預(yù)應(yīng)力道面在機(jī)場工程中的優(yōu)勢與應(yīng)用前景

趙方冉，鄧書斐，王 寧

（中國民航大學(xué) 機(jī)場學(xué)院，天津 300300）

1 預(yù)應(yīng)力道面的技術(shù)特點(diǎn)分析

1.1 預(yù)應(yīng)力混凝土道面

1）道面板厚度只需傳統(tǒng)混凝土道面板厚的40%～60%，提供高的承載力和較高的抗變形能力，對減薄機(jī)場道面的厚度非常有利。

2）預(yù)應(yīng)力混凝土道面由于板較長，接縫數(shù)量可大大減少，改善起降的平穩(wěn)性。

3）預(yù)應(yīng)力的存在使道面板體性較強(qiáng)，邊角軟弱部分得以改善，大大減少橫向開裂的可能性，提高道面的耐久性。

4）預(yù)應(yīng)力混凝土道面的用筋量少于除貧混凝土外其他道面。據(jù)國外研究指出，用于正常預(yù)應(yīng)力設(shè)計所需的鋼筋量約為2.712 5kg／m2，這遠(yuǎn)少于連續(xù)配筋道面（在一些情況下可達(dá)1／5的用量）。

5）從國外已建道面的使用狀況來看，預(yù)應(yīng)力混凝土道面幾乎30年不需大修，養(yǎng)護(hù)需求也較少。對于較長使用年限的主要問題來自胎紋的磨耗，但預(yù)應(yīng)力混凝土道面要比傳統(tǒng)混凝土路面初期投資高，但養(yǎng)護(hù)面的磨耗要小。就其費(fèi)用與傳統(tǒng)混凝土道面的費(fèi)用幾乎為0，并且減少養(yǎng)護(hù)延誤的時間。

1.2 主要缺點(diǎn)

1）從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)看，雖減薄道面板的厚度，但需大量的預(yù)應(yīng)力筋和錨具，施工工藝較復(fù)雜，手工操作的工作量大，難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化施工。初期投資較大。

2）雖然預(yù)應(yīng)力混凝土道面板可以做得較長，但隨長度的增加，由路基約束所引起的張拉應(yīng)力也隨之增大。另外，板的位移量也會增大，這對橫向接縫的設(shè)計要求很嚴(yán)，同時對路基摩擦約束盡可能小。

3）對施工隊伍人員素質(zhì)要求較高，并需進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土道面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

1）預(yù)應(yīng)力道面應(yīng)力種類。在混凝土道面板中施加預(yù)應(yīng)力，由于預(yù)應(yīng)力和混凝土的不均勻收縮的共同作用在預(yù)應(yīng)力混凝土道面底部產(chǎn)生壓應(yīng)力集中，從而大大提高道面板結(jié)構(gòu)的承載能力。可以有效避免斷板現(xiàn)象的產(chǎn)生，保證飛機(jī)起降的安全性和舒適性。

一般認(rèn)為，道面中所施加的預(yù)應(yīng)力大小主要有3個因素決定：機(jī)輪荷載、溫度和濕度引起的翹曲約束、板收縮期間的板底摩擦約束。對預(yù)應(yīng)力混凝土道面而言，道面板厚度和板內(nèi)預(yù)應(yīng)力應(yīng)滿足

fLr＋fΔT＋fF≤fcm＋fp.

式中：fLr為設(shè)計機(jī)型機(jī)輪對道面的荷載應(yīng)力，fΔT為溫度疲勞應(yīng)力，fF為路基摩阻應(yīng)力，fp為有效預(yù)應(yīng)力引起的混凝土中的平均壓應(yīng)力全系數(shù)，fcm為混凝土的容許彎曲應(yīng)力。

2）溫度疲勞應(yīng)力分析。預(yù)應(yīng)力道面在設(shè)計中考慮溫度荷載引起的疲勞應(yīng)力，混凝土道面板的疲勞斷裂是水泥混凝土道面損壞的主要模式，預(yù)應(yīng)力混凝土道面板由于施加預(yù)應(yīng)力，在使用階段可以有效減小溫度應(yīng)力帶來的影響，這樣引起疲勞破壞的可能性小，提高道面板結(jié)構(gòu)的耐疲勞性能。實(shí)驗證明預(yù)應(yīng)力混凝土機(jī)場道面比傳統(tǒng)水泥混凝土道面具有更長的使用壽命。

預(yù)應(yīng)力道面板中的溫度疲勞應(yīng)力通常由季節(jié)溫度變化引起，假設(shè)溫度梯度線性變化，溫度應(yīng)力計算

式中：Ec，αc，μc分別為混凝土的彈性模量、溫度膨脹系數(shù)和泊松比。

3）預(yù)應(yīng)力道面板長度通常為90～210 m，當(dāng)?shù)烂姘宄惺芎奢d應(yīng)力或溫度變化時，道面板有伸長和縮短的變化或變化趨勢，引起基礎(chǔ)對板底的摩擦力，即地基摩阻應(yīng)力，它的影響不容忽視。

路基摩阻引起的應(yīng)力計算路基摩阻引起的應(yīng)力計算

fF＝μρχ.

式中：μ為面板與基層間的摩阻系數(shù)，ρ為混凝土的密度，χ為距千斤頂?shù)木嚯x。當(dāng)X＝L／2（L為板長），路基摩阻應(yīng)力達(dá)到最大，計算時取板面長度的一半。

3 預(yù)應(yīng)力道面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

3.1 某機(jī)場跑道工程中采用預(yù)應(yīng)力道面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性模擬分析

某機(jī)場位于Ⅱ自然區(qū)劃，擬建設(shè)第二跑道，該工程飛行區(qū)等級為4F，基頂回彈模量120 MN／m3，現(xiàn)有設(shè)計采用普通水泥混凝土道面，道面長3 600m、寬60m、厚度45cm，可以起降A(chǔ)380等所有大型客機(jī)，縱向施工縫采用企口縫，跑道中間的5條縱向施工縫在板厚中央設(shè)置拉桿，橫向縮縫、脹縫和橫向施工縫均設(shè)置傳力桿，設(shè)計機(jī)型為波音B737－800，年通過作用次數(shù)為10 000次，設(shè)計使用壽命為30年，在同一條件下，普通水泥混凝土道面和預(yù)應(yīng)力道面采用結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，見表1。

表1 兩種路面結(jié)構(gòu)方案

3.2 預(yù)應(yīng)力道面和普通混凝土道面全壽命費(fèi)用對比分析

本課題研究機(jī)場道面費(fèi)用計算從道面初期建設(shè)開始到分析期末，可能包含的費(fèi)用有初始修建費(fèi)、日常維護(hù)費(fèi)用、改建費(fèi)等費(fèi)用，而場道部門管理費(fèi)用、運(yùn)營費(fèi)和用戶費(fèi)用（燃油消耗費(fèi)、輪胎消耗費(fèi)），由于不確定因素太多，本次研究中不予考慮，初始修建費(fèi)、日常維護(hù)費(fèi)用和改建費(fèi)按照建設(shè)部頒布的定額和當(dāng)?shù)夭牧蟽r格估算。

1）初期建設(shè)費(fèi)用。材料單價按工程動工時工程所在地工程造價信息站公布的“第二季度建設(shè)工程主要材料信息價”確定，主要材料單價為425級水泥500 元／t、325級水泥397元／t、石油瀝青5350元／t、改性瀝青6 600 元／t、鋼筋4 430 元／t，預(yù)應(yīng)力鋼絞線6 800元／t、砂88元／t、碎石85元／t。其他計價要素按照同望造價軟件中2008公路工程預(yù)算定額計價決定，初期建設(shè)費(fèi)見表2。

表2 某機(jī)場預(yù)應(yīng)力砼道面和普通砼道面初期建設(shè)費(fèi)比較 元

2）日常維護(hù)費(fèi)用。普通水泥混凝土機(jī)場道面的日常維護(hù)費(fèi)用通常包括每年接縫養(yǎng)護(hù)工作和每5年一次接縫的清潔和填料費(fèi)用，普通道面的接縫橫縱向接縫長度為82 800m，預(yù)應(yīng)力混凝土道面的接縫長度為4 170 m。根據(jù)普通機(jī)場接縫的維護(hù)經(jīng)驗，接縫年損壞率約10%，填縫材料一般為聚氨酯膠泥，使用壽命一般為5年，使用期過后需要徹底清潔接縫并且填料。維修費(fèi)用根據(jù)《民航機(jī)場道面工程預(yù)算定額》確定。預(yù)應(yīng)力混凝土道面的板塊很長，接縫很少，所以養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較低。只有普通道面的費(fèi)用的二分之一。普通道面接縫養(yǎng)護(hù)期為20年，20年后加鋪瀝青罩面，預(yù)應(yīng)力道面接縫養(yǎng)護(hù)期為30年。具體費(fèi)用見表3。

表3 某機(jī)場預(yù)應(yīng)力砼道面和普通砼道面維護(hù)費(fèi)比較 元

3）改建費(fèi)用。普通機(jī)場跑道的設(shè)計壽命一般為30年，現(xiàn)階段民航運(yùn)輸處于高速發(fā)展的階段，每年的旅客發(fā)送人次和貨物吞吐量都在穩(wěn)定增長，年飛機(jī)起降次數(shù)逐年遞增，超過設(shè)計值。長期的機(jī)輪疲勞荷載會降低道面的使用壽命，所以，通常在使用20年后加鋪瀝青罩面，罩面的設(shè)計使用壽命一般為10年瀝青罩面的結(jié)構(gòu)和造價見表4。整個機(jī)場道面面積360m2×60m2，通過計算可以得出瀝青罩面造價為45 398 880元。而預(yù)應(yīng)力混凝土道面由于預(yù)先施加了預(yù)應(yīng)力，抵消了一部分機(jī)輪荷載對道面的壓力，機(jī)輪荷載產(chǎn)生的道面彎沉在預(yù)應(yīng)力的作用下能夠迅速恢復(fù)，有效地改善了道面抵抗疲勞荷載的能力，預(yù)應(yīng)力道面的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通道面結(jié)構(gòu)。只用在30年的設(shè)計使用壽命結(jié)束后加鋪瀝青道面。費(fèi)用見表5。

表4 瀝青罩面的結(jié)構(gòu)及造價 元／m2

表5 某機(jī)場預(yù)應(yīng)力砼道面和普通砼道面改建費(fèi)比較 元

4）壽命周期費(fèi)用匯總分析。采用現(xiàn)值表現(xiàn)的周期費(fèi)用分析法對預(yù)應(yīng)力混凝土道面和普通水泥混凝土道面進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，分析周期為30年。費(fèi)用計算結(jié)果見表6。表中數(shù)據(jù)顯示，預(yù)應(yīng)力混凝土道面面具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

表6 某機(jī)場預(yù)應(yīng)力砼道面和普通砼道面壽命周期費(fèi)比較 元

5）效益分析。①從初始修建費(fèi)來看，某機(jī)場采用的新型預(yù)應(yīng)力道面結(jié)構(gòu)高于普通混凝土道面，其初始修建費(fèi)是普通混凝土道面結(jié)構(gòu)的1.05倍；從整個壽命期內(nèi)的費(fèi)用（初始修建費(fèi)＋養(yǎng)護(hù)費(fèi)＋改建費(fèi)）來看，普通混凝土道面的使用費(fèi)用遠(yuǎn)高于預(yù)應(yīng)力混凝土道面使用費(fèi)用，貼現(xiàn)率越小，預(yù)應(yīng)力混凝土道面的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢越明顯，4%貼現(xiàn)率下預(yù)應(yīng)力道面全壽命周期費(fèi)用為普通混凝土道面的72.43%，6%貼現(xiàn)率下為78.65%，8%貼現(xiàn)率下為84.78%。②從養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用看，由于預(yù)應(yīng)力混凝土道面板塊較長，接縫少于普通混凝土道面結(jié)構(gòu)，養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通混凝土面結(jié)構(gòu)費(fèi)用。養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，其養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)是普通混凝土面結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)的約1／2。③從持續(xù)使用能力上看，預(yù)應(yīng)力道面明顯優(yōu)于普通混凝土道面，普通道面容易發(fā)生斷板、剝落、起拱、錯臺等病害；而預(yù)應(yīng)力道面由于板塊長、接縫少，在使用中很少發(fā)生上述病害，有效地縮短道面的維護(hù)時間，提高機(jī)場道面的使用效率。

4 預(yù)應(yīng)力混凝土道面應(yīng)用中的間接效益分析

采用預(yù)應(yīng)力混凝土道面結(jié)構(gòu)，可以延長機(jī)場道面的使用壽命，減少路面養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度，很少或基本不需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)性的大修，從而帶來巨大的社會效益。

預(yù)應(yīng)力混凝土道面結(jié)構(gòu)可以減少由于道面養(yǎng)護(hù)維修所引起的機(jī)場封閉，減少航班延誤，能夠整體提升機(jī)場的服務(wù)水平，由于普通混凝土道面結(jié)構(gòu)本身固有的結(jié)構(gòu)缺陷、每年飛機(jī)起降次數(shù)逐年遞增以及A380這樣的大型飛機(jī)逐漸投入運(yùn)營等因素的影響，大部分普通水泥混凝土道面遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計年限就必須維修，頻繁的維修不僅增加道面養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，同時給機(jī)場帶來高昂的運(yùn)營費(fèi)用和因維修帶來的航班延誤；而預(yù)應(yīng)力混凝土道面結(jié)構(gòu)能延長路面的使用壽命，可以節(jié)省道面結(jié)構(gòu)大修費(fèi)用，減少由養(yǎng)護(hù)和維修對航班起降的干擾，由此給旅客人員帶來的不滿情緒和機(jī)場管理養(yǎng)護(hù)部門的壓力將減輕，從而大大地提高其服務(wù)水平，產(chǎn)生巨大的社會效益。

節(jié)約社會資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，預(yù)應(yīng)力道面只需要70%的厚度就可以產(chǎn)生和普通道面相同的承載力，這就節(jié)省大量的混凝土等不可循環(huán)利用的資源，當(dāng)對普通水泥混凝土道面進(jìn)行結(jié)構(gòu)性大修時，將產(chǎn)生大量的廢渣，這些廢渣既污染環(huán)境，又浪費(fèi)資源，預(yù)應(yīng)力混凝土道面結(jié)構(gòu)從根本上解決這個問題，預(yù)應(yīng)力混凝土道面的維修養(yǎng)護(hù)，不需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)性大修，設(shè)計使用壽命遠(yuǎn)高于普通道面，當(dāng)達(dá)到設(shè)計使用年限時，只需進(jìn)行薄層罩面加鋪，有效地保護(hù)生態(tài)環(huán)境，提高材料的利用效率。

5 結(jié)束語

基于全文論述和數(shù)據(jù)分析：

1）預(yù)應(yīng)力混凝土道面增加縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋和橫向鋼筋，改善結(jié)構(gòu)的整體性，并增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抵抗環(huán)境溫度效應(yīng)的能力，其且結(jié)構(gòu)性能優(yōu)于普通水泥混凝土道面。

2）通過對某機(jī)場場道實(shí)例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性能分析得出：預(yù)應(yīng)力道面在初期建設(shè)費(fèi)用比普通混凝土道面高出16%，但后期養(yǎng)護(hù)及改擴(kuò)建費(fèi)用前者比后者低，貼現(xiàn)率越低，經(jīng)濟(jì)效益越明顯，在4%的貼現(xiàn)率下總費(fèi)用最高可以節(jié)省27.57%。并且利于環(huán)保、節(jié)約資源，可以帶來更多的社會效益，值得大力推廣應(yīng)用。

3）預(yù)應(yīng)力混凝土道面作為一種優(yōu)秀的道面結(jié)構(gòu)形式，在我國機(jī)場場道中尚未得到應(yīng)用，目前我國的研究也剛剛起步，關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土道面在實(shí)際工程的應(yīng)用有待于進(jìn)一步的論證。

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