機場裝配式道面性能測試與分析

摘 要：現澆水泥混凝土開放交通難、施工周期長、質量難以控制等問題以及國家綠色施工的要求，使裝配式技術越來越受到關注，裝配式基礎設施是國家大力發(fā)展的新技術。本研究依托某機場裝配式道面建設工程，系統(tǒng)開展了裝配式道面的傳荷能力、大型室內足尺試驗及抗滑能力的綜合性能測試與分析。結果表明，傳力桿的傳荷效果優(yōu)于雙陰企口+拉桿的形式，接縫疲勞性能滿足設計要求。本研究不僅為裝配式道面技術的持續(xù)優(yōu)化提供了關鍵數據支持，也為該技術在機場及類似重載交通領域的推廣應用奠定了堅實基礎。

關鍵詞：機場道面;裝配式;接縫設計;疲勞試驗;傳荷系數

引言

面對現澆水泥混凝土開放交通難、施工周期長、質量難以控制等問題以及國家綠色施工的要求，裝配式技術越來越受到關注，裝配式基礎設施是國家大力發(fā)展的新技術之一。

裝配式水泥混凝土路面（precast concrete pavement，簡稱PCP）是一種由室內施工和室外施工相結合而形成的混凝土路面結構，與傳統(tǒng)現澆水泥混凝土路面相比，裝配式水泥混凝土路面具有以下優(yōu)點：一是裝配式水泥混凝土路面板在工廠預制、在室內養(yǎng)生，因此可以成批預制，節(jié)省混凝土路面養(yǎng)生期，快速開放交通;二是裝配式混凝土路面不在現場澆筑混凝土，減小了噪聲污染和環(huán)境污染;三是裝配式水泥混凝土路面施工受環(huán)境影響很小，因此可以加速施工進程;四是應用于臨時道路的裝配式水泥混凝土路面板在使用完成后可以進行拆卸并運輸至另一應用場地再行裝配，重復利用預制板塊可以提高裝配式水泥混凝土路面的經濟效益。

我國機場道面主要采用水泥混凝土修建。機場道面是民航的重要基礎建設之一，但在飛機的大荷載、大沖擊作用和環(huán)境因素的影響下，道面不可避免地會出現損壞，在修補過程中，采用傳統(tǒng)的現澆混凝土修復，一般需要14天～28天才可正常開放交通[1]，嚴重影響正常使用。即使采用快凝早強水泥，也至少需8 h ～10 h進行施工，且價格昂貴。為滿足機場的不停航施工，除了快速修補，還需滿足某些特殊情況下的快速修建，裝配式水泥混凝土道面是很好的選擇。大連周水子國際機場停機坪大修工程采用裝配式道面技術進行修補[2]，整個修復過程用時8 h，滿足機場的運行要求。

本研究依托某機場裝配式道面建設工程，開展現場裝配式道面?zhèn)骱赡芰υ囼?，大型室內足尺試驗和現場道面抗滑能力測試。測試和分析結果對裝配式道面技術的持續(xù)優(yōu)化和推廣應用起到關鍵的推動作用。

一、依托工程介紹

測試依托項目為某機場道路試驗路段，試驗路段采用裝配式混凝土道面板拼接而成，橫縫和縱縫處分別采用傳力桿和拉桿的方式傳遞荷載和位移。四條試驗路段均為全長100m、寬50m，每塊板的尺寸為5m×2.5m×20cm，共400塊板?；炷涟逵蒀60和C80混凝土澆筑而成（如圖1所示）。

二、機場道面接縫傳荷能力測試

（一）測試方案

本次試驗共測試144塊板，其中橫縫測試128塊板，縱縫測試16塊板，以及測試了四塊板角。共測試橫縫134條，縱縫30條，板角4處。縱縫處連接為雙陰企口+拉桿，橫縫處為傳力桿。傳力桿和拉桿形式。

本次現場實驗采用重型落錘式彎沉儀（HWD）進行彎沉試驗，根據《民用機場道面現場測試規(guī)程》規(guī)定，測試荷載選擇最高飛行區(qū)對應的荷載為 120KN，本次試驗選用130KN荷載（如圖2、3所示）。

（二）水泥混凝土道面接縫的彎沉比傳遞系數LTEδ

根據《民用機場道面評價管理技術規(guī)范》規(guī)定，水泥混凝土道面接縫的彎沉比傳遞系數LTEδ應根據HWD板邊中點跨縫測量的結果，按式1計算：

（1）

式中：LTEδ ——彎沉比傳遞系數（%）;

Dunload ——未受荷板距離接縫150mm位置處傳感器的實測彎沉（μm）;

Dload ——受荷板距離接縫150mm位置處傳感器的實測彎沉（μm）。

根據《民用機場道面評價管理技術規(guī)范》規(guī)定，水泥混凝土道面接縫傳荷能力評價應以彎沉比傳遞系數LTEδ作為指標評價標準按表1執(zhí)行。

表1 水泥混凝土道面接縫傳荷能力等級評定標準

變異系數主要用于比較不同組別數據的離散程度。通常，變異系數越小，說明數據的變異程度越小;反之，變異系數越大，說明數據的變異程度越大。根據《公路路基路面現場測試規(guī)程》規(guī)定，測試結果的平均值、標準差、變異系數按式2、式3、式4計算。

（2）

（3）

（4）

式中：Xi──第 i 個測點的實測值;

N──一個測試路段內的測點數;

X──一個測試路段內實測值的平均值;

S──一個測試路段內實測值的標準差;

Cv──一個測試路段內實測值的變異系數（%）。

本次試驗道面進行的彎沉試驗，經過分析試驗數據，橫縫傳荷能力評價為中和次，縱縫傳荷能力為好和中，板角傳荷能力為中、次和差，結果表明傳力桿的傳荷效果優(yōu)于雙陰企口+拉桿的形式。受依托工程特點所限，直接測試數據不能對外公布。

三、連接件疲勞性能測試

（一）實驗設計

本次試驗采用大型室內力學試驗機開展足尺板塊的疲勞性能實驗，取單輪荷載作用于連接件正上方以保證連接件疲勞試驗效果，將輪載接觸位置簡化為矩形（如圖4所示）。

由于試驗場地高度局限性，無法在實驗室內建立完全相同的無限延伸的地基條件，因此在疲勞試驗時，將面層以下結構簡化為20cm厚等效基層以能夠在滿足實驗室條件的基礎上盡可能真實地反映實際使用過程中連接件的疲勞性能，并選擇等效基層模量和材料。經過綜合考慮和對不同等效基層模量的比較，最終選擇15MPa作為等效基層模量，選取EPS泡沫板作為基層材料。

四種工況均采用疲勞試驗機進行正弦波常幅循環(huán)加載，結合實際飛機起降次數與試驗條件選取以10萬次疲勞加載作為每種工況的疲勞加載次數，并以承受10萬次疲勞加載次數為設計前提判斷四種工況下連接件的可使用年限（如表2所示）。

按照測試要求在傳力桿和拉桿處粘貼應變片，并在靠近加載位置和橫縫的加載側和未加載側各布設一個位移計，縱縫也是如此。

（二）測試結果分析

1.雙陰企口連接件（工況一和工況二）

剛性基層較柔性基層對混凝土道面板具有更好的支撐作用，連接件在剛性基層工況下的疲勞性能較柔性基層下的疲勞性能好。

10萬次循環(huán)荷載之后，拉桿連接件在剛性基層和柔性基層兩種工況下均未產生明顯斷裂且焊接部位未觀察到裂縫，說明拉桿連接件能夠承受10萬次循環(huán)荷載，即當30年設計年限內飛機總起降次數在10萬次以內時，拉桿連接件在使用過程中可以保持相對穩(wěn)定狀態(tài)。

由拉桿破壞性試驗可知，10萬次疲勞加載后拉桿連接件在400KN-500KN間產生斷裂，拉桿連接件與混凝土交界部位相較于焊接部位更容易發(fā)生斷裂。

2.鋼筋焊接連接件（工況三和工況四）

剛性基層較柔性基層對混凝土道面板具有更好的支撐作用，傳力桿連接件在剛性基層工況下的疲勞性能較柔性基層下的疲勞性能好。

柔性基層橫縫疲勞加載試驗過程中，道面板底部采用了等效基層，在室內試驗場地中，試驗模型僅采用了兩塊相鄰道面板，其四周缺乏其余板塊約束，使得結構受力和道面板豎向位移較實際應用中大，在此不利條件下，柔性基層依舊能夠承受6000次循環(huán)加載。

傳力桿連接件斷裂方式為在加載側傳力桿與混凝土交界部位產生自身斷裂，而焊縫處未觀察到裂紋，說明傳力桿連接件與混凝土交界部位相較于焊接部位更容易發(fā)生斷裂。

四、機場道面抗滑測試

依據表面不同的刻槽類型、橫縱向刻槽方向下對比將試驗路分為四種（圖5），采用單輪式橫向力系數測試車進行現場檢測。

對四條試驗路分別沿橫向和縱向進行了檢測，縱向檢測時，刻槽方向垂直于行車方向，橫向檢測時，刻槽方向與行車方向相同。對縱向測試，每組路線重復測試了6次，對橫向測試，每組路線重復測試了2次。

對測點結果進行速度和溫度修正，得到四條試驗路段的橫向力系數SFC平均值如圖6所示。

經過分析得出：當刻槽垂直于行車方向時前三條試驗路段道面抗滑性能接近，而第四條試驗路段的抗滑性能較其余三條試驗路段差;當沿刻槽沿行車方向時前三條試驗路段道面抗滑性能接近，而第四條試驗路段的抗滑性能較其余三條試驗路段好。對于同一道面板，沿著行車方向刻槽比垂直于行車方向刻槽，道面的抗滑性能更好。

結論

研究依托某機場裝配式道面建設工程、道面?zhèn)骱四芰?、大型室內足尺實驗和道面抗滑能力測試，主要結論如下：

依托工程項目道面橫縫傳荷能力評價為中和次，縱縫傳荷能力為好和中，結果表明傳力桿的傳荷效果優(yōu)于雙陰企口+拉桿的形式。

足尺實驗結果顯示10萬次循環(huán)荷載之后，雙陰企口連接件在剛性基層和柔性基層兩種工況下均未產生明顯斷裂且焊接部位未觀察到裂縫，說明該種連接方式具有較好的疲勞性能。

采用橫向布置時，研究對比的4種刻槽方式抗滑性能接近，但采用沿行車方向布置時，4號刻槽的方式的橫向力系數展現出明顯優(yōu)勢，表明沿著行車方向刻槽比垂直于行車方向刻槽，道面的抗滑性能更好。

參考文獻：

[1]董麗華.裝配式路面修復技術在混凝土路面快速養(yǎng)護中的應用[J].山西交通科技，2018（02）：21-23.

[2]于冰，蔡磊.機場水泥混凝土道面裝配式修復技術及應用[J].科技與創(chuàng)新，2024（09）：181-184.