局部嵌固式修復(fù)體力學(xué)影響參數(shù)探討

摘 要：本文通過對(duì)鄭州新鄭國(guó)際機(jī)場(chǎng)跑道道肩上局部嵌固式修復(fù)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元建模分析，分析了基層模量以及修復(fù)體與原道面間粘結(jié)程度對(duì)于修復(fù)效果的影響規(guī)律，從而為局部嵌固式修復(fù)體在混凝土邊角修復(fù)上的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：局部嵌固式；有限元；基層模量；粘結(jié)程度；邊角修復(fù)

板塊邊角位于道面板的邊緣處，處于側(cè)向懸空無支撐的狀態(tài)，是混凝土板強(qiáng)度薄弱處，也是板承載后應(yīng)力較集中的部位。若鄰板高差、局部沉陷、脫空而發(fā)生板邊翹曲時(shí)，極易壓壞，通常是養(yǎng)護(hù)和修補(bǔ)的主要內(nèi)容。為保障機(jī)場(chǎng)運(yùn)行的安全可靠，國(guó)內(nèi)外都在探索混凝土道面邊角高效、可靠的修復(fù)技術(shù)，以滿足機(jī)場(chǎng)道面的快速通航、可靠性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)境適應(yīng)性等需求。

對(duì)于快速修復(fù)方面，目前主要包括現(xiàn)場(chǎng)澆筑式和預(yù)制安裝式兩大類技術(shù)體系。其中對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)澆筑式來說，主要集中在對(duì)新型快速修復(fù)材料的研究方面。Whiting.D Okammoto.P.A、Kumar等人針對(duì)快硬早強(qiáng)型修補(bǔ)料開展了研究[ 1 ]，其研究結(jié)果也表明，為改進(jìn)道面板塊邊角的快速修復(fù)效果，應(yīng)采取挖除破損層澆筑快硬材料的技術(shù)措施，但是，由于存在新澆筑的混凝土收縮性大，凝結(jié)硬化過程中很容易導(dǎo)致界面的開裂等問題，其修復(fù)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(yù)制安裝式快速修復(fù)方面對(duì)預(yù)制修復(fù)板的尺寸及厚度等開展了一系列的研究[ 2 ]，其研究結(jié)果證實(shí)了該技術(shù)進(jìn)行水泥混凝土路面修復(fù)是可行的，且操作簡(jiǎn)便、快速高效、修復(fù)效果好，具有良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效應(yīng)。

根據(jù)目前針對(duì)板塊邊角快速修復(fù)技術(shù)的進(jìn)展來看，采用預(yù)制安裝式修復(fù)具有修復(fù)速度快和修復(fù)后耐久性好的諸多有點(diǎn)，但是，由于安裝方法和工藝方面可能出現(xiàn)的問題也會(huì)導(dǎo)致修復(fù)板塊難以與既有板塊形成良好的協(xié)調(diào)工作性能而難以獲得良好的修復(fù)效果。

1 局部嵌固式修復(fù)技術(shù)

基于目前修復(fù)技術(shù)體系存在的各種弊端，為保障道面邊角破損的快速修復(fù)質(zhì)量的可靠性，實(shí)現(xiàn)快速修復(fù)與使用耐久性的統(tǒng)一，中國(guó)民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)工程民航科研基地提出局部嵌固式道面板角修復(fù)技術(shù)體系，該體系主要針對(duì)道面板邊角的受力特點(diǎn)，以及修復(fù)后的使用性能要求，采用預(yù)制修復(fù)板塊實(shí)現(xiàn)修復(fù)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(fù)面部分延伸到既有道面內(nèi)部，既保證了修復(fù)板塊的可靠定位，又借助圓柱體與原道面間的嵌固效應(yīng)，從而產(chǎn)生了對(duì)水平荷載的有效抵抗能力，其修復(fù)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

2 局部嵌固式修復(fù)體力學(xué)影響參數(shù)探討

為了研究基層模量以及界面粘結(jié)程度對(duì)于修復(fù)效果的影響，在鄭州新鄭國(guó)際機(jī)場(chǎng)南跑道道肩上進(jìn)行了局部嵌固式板角修復(fù)試驗(yàn)，并對(duì)其進(jìn)行了有限元模擬。

該場(chǎng)道的地基反映模量為K=60MN/m3，道面的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。修復(fù)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(kù)倫摩擦模型來表征面層-基層之間的摩擦特性，水泥路面應(yīng)力分析中，一般取值在1.0～2.0范圍內(nèi)，對(duì)面層荷載應(yīng)力的影響較小，因此界面摩擦系數(shù)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(cè)面無法向位移約束，基層側(cè)面設(shè)置法向位移約束。

2.1 基層模量對(duì)修復(fù)體板頂拉應(yīng)力響應(yīng)分析

主要針對(duì)基層彈性模量對(duì)于修復(fù)體修復(fù)效果的影響進(jìn)行了有限元模擬，分析了基層模量從1500MPa變化到10000MPa時(shí)修復(fù)體板頂拉應(yīng)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(fù)體

2.1.2跑南2035處：0.35 x 0.6m板角修復(fù)體

由圖2和圖3可知，隨著基層模量的增加修復(fù)體板底、板頂拉應(yīng)力都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但對(duì)修復(fù)體板頂影響更大。

當(dāng)修復(fù)早期（修復(fù)體與原道面未固結(jié)時(shí)），修復(fù)體主要承受拉應(yīng)力，為滿足及時(shí)通航的需求（即拉應(yīng)力控制在5MPa內(nèi)），基層模量不應(yīng)小于6000MPa。

2.2 界面摩擦系數(shù)對(duì)修復(fù)體板頂拉應(yīng)力響應(yīng)分析

由圖4可以看出，隨著修復(fù)體與舊道面間摩擦系數(shù)的增加（即：粘結(jié)料粘結(jié)強(qiáng)度逐漸增加），修復(fù)體板頂拉應(yīng)力逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。為滿足通航需求，正方形修復(fù)體摩擦系數(shù)不宜小于0.7，矩形修復(fù)體不宜小于0.75；此外，對(duì)于正方形修復(fù)體來說，當(dāng)修復(fù)體與原道面形成一個(gè)整體時(shí)，修復(fù)體內(nèi)應(yīng)力由受拉變?yōu)槭軌海匦涡迯?fù)體仍然是受拉。

3 結(jié)論

基層模量對(duì)于局部嵌固式修復(fù)體的修復(fù)效果影響比較顯著，尤其對(duì)于修復(fù)早期修復(fù)體板頂?shù)挠绊戄^為顯著，要想將此結(jié)構(gòu)用在修復(fù)中，滿足修復(fù)早期通航的道面基層模量不應(yīng)小于6000MPa；隨著修復(fù)體與舊道面間摩擦系數(shù)（即：粘結(jié)料粘結(jié)強(qiáng)度）的增加，修復(fù)體板頂拉應(yīng)力逐漸較小并趨于穩(wěn)定，在不考慮基層模量的影響下，當(dāng)摩擦系數(shù)達(dá)到0.75時(shí)，方可通航。

參考文獻(xiàn)：

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

[2] 李娣.預(yù)制混凝土板快速修復(fù)水泥路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[D].南京：東南大學(xué)，2015（3）.

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

作者簡(jiǎn)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(fù)方向。