快速裝配鋼框-預(yù)應(yīng)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(cái)經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030；2.中國(guó)民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津 300300)

0 引 言

機(jī)場(chǎng)改擴(kuò)建不停航施工過(guò)程中，通常需要快速鋪筑的道面結(jié)構(gòu)作為臨時(shí)聯(lián)絡(luò)道來(lái)滿足機(jī)場(chǎng)的正常運(yùn)行需要，該臨時(shí)聯(lián)絡(luò)道不僅具備承受飛機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和承載性能研究在機(jī)場(chǎng)工程領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。蔡良才、周少輝等[1-3]對(duì)拼裝式鋁合金道面結(jié)構(gòu)在飛機(jī)荷載下的承載能力與應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律做了充分的有限元分析與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作。岑國(guó)平等[4]通過(guò)室外鋪筑鋁蜂窩道面板實(shí)驗(yàn)得出較高的地基強(qiáng)度可有效減少?gòu)澇?，而?dāng)?shù)鼗摽瞻l(fā)生時(shí)，道面板板底出現(xiàn)過(guò)大應(yīng)力，導(dǎo)致面板易發(fā)生破壞失效。楊博瀚等[5]利用有限元模型探討了合理結(jié)構(gòu)參數(shù)的裝配式機(jī)場(chǎng)預(yù)應(yīng)力混凝土道面能夠適應(yīng)飛機(jī)荷載的要求。劉山洪等[6]對(duì)預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土復(fù)合道面板力學(xué)性能、施工工藝等進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究。上述裝配道面對(duì)鋪筑基層有較高的承載能力要求，飛機(jī)荷載反復(fù)作用下容易產(chǎn)生較大沉陷而難以保證道面結(jié)構(gòu)的平整性，工程成本較高。因此，研究適用于民航領(lǐng)域的快速裝配鋼框-預(yù)應(yīng)力混凝土道面結(jié)構(gòu)來(lái)滿足機(jī)場(chǎng)臨時(shí)道面的鋪筑需求。

1 快速裝配鋼框-預(yù)應(yīng)力混凝土組合道面設(shè)計(jì)分析

由于快速裝配道面結(jié)構(gòu)的地基缺乏足夠的時(shí)間完成硬化處理，很難為面層結(jié)構(gòu)提供較高的支撐強(qiáng)度，多為中低強(qiáng)度土基支撐，地基反應(yīng)模量在80 MN/m3以下，這使得道面板塊承受豎向荷載時(shí)容易產(chǎn)生較大變形而導(dǎo)致局部應(yīng)力過(guò)大。為此，需要裝配道面結(jié)構(gòu)不僅具有較高的剛度和承載能力，而且具有較好的荷載擴(kuò)散能力，此外，道面板單元還需具有運(yùn)輸方便和裝拆便捷的特點(diǎn)，宜選用適當(dāng)?shù)男弯摽蚣芘c預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)滿足要求，如圖1所示?？焖傺b配道面結(jié)構(gòu)可采用物理幾何特征參數(shù)相同的矩形薄板通過(guò)一定的裝拆機(jī)構(gòu)，形成快速鋪裝的效果，使得道面板能夠保持連續(xù)性與平整性，荷載作用下板間連接件機(jī)構(gòu)會(huì)使板產(chǎn)生一定的相對(duì)位移，能夠消散部分荷載應(yīng)力，板塊單元間通過(guò)鉸接件連接形成道面整體，使其形成良好的變形協(xié)同能力。從道面結(jié)構(gòu)力學(xué)特征看，以單一板單元為力學(xué)對(duì)象，該道面屬于剛性道面結(jié)構(gòu)；但當(dāng)多板塊組合結(jié)構(gòu)連接成整體后則可看作為柔性道面結(jié)構(gòu)。因此，鋼框-預(yù)應(yīng)力混凝土組合道面也可當(dāng)作“半柔性道面”結(jié)構(gòu)。目前，尚缺乏針對(duì)此類半柔性道面的研究和工程實(shí)踐，需要研究其力學(xué)性能的影響參數(shù)及力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。

2 鋼框-預(yù)應(yīng)力混凝土道面有限元模型參數(shù)及模擬條件

為探討飛機(jī)荷載作用下鋼框-預(yù)應(yīng)力混凝土組合道面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，基于“飛機(jī)輪胎荷載-道面板-地基”的復(fù)雜耦合系統(tǒng)，利用ABAQUS有限元軟件建立道面結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)計(jì)算參數(shù)給予一定的限制，研究其力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。

2.1 組合道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料參數(shù)確定

由于機(jī)場(chǎng)不停航施工周期短，地基處理較為簡(jiǎn)單，無(wú)基層結(jié)構(gòu)，建立winkler地基模型，采用中低強(qiáng)度(地基反應(yīng)模量K=70MN/m3)地基模擬工程實(shí)際狀況?？紤]到機(jī)場(chǎng)常用機(jī)型及輪載要求，道面結(jié)構(gòu)荷載可采用B737-800主起落架矩形單輪輪載進(jìn)行模擬[7]，見表1。

表1 B737-800飛機(jī)荷載參數(shù)

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(zhǎng)的連接件，該連接件為高6 cm、寬度3 cm、孔徑2cm的插銷式結(jié)構(gòu)。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(yù)應(yīng)力混凝土組合道面結(jié)構(gòu)單元板設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)及材料物理力學(xué)性能參數(shù)見表2所示[8]。

表2 鋼框-預(yù)應(yīng)力混凝土道面結(jié)構(gòu)幾何尺寸

2.2 邊界條件及預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土之間的約束，預(yù)應(yīng)力的模擬采用降溫法來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)軟件中設(shè)定的預(yù)應(yīng)力筋線膨脹系數(shù)，并對(duì)單元進(jìn)行降溫，從而達(dá)到施加預(yù)應(yīng)力的目的[10]。

3 快速裝配組合道面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響因素分析

通過(guò)改變結(jié)構(gòu)自身參數(shù)、地基反應(yīng)模量、連接件分布等參數(shù)，模擬荷載作用下組合道面板的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律、板塊聯(lián)動(dòng)效應(yīng)及變形協(xié)調(diào)效應(yīng)，得到飛機(jī)荷載作用下快速裝配道面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力傳遞特征、力學(xué)響應(yīng)規(guī)律和適應(yīng)性特點(diǎn)。

圖1 快速裝配道面板單元示意圖

3.1 飛機(jī)荷載作用下雙塊道面板及構(gòu)件應(yīng)力響應(yīng)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(guò)連接件進(jìn)行應(yīng)力擴(kuò)散，使得型鋼框架與混凝土接觸處的應(yīng)力過(guò)大，如圖2所示，導(dǎo)致混凝土板邊與型鋼框架發(fā)生脫離現(xiàn)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(tài)，但只是局部較小區(qū)域出現(xiàn)此種情況，可采取板角加鋪鋼筋網(wǎng)形式來(lái)消散此部分集中應(yīng)力現(xiàn)象。相鄰連接件間由于擠壓作用可能產(chǎn)生應(yīng)力集中，由此可能導(dǎo)致連接件接觸面上荷載應(yīng)力過(guò)大而發(fā)生屈服現(xiàn)象，如圖3所示。比如，當(dāng)荷載作用在鉸接板板邊時(shí)，連接件最大應(yīng)力可達(dá)480 MPa左右，但只是其接觸面上的局部點(diǎn)達(dá)到屈服狀態(tài)，并不影響鉸接機(jī)構(gòu)的使用，連接軸外表面最大應(yīng)力僅為174 MPa，能夠滿足連接機(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)組合道面的力學(xué)響應(yīng)影響

鋼框-預(yù)應(yīng)力混凝土組合道面板厚、連接件布局等對(duì)道面力學(xué)性能的影響顯著。板厚設(shè)計(jì)尺寸對(duì)于組合道面板底力學(xué)性能的影響規(guī)律如圖4所示。當(dāng)單元體設(shè)計(jì)板厚從8cm增加到10cm、12cm、14cm時(shí)，板底應(yīng)力從16.7MPa降低至3.9MPa，應(yīng)力減幅達(dá)76.6%；板底變形從3.49mm逐漸減小至3.11mm，變形減幅達(dá)10.8%。當(dāng)設(shè)計(jì)板厚從14cm增加到20cm時(shí)，板底應(yīng)力降低至2.0MPa，應(yīng)力減幅達(dá)48.7%；板底變形減小至3.07mm，變形減幅達(dá)1.3%。由此可見，板厚變化對(duì)于板底應(yīng)力的影響最為顯著，板底應(yīng)力更能反映結(jié)構(gòu)的安全可靠性，當(dāng)設(shè)計(jì)板厚大于12cm時(shí)，混凝土板底應(yīng)力才會(huì)低于5.0MPa，混凝土才不至于被拉裂。當(dāng)設(shè)計(jì)板厚大于14cm后，增加板厚對(duì)板底變形幾乎沒(méi)有影響，板底變形可作為優(yōu)化道面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的次要指標(biāo)。

板間連接的有效性是組合道面實(shí)現(xiàn)快速裝配的關(guān)鍵，組合道面板鉸接機(jī)構(gòu)的布置位置不同對(duì)混凝土道面板的力學(xué)響應(yīng)影響較大，數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。連接機(jī)構(gòu)焊接位置對(duì)連接件和連接軸的受力狀況影響較為顯著，當(dāng)連接件中心位于距離板底2.5cm處時(shí)，連接件最大應(yīng)力為486MPa，連接軸最大應(yīng)力為174MPa。隨著連接件焊接位置沿板厚方向上移，連接機(jī)構(gòu)所受應(yīng)力不斷增加，當(dāng)布置在板厚中部位置時(shí)，連接機(jī)構(gòu)所受應(yīng)力最大。當(dāng)連接機(jī)構(gòu)從板厚中部向上部布置時(shí)，連接軸自身應(yīng)力有所減小(減小幅度低于向板厚底部布置)；連接件自身應(yīng)力逐漸增加，連接效能變差。因此，從上述模擬結(jié)果來(lái)看，鋼框架外側(cè)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(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)

圖5 連接件位置與連接機(jī)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的關(guān)系

圖6 地基反應(yīng)模量K與板底力學(xué)響應(yīng)的關(guān)系

3.3 地基支撐條件對(duì)組合道面力學(xué)行為影響

快速裝配組合道面結(jié)構(gòu)主要用于無(wú)基層、軟弱地基或地基狀況不良等工程實(shí)況條件下。為研究不同地基支撐條件對(duì)組合道面板的力學(xué)影響，有限元模型中地基反應(yīng)模量K從5～80MN/m3(中低強(qiáng)度)間選取了11個(gè)參數(shù)值進(jìn)行模擬，道面板板底應(yīng)力、板底豎向位移力學(xué)響應(yīng)量變化規(guī)律如圖6所示。當(dāng)土基反應(yīng)模量K值由5 MN/m3增加到25 MN/m3時(shí)，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(dá)79.75%；當(dāng)土基反應(yīng)模量K值從25MN/m3增加到80 MN/m3時(shí)，道面板板底豎向位移變化較小。從板底應(yīng)力變化來(lái)看，土基反應(yīng)模量K值由5 MN/m3增加到80 MN/m3時(shí)，混凝土道面板板底應(yīng)力變化幅度較小，地基反應(yīng)模量變化對(duì)板底應(yīng)力幾乎沒(méi)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(chǎn)生較大板底應(yīng)力變化。因此，地基反應(yīng)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(shí)際工程中，應(yīng)盡可能的將土基平整且達(dá)到一定的強(qiáng)度要求，避免較大的板體沉陷產(chǎn)生。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)快速裝配鋼框-預(yù)應(yīng)力混凝土道面結(jié)構(gòu)由于型鋼框架的限制，水泥混凝土道面板與型鋼結(jié)合處的板側(cè)混凝土?xí)a(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，需要板角位置鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)進(jìn)行局部強(qiáng)化來(lái)減小或消除應(yīng)力集中。組合板塊關(guān)鍵部位的連接件與連接軸的應(yīng)力和變形情況基本滿足道面板使用的力學(xué)要求，連接件焊接位置靠近板底時(shí)，能夠有效發(fā)揮協(xié)同作用，裝配道面結(jié)構(gòu)受力最為合理。

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

(3)地基反應(yīng)模量對(duì)快速裝配道面結(jié)構(gòu)板底應(yīng)力的影響并不顯著，但對(duì)減少道面板豎向變形效果較為明顯。當(dāng)土基反應(yīng)模量K值超過(guò)25MN/m3，隨地基反應(yīng)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(jié)構(gòu)的板底變形。