設計尺寸參數及材料物理力學性能參數見表2所示[8]。

表2 鋼框-預應力混凝土道面結構幾何尺寸

2.2 邊界條件及預應力筋定義

道面板模型邊界條件定義為：垂直于行車方向(Y方向)約束X方向的水平位移，行車方向(Y方向)約束Y方向的水平位移[9]。利用ABAQUS中Embedded功能可以較好的模擬預應力鋼筋與混凝土之間的約束，預應力的模擬采用降溫法來實現，通過軟件中設定的預應力筋線膨脹系數，并對單元進行降溫，從而達到施加預應力的目的[10]。

3 快速裝配組合道面結構力學性能影響因素分析

通過改變結構自身參數、地基反應模量、連接件分布等參數，模擬荷載作用下組合道面板的力學響應規律、板塊聯動效應及變形協調效應，得到飛機荷載作用下快速裝配道面結構的應力傳遞特征、力學響應規律和適應性特點。

圖1 快速裝配道面板單元示意圖

3.1 飛機荷載作用下雙塊道面板及構件應力響應分析

基于雙板鉸接道面板有限元模擬可以看出，B737-800單輪荷載作用下，板塊間通過連接件進行應力擴散，使得型鋼框架與混凝土接觸處的應力過大，如圖2所示，導致混凝土板邊與型鋼框架發生脫離現象或使板底混凝土被拉裂，使得混凝土道面處于帶縫或破損工作狀態，但只是局部較小區域出現此種情況，可采取板角加鋪鋼筋網形式來消散此部分集中應力現象。相鄰連接件間由于擠壓作用可能產生應力集中，由此可能導致連接件接觸面上荷載應力過大而發生屈服現象，如圖3所示。比如，當荷載作用在鉸接板板邊時，連接件最大應力可達480 MPa左右，但只是其接觸面上的局部點達到屈服狀態，并不影響鉸接機構的使用，連接軸外表面最大應力僅為174 MPa，能夠滿足連接機構使用要求。

圖2 雙板板底混凝土受力云圖

圖3 連接件受力云圖

3.2 結構參數對組合道面的力學響應影響

鋼框-預應力混凝土組合道面板厚、連接件布局等對道面力學性能的影響顯著。板厚設計尺寸對于組合道面板底力學性能的影響規律如圖4所示。當單元體設計板厚從8cm增加到10cm、12cm、14cm時，板底應力從16.7MPa降低至3.9MPa，應力減幅達76.6%；板底變形從3.49mm逐漸減小至3.11mm，變形減幅達10.8%。當設計板厚從14cm增加到20cm時，板底應力降低至2.0MPa，應力減幅達48.7%；板底變形減小至3.07mm，變形減幅達1.3%。由此可見，板厚變化對于板底應力的影響最為顯著，板底應力更能反映結構的安全可靠性，當設計板厚大于12cm時，混凝土板底應力才會低于5.0MPa，混凝土才不至于被拉裂。當設計板厚大于14cm后，增加板厚對板底變形幾乎沒有影響，板底變形可作為優化道面板結構設計參數的次要指標。

板間連接的有效性是組合道面實現快速裝配的關鍵，組合道面板鉸接機構的布置位置不同對混凝土道面板的力學響應影響較大，數值模擬結果如圖5所示。連接機構焊接位置對連接件和連接軸的受力狀況影響較為顯著，當連接件中心位于距離板底2.5cm處時，連接件最大應力為486MPa，連接軸最大應力為174MPa。隨著連接件焊接位置沿板厚方向上移，連接機構所受應力不斷增加，當布置在板厚中部位置時，連接機構所受應力最大。當連接機構從板厚中部向上部布置時，連接軸自身應力有所減小(減小幅度低于向板厚底部布置)；連接件自身應力逐漸增加，連接效能變差。因此，從上述模擬結果來看，鋼框架外側的連接件以布置在靠近板底部為宜。

圖4 不同板厚情況下組合道面結構的力學響應

圖5 連接件位置與連接機構力學響應的關系

圖6 地基反應模量K與板底力學響應的關系

3.3 地基支撐條件對組合道面力學行為影響

快速裝配組合道面結構主要用于無基層、軟弱地基或地基狀況不良等工程實況條件下。為研究不同地基支撐條件對組合道面板的力學影響，有限元模型中地基反應模量K從5～80MN/m3(中低強度)間選取了11個參數值進行模擬，道面板板底應力、板底豎向位移力學響應量變化規律如圖6所示。當土基反應模量K值由5 MN/m3增加到25 MN/m3時，混凝土板板底豎向位移急劇下降，從49.79 mm降低至10.08 mm，減幅達79.75%；當土基反應模量K值從25MN/m3增加到80 MN/m3時，道面板板底豎向位移變化較小。從板底應力變化來看，土基反應模量K值由5 MN/m3增加到80 MN/m3時，混凝土道面板板底應力變化幅度較小，地基反應模量變化對板底應力幾乎沒有影響，這可能是由于板塊單元尺寸較小使得混凝土道面板不易形成較大的彎曲，從而難以產生較大板底應力變化。因此，地基反應模量的大小最直接影響的是道面板塊的板底豎向位移，在實際工程中，應盡可能的將土基平整且達到一定的強度要求，避免較大的板體沉陷產生。

4 結 語

(1)快速裝配鋼框-預應力混凝土道面結構由于型鋼框架的限制，水泥混凝土道面板與型鋼結合處的板側混凝土會產生局部應力集中現象，需要板角位置鋪設鋼筋網進行局部強化來減小或消除應力集中。組合板塊關鍵部位的連接件與連接軸的應力和變形情況基本滿足道面板使用的力學要求，連接件焊接位置靠近板底時，能夠有效發揮協同作用，裝配道面結構受力最為合理。

(2)單元體板厚變化對于混凝土道面板底應力和板底變形影響較為顯著，當板厚增加到14 cm時，增加板厚對板底變形幾乎沒有影響，實際工程中可以采取增大板厚的措施來降低混凝土道面板的應力水平。

(3)地基反應模量對快速裝配道面結構板底應力的影響并不顯著，但對減少道面板豎向變形效果較為明顯。當土基反應模量K值超過25MN/m3，隨地基反應模量K的增加，道面板板底變形減少并不明顯，采用增大地基承載能力的方法可有效減少道面結構的板底變形。