贾弘申 李嘉珺 蓝 翔 刘灿灿

中国民航大学交通科学与工程学院 天津 300300

1 引言

机场道面是空中交通体系正常运行的关键所在，为满足飞机正常的起飞以及降落要求，机场道面需要有足够的强度以及稳定性。现有的机场道面种类根据材料不同主要有刚性道面与柔性道面，国内机场道面以刚性道面为主，刚性道面主要是由水泥混凝土浇筑而成，柔性道面主要是指沥青混凝土道面。刚性道面其抗弯压能力以及弹性模量较其他材料要大，所以其刚度大。在飞机起降时，由于刚度的影响其变形较小[1]。目前刚性道面结构分析主要关心接缝传荷能力对板边缘应力的影响，周正峰等[2]人通过有限元分析软件，基于“贡献面积”原则，建立三维有限元分析模型，并且指出对于刚性道面的接缝处，其传荷刚度越小，基层对于接缝挠度传荷系数越高。柔性道面主要是通过抗压以及抗剪强度来承担飞机的荷载作用，其刚度较小，飞机荷载传来时，弯沉量较大，主要通过道面与基层的相互作用来承担荷载。由于我国航空运输行业的不断发展，为保证机场改扩建时机场的正常运行，需要对道面进行快速的拆卸和安装，现行的方法主要是在地基上直接铺设可拆卸的装配式机场道面[3]。

本文针对装配式道面类型进行分析，并总结装配式道面的受力性能特点，同时建立装配式道面的ABAQUS有限元进行力学性能分析。

2 装配式道面研究进展

装配式道面相较于传统路面的现浇、摊铺，其结构先由工厂预制，运送到现场后进行装配接缝，具有更高的效率，同时也更易于实现标准化施工和精细化管理，更加的绿色环保。目前国内外对于装配式路面的研究主要集中于混凝土装配式道面的铺面[4]。相较于路况复杂的公路装配式路面，机场道面是更为理想的施工条件，更加具有可实施性，目前也已经存在了多种装配式道面的类型。

2.1 装配式道面类型

（1）钢板装配式道面

装配式道面最早是采用钢板装配式道面，为冲孔钢板装配式道面，主要用于军事飞机起降。每块板有87个冲压成型的加强孔，可以大幅减轻钢板的重量，同时在侧面布置了卡扣进行固定，从而使得整个跑道相互连接。钢板装配式道面做到了快速建造、修复，同时成本降低，机动性强，钢板道面可以循环利用[5]。不过缺点同样明显，钢板道面的刚度小、变形大，承载力不足，仍不能作为道面修复的首要选择。

（2）高强度复合材料装配式道面

在20世纪40年代研制了玻璃钢道面，这是高强度复合材料在装配式道面中的重要应用，随着高分子材料的发展，超高分子量聚乙烯纤维、碳纤维和玻璃纤维的树脂基高强度复合材料应运而生。高强度复合材料具有如下优点：复合材料道面的体型宽大，整体性优秀，单独的版块长度约9m，采用1.8m的宽度符合车辆的尺寸，方面运输；复合材料拥有高强度、性能好的优点。复合材料的抗弯强度得到了巨幅的提升，其中树脂材料可以达到280MPa；复合材在水膜条件下的摩擦系数有0.45～0.60；巴氏硬度有40以上。但是复合材料依然存在其缺点：复合材料版幅巨大但是自重小，使得装配的时候道面之间的连接性不够理想，必须要配件辅助才能很好的固定；复合材料同样没有解决刚度的问题，道面变形过大，承载力不足[6]；复合材料主要都是高分子有机物，在高温环境或者特殊情况下，存在不可忽视的安全隐患。所以，复合材料不能作为装配式道面的首选。

（3）预应力钢筋混凝土装配式道面

预应力钢筋混凝土装配式道面具有强度大，承载力强，施工简易、方便，很快在其他国家进行发展。预应力混凝土道面的优点：预应力道面有效的减少了板层的厚度，大概只是普通道面的一半，节省了钢材和混凝土的用量，减轻了结构的自重，在面对大跨度的结构时效果显著；由于预应力的作用，构件的抗裂能力远远高于普通构件，道面板的整体性得到增强，横向开裂的问题也有所改善，耐久性表现优异。预应力混凝土道面板的跨度很大，道面板间严丝合缝，整体性强，有效的减少了板间的滑动、错台问题；预应力道面混凝土具有很好的抗疲劳性能，与普通混凝土相比，其弯曲疲劳寿命是普通混凝土的平均弯曲疲劳寿命的3.18～5.99倍，并且随着预应力的增大寿命也在提高[7]。预应力混凝土道面的缺点：机场跑道的道面宽度很大，道面板的应力状态复杂，预应力装配道面难以应对纵向应力，从而产生纵向裂缝；机场道面的复杂情况使得装配道面的预计拱度难以确定，混凝土的徐变过程会使得道面的拱度增大，如果道面板的返拱度设置出问题，机场跑道的平整度将会不能保证。综上，预应力装配式道面依旧没有成熟的施工工艺，离实际应用尚有差距。

（4）普通钢筋混凝土装配式道面

相较于上述的三种装配道面，普通钢筋混凝土装配式道面的优点：水泥混凝土道面板的自重，刚度优于钢板道面，承载能力更强，同时能承受更大的压力；水泥混凝土道面作为机场路面时，可以承受飞机发动机释放高温气流，温度稳定性好，较于高强度复合材料，耐久性更强；普通钢筋混凝土可以实现机械化、自动化施工，可以更加精确地控制道面的平整程度，同时构件的成本低廉，可以进行大规模的应用。

综上，普通钢筋混凝土的经济效益以及实际应用都是最为优秀的产品，作为新兴的道面修复技术，弥补了传统修复工艺的所有缺点，是最适宜的装配式道面修复材料。

2.2 装配式道面性能特点

装配式道面相较于现浇混凝土道面，虽然原材料相同，但是因其单块板面面积相对较小，因而在受力的时候表现出不同的特点，近年来国内外也有不少研究人员进行过相关的研究。

杨博瀚等[8]运用建立三维有限元模型对装配式机场预应力混凝土道面承载性能的影响因素进行正交分析，其结果表明装配式道面板的板厚、面层与基层的摩擦系数与弹性模量，预应力的施加对混凝土道面板的承载能力影响较为明显，并且就对每个影响因素确定了一个合理的数值范围。苏海花[9]通过开展足尺装配式预应力混凝土道面弯沉特性的试验，分析了该道面结构的弯沉特性、传荷能力及其影响因素，确定了装配式机场预应力混凝土道面的传荷能力主要包括板与板之间的摩擦作用，其次为预应力钢绞线作为传力杆的作用，最后是企口缝的传荷作用。同时在对同一块道面板的不同的位置，对两块板的中缝的不同位置，都经行了加载弯沉实验，得出了板角与外侧版的板边中点分别为各自最不利的受荷位置。臧小双等[10]通过建立路面结构的三维有限元动载模型来分析对不同车速和荷载下对装配式路面的影响，其结果表明，行车速度的提高会降低装配式面板的板底拉应力以及面层竖向位移；同一车速下，随着荷载的增加，面板内部的最大剪应力将增大。在发生破坏时，庞旭[11]指出，装配式混凝土道面板不会发生路基剪切破坏与翻版破坏，其主要坏模式仍是水泥板疲劳断裂。

针对需要快速装配道面的情况时，张恒[12]提出了一种新型的快速装配钢框-预应力混凝土道面的设计，并建立了三维有限元模型进行分析，得出了除了基于板厚的影响外，道面板板底的土基反应模量，板间铰接件位置都会对道面板的受力特性产生影响。

相比道面板结构受力性能研究而言，朱懋江等[13]发现装配式水泥混凝土道面板的灌浆层的粘结特性也是影响装配式道面板的力学响应的重要因素，通过设计灌浆种类、板底粗糙程度、灌浆厚度和基层结构四因素三水平的正交试验方案，开展竖向静态和疲劳加载试验以及侧向加载试验，得出了不同因素分别对灌浆层与面层粘结性能、灌浆层与基层粘结性能、道面结构承载性能产生影响的先后程度，并给出了最优的设计工艺和灌浆的选材。

3 装配式道面有限元数值分析

采用 ABAQUS软件中建立了道面板以及下部土基有限元数值模型，并以两个板通过传力杆拼接为一块为例，分别对不同工况下的机场道面结构进行了力学分析。

3.1 有限元分析模型

根据对地基的影响深度的验算，下面的基层是两个相邻的道面板拼接起来的，其平面尺寸为5m×10m×9.0m。以弹性模量、密度和泊松比等物理力学指标对拟建道面板各层材料进行定义赋值，进而表示其材料的强度等特征，道面结构分别由刚性水泥混凝土面层、水泥稳定粒料上基层、碾压混凝土下基层、砂石颗粒垫层和土基组成。三维有限元模型如图1所示。

地基回弹模量为40 MPa，对于轮载的加载位置通常采取三种典型的道面板位置，即板边横缝中部、板中和板角位置。通过在ABAQUS载荷模块中修改荷载加载的位置，计算研究出道面板的力学响应结果。

3.2 结果分析

改变机轮荷载作用位置，经ABAQUS软件模拟计算得到以下应力云图和数值，如图2所示。

通过图2可知，最大横向拉应力S11为1.155 MPa（板边横缝中间位置）；最大纵向拉应力S22为2.347MPa（板角位置），垂直位移最大值U3为1.249 mm（板角位置）。以上数据对比分析可知，当机轮荷载作用在道面板板角位置处时，出现的最大主应力的值达到最高，据此可以推测出整个道面结构在板角位置周围发生破坏的概率最大，可以在板角位置处通过特殊的结构设计使其承载能力得到增强。当在进行刚性道面板设计施工的过程中，可以在道面板的板角位置设置加强网，可以预防道面板破坏的加深，即使发生了一定的破坏，也能保证道面板的正常运作，对飞行器的运行不产生过大的影响。