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四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 8卷第2期 2 0 1 2年 4月 机场水泥混凝土道面隔离式加铺层板厚合理性分析 李清浩, 翁兴中, 颜祥程, 苏建康 , 贾建强 ( 空军工程大学工程学院, 陕西 西安7 1 0 0 3 8 ) 摘要: 通过实例, 对机场水泥混凝土道面隔离式加铺层厚度与疲劳应力的关系进行分析, 发现旧水泥混凝土道面 疲劳应力随着加铺层厚度增加而减小, 而加铺层疲劳应力却出现一个峰值。分析了旧道面不同计算厚度与加铺层 疲劳应力峰值出现点对应的加铺层厚度的关系, 提出当旧道面计算厚度小于 2 0 c m时, 加铺层厚度应 比综合疲劳 应力峰值对应的厚度大 1 ~ 2 c m; 当旧道面计算厚度大于2 0 e m时, 加铺层厚度应比综合疲劳应力峰值对应的厚度 小 1 — 2 c m, 为机场道面隔离式加铺设计提供参考。 关键词: 机场道面; 隔离式; 加铺层 ; 疲劳应力 中图分类号: V 3 5 1 文献标识码 : A 文章编号: 1 0 0 8—1 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 2—2 0 2— 0 4 Ra t i o n a l i t y a n a l y s i s o n t h i c k n e s s o f t h e c e me n t c o n c r e t e s e c l u s i o n t y p e p a v e me n t o v e r l a y L I Q i n g h a o , WE N G X i n g z h o n g , Y A N X i a n g c h e n g , S U J i a n k a n g , J I A J i a n q i a n g ( T h e E n g i n e e ri n g I n s t i t u t e , A i r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y , X i ’ a I l 7 1 0 0 3 8 , C h i n a ) Ab s t r a c t : The c o n n e c t i o n b e t w e e n t h e f a t i g u e s t r e s s a n d t h e t h i c k n e s s o f t h e s e c l u s i o n t y p e o v e r l a y w a s a n a l y z e d a c c o r d i n g t o a p r 0 j e c t e x a mp l e, i t c a n c o n c l u d e t h a t t h e f a t i gue s t r e s s o f t h e o l d a i r p o r t p a v e me n t wa s r e d u c e d w h i l e t h e t h i c k n e s s o f t h e s e c l u s i o n t y p e o v e d a y wa s i n c r e a s e d , b u t t h e f a t i g u e s t r e s s o f t h e o v e r l a y r e a c h e d t o a p e a k v alu e .T h e n t h e c o n n e c t i o n b e t we e n t h e p e a k f a t i gue s t r e s s a n d t h e d i f f e r e n t d e s i g n t h i c k n e s s o f t h e o l d a i rp o r t p a v e me n t wa s a n aly z e d, i t i n d i c a t e d t h a t w h e n t h e d e s i g n t h i c k n e s s of t h e o l d c o n c r e t e p a v e me n t i s l e s s t h a n 2 0 c m , the t h i c k n e s s o f t h e o v e r l a y w i ll b e 1~2 c m mo r e t h a n t h e t h i c k n e s s o f t h e p e a k f a t i g u e s t r e s s , o t h e r w i s e i t i s 1~2 c m l e s s , a n d i t c a n o ff e r a r e f e ren c e f o r t h e d e s i g n o f t h e c e me n t c o n c r e t e s e c l u s i o n t y p e p a v e me n t o v e d a y . Ke y wo r ds: a i r p o r t pa v eme n t ; s e c l us i o n t y pe; o v e da y; f a t i g u e s t r e s s 0 前言 1 加铺层疲劳应力计算 刖 百 I 刀 口 确层》 皮劳 刀计算 当机场水泥混凝土道面的使用寿命已到, 道面 发生严重损坏, 或 由于机型变化机轮荷载增大 , 原有 道面已不适应新机型的使用要求时, 就需要对道 面 进行加厚。按照加厚层与旧水泥混凝土道面之间结 合程度的不同, 加厚层可分为隔离式 、 直接式和结合 式三种结构形式。依据现行的军用机场水泥混凝土 道面设计 规范 , 当旧水泥 混凝土道 面状况 分级为 “ 可” 、 “ 差” , 且存在的结构缺陷可以修复时, 或上下 两层水泥} 昆 凝土板分块尺寸不同 、 新旧水泥混凝 土 道面的坡度不一致时, 均应采用隔离式加厚层。本 文作者根据某机场实际情况 , 对其采用隔离式加厚 层设计 , 并对加铺层厚度与应力 的变化关系进行分 析 , 提出经济合理的加铺层设计方法。 收稿 日期 : 2 0 1 0 — 1 1 — 1 6 作者简介 : 李清浩( 1 9 8 4一), 男 , 硕 士研究生 , 主要从事 机场道 面工 程研究 。 基金项 目: 军队科研基金项 目( K J Z 0 9 0 9 , 总 9 9 0 7 1 3 ) E —m a i l : 1 q h 1 9 8 4 0 5@ 1 2 6. c o n 位于公路 自然划 Ⅱ区的某军用机场 , 道面状况 分级为“ 中” , 由于使用机型变化, 欲对该道面采用 隔离式加厚层设计 , 设计飞机为某型 , 另外还有 3种 飞机 使 用, 年平 均运 行 次数 分 别为 1 6 5 0 0 , 4 0 0 0 , 9 0 0, 6 0 0次 , 设计年限为 3 5年。 1 . 1 荷载应力计算 参照文献[ 1 ] 给定的方法, 对旧道面试验数据 及参数进行分析并计算 , 得出旧水泥混凝土板计算 厚度 h =2 0 c r f l , 水泥 混凝 土弯 拉强 度 R =5 . 0 M P a , 弹性模量 E = 3 . 01 0 MP a , 基层顶面计算回 弹模量 E =3 0 0 M P a 。 初拟加厚层厚 度 h : =2 0 c m; 加 厚层水泥混凝 土设计弯拉强度为 =4 . 5 M P a , 弯拉弹性模量 E = 3 . 61 0 MP a , 上下板采用对缝设计 , 纵缝为企 口 缝 , 横缝为假缝 , 接缝传荷系数 =0 . 6 5 , 板体平面 尺寸为5 . 0 1T I X 5 . 0 1T I 。求得与隔离式双层板抗弯 刚度相等的当量单层板 ( 弹性模量为 E ) 的厚度 h = 25 . 0 8 c m 李清浩, 等: 机场水泥混凝土道面隔离式加铺层板厚合理性分析 2 0 3 当一个机场使用不 同质量 的飞机时 , 各种飞机 的运行次数不能简单地累加 , 而是要将不 同质量飞 机的年平均运行次数换算成设计飞机的年平均运行 次数, 最终求得以某型飞机为设计飞机在使用年限 内设计飞机的累计重复作用次数 N。 =1 6 0 0 9 0次 ; 设 计轮载 P = 1 0 3 . 1 4 k N 。飞机的其它计算参数见文 献[ 1 ] 。由于隔离式加厚层设计是在旧水泥混凝土 道面铺设隔离层后再铺筑加厚道面 , 在进行 隔离式 加厚层的应力分析时 , 假定上下两板之间为光滑接 触 , 上下板都可 以发挥承载作用。则作用在道面纵 缝边缘中点的最大荷载应力 。 按现行道面设计规 范 的荷载应力计算公式计算 , 得出与隔离式双层 板抗弯刚度相等的当量单层板 的最大荷载应力 。 =2 . 2 3 MP a , 隔离式双层板的控制弯矩 Mk =2 . 3 3 X 1 O N m, 最后得出旧道面板板底面最 大荷载拉应 力 。 =1 . 7 3 M P a , 加厚层板底面最大荷载拉应 力 p 2= 1 . 7 8 MPa 。 1 . 2 疲劳应力计算 1 . 2 . 1 荷载疲劳应力计算 根据现行的军用机场道面设计规范 , 在对机场 道面荷载疲劳应力计算时 , 考虑设计基准期 内荷载 应力累计疲劳应力系数对其 的影 响, 荷载疲劳应力 可按式( 1 ) 计算: = p ( 1 ) 式中 , ——考虑设计基准期 内荷载应力 累计疲劳 应力系数 , 计算式为 : k f = 0 . 8 ( 2 ) 式中 ——与混合料性质有关 的指数, = 0 . 0 2 4 ; Ⅳ ——使用年限内设计飞机 的累计重 复作用 次数 , N c =1 6 0 0 9 0次。 计算得设计基准期内荷载应力累计疲劳应力系 数 k =1 . 0 6 6 6 , 则 旧道面板 的荷载疲劳应力 叫 = k f p 】 =1 . 8 4 1 1 MP a ; 加厚层 的荷载疲 劳应力 p r 2 = k f p 2=1 . 8 93 7 MPa。 1 . 2 . 2 温度疲劳应力计算 双层板的温度疲劳应力参照《 公路水泥混凝土 路面设计规范》 计算 ] 。经过分析 , 在隔离式双层 板的上层厚度和 隔离层厚度之 和大于 1 4 0 m m 时, 传到下层板内的温度梯度较小, 相应的温度翘曲应 力也就很小。普通 混凝 土加 铺层最 小厚度 为 1 6 0 m m, 因而, 可不必计算下层板的最大温度翘曲应力 , 也可不必考虑下层板的温度疲劳应力 , 故 隔离式双 层水泥混凝土道面板只需计算上层板的温度疲劳应 力 t q r 。 普通混凝土面层与旧水泥混凝土道面组成隔离 式双层水泥混凝土面层, 计算出双层道面总抗弯刚 度 D = 4 8 . 4 2 2 8 M N m, 当量单层板的相对刚度半 径 r f = 0 . 6 2 5 0 9 m。Ⅱ区最大温度梯度取 8 8 ℃/ m。 经计算可得最大温度梯度时加厚层混凝土板的温度 翘曲应力 。 砬=2 . 3 5 5 9 M P a , 考虑温度翘 曲应力累 计疲劳作用的疲劳应力系数 k = 0 . 5 6 5 3 。 加厚层温度疲劳应力 按式( 3 ) 计算: I q r=k t q o - q ( 3 ) 式中 。 ——考虑温度翘曲应力累计疲劳作用的疲 劳应力系数; o 。 ——最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲 应力 , 则加厚层温度疲劳应力 。 I k t q t q Ⅱ 】2=1 . 3 31 8 MPa 。 1 . 3强度校核 水泥混凝土道面结构设计以设计飞机和温度综 合作用产生的疲劳断裂作为设计 的极限状态 , 即荷 载疲劳应力与温度疲劳应力之和同可靠度系数的乘 积小于水泥混凝土弯拉强度的标准值, 其表达式为: y f ( p + q r )< ( 4 ) 式中y ——可靠度系数; —— 设计飞机的疲劳应力 ; —— 温度翘曲疲劳应力 ; —— 水泥混凝土弯拉强度标准值。 三级机场的安全等级为一级, 相应于一级安全 等级的变异水平等级为低级 , 目标可靠 度为 9 5 %, 可靠度系数 =1 . 1 5 。 旧水泥混凝土道 面综合疲劳应力 : f( p r + q )=1 . 1 5( 1 . 8 9 3 7+ 0 ) = 2 .1 1 73 MPa< =5 . 0 MP a 加铺层道面综合疲劳应力 : f( p r + q )=1 _ 1 5( 1 . 8 4 1 1+1 . 3 3 1 8 ) =3 . 7 0 9 4 MPa< =4 . 5 MPa 因而, 拟定厚度为 2 0 c m的水泥混凝土面层 和 旧道面组成的隔离式道面, 可以承受设计基准期 内 荷载应力和温度应力 的综合疲劳作用。 2加铺层厚度与应力的变化关系 上述加铺层厚度虽然满足了强度要求, 但为了 确定最合理的加铺层 厚度 , 应对加铺层厚度与应力 关系进行分析。按照上述方法, 作者分别对厚度为 1 6 c m, 1 8 c m, 2 2 c m, 2 4 c m, 2 6 c m等不 同加铺层进 行计算 , 计算结果见表 1 。 表 1 不 同加铺层厚度的荷载应力和疲劳应力 Tab l e l Lo ad s t r e s s and f atig ue s t r e s s wi t h d i ffe r e nt t h i c k n e s s o f o Y e r l a y 加铺层厚度/ c m 1 6 1 8 2 O 2 2 2 4 2 6 加铺层荷载应力/ MP a 1 . 7 6 6 6 1 . 7 8 9 8 1 . 7 7 5 5 1 . 7 3 4 0 l _ 6 7 4 5 1 . 6 0 4 4 旧道面荷载应力/ MP a 2 . 1 4 6 9 1 . 9 3 3 5 1 . 7 2 6 1 1 . 5 3 2 5 1 . 3 5 6 6 1 . 1 9 9 9 加铺层疲劳应力/ MP a 3 . 6 1 9 1 3 . 6 8 2 9 3 . 7 0 9 4 3 . 6 8 1 1 3 . 5 7 9 9 3 . 5 0 5 1 旧道 面疲劳应力/ MP a 2 . 6 3 3 3 2 . 3 7 1 5 2 . 1 1 7 3 1 . 8 7 9 8 1 . 6 6 4 0 1 . 4 7 1 8 从上述结果分析表明, 采用最小加铺层厚度 1 6 c m以上的加铺层 , 新旧道面荷载应力和疲劳应力均 四川建筑科学研究 第 3 8卷 能满足强度要求, 因此, 单从荷载应力和疲劳应力强 度校核方面来考虑, 不能确定哪种加铺层厚度最为 合理, 需对其关系进一步分析。 2 . 1 加铺层厚度与荷载应力的变化关系 分析表明, 随着加铺层厚度的增大, 旧道面面层 的荷载应力不断减小 , 加铺层厚度从 1 6 c m增加到 2 6 c m, 旧道 面 荷 载 应 力 从 2 . 1 4 6 9 M P a减 小 到 1 . 1 9 9 9 MP a ; 而加铺层面层 的荷载应力随着加铺层 厚度的增大 , 则是先增大后减小 , 中间在某点出现一 个峰值 , 如图 1 所示。 图 1 荷载应力变化 曲线 F i g . 1 T h e c u r v e o f l o a d s t r e s s v a r i a ti o n 从图 1中可 以看出, 新 旧道面面层 的荷载应力 在中间某点相交, 此点对应的加铺层厚度为 h , 在相 交点 h左侧, 旧道面面层 的荷载应力大于加铺层面 层的荷载应力, 而在相交点 h 右侧, 旧道面面层的荷 载应力要小于加铺层面层的荷载应力。仅从荷载应 力方面考虑, 当加铺层厚度小于 h时, 荷载应力主要 由旧道面板承担, 不利于旧道面板的继续使用 , 加铺 层也没有充分发挥作用, 故在进行隔离式加铺层厚 度选取时, 尽量避免选择旧道面荷载应力 比加铺层 荷载应力大的一侧的厚度。 2 . 2 加铺层厚度与疲劳应力的变化关系 1 ) 随着加铺层厚度的增加 , 旧道面水泥混凝土 板的综合疲劳应力则呈线性下降趋势, 加铺层厚度 从 1 6 e m增加到 2 6 c m, 旧道面荷 载应力从 2 . 6 3 3 3 MP a减小到 1 . 4 7 1 8 MP a 。由于没考虑温度疲劳应 力的影响, 其下降率与旧道面荷载应力下降率相同, 如 图 2所示 。 图 2旧道面综合疲劳应力变化 曲线 F i g . 2 Th e c u r v e o f t h e o l d p a v e m e n t s y n the s i s f a t i gu e s t r e s s va r i a t i o n 2 ) 由图3可知, 随着加铺层厚度的增加, 加铺 层的综合疲劳应力出现一个峰值 , 当加铺层厚度从 1 6 c m增 至 2 0 e m 时, 综合疲劳应 力随之增大 , 从 3 . 4 1 9 4 MP a 上升至 3 . 7 0 9 4 MP a ; 当加铺层厚度大于 2 0 c m以后, 综合疲劳应力随之走低, 从峰值 3 . 7 0 9 4 M P a 逐渐减小, 当加铺层厚度增到2 6 c m时, 综合疲 劳应力又降至3 . 2 9 5 4 M P a , 即加铺层的应力峰值出 现在 2 0 c m厚度附近。这就说明, 上述示例中初拟 的2 0 c m厚加铺层并不是最合理的, 反而是最不利 的加铺厚度。 图 3加铺层疲 劳应 力变化 曲线 Fi g . 3 Th e c u r v e o f t h e o v e r l a y f a ti g u e s t r e s s v a r i a t i o n 加铺层综合疲劳应力随板厚增加出现应力峰值 的主要原因是: 当加铺层厚度较薄时, 板体截面的刚 度较小 , 因而, 在加铺层中产生 的应力也很小 , 应力 值主要由旧混凝土板承担。随着加铺层厚度 的增 大, 板体截面刚度亦随之增大 , 因此 , 其承担 的应力 值也不断增大。当加铺层厚度增至一定程度, 应力 值取决于其厚度时, 加铺层综合疲劳应力达到最大 值。此后, 随着板厚的进一步增大, 板体截面刚度足 够大 , 应力值就会逐渐减小。 3 ) 在加铺层厚度大于规范 中规定的最小加铺 层厚度 1 6 c m时, 加铺层综合疲劳应力始终大于旧 道面综合疲劳应力 , 且两者 的差值 随着加铺层厚度 的增大而不断增大, 如图 4所示。故在选择加铺层 厚度时, 应尽量选择上下道 面板综合疲劳应力差值 较小时所对应的加铺层厚度。 图 4 综合疲劳应 力变化 曲线 F i g . 4 Th e c u r v e o f t h e s y n t h e s i s f a t i g u e s t r e s s v a r i a t i o n 分析表明, 在选取加铺层厚度时, 应根据各种设 计参数进行详细的理论计算, 尽量避免选用出现应 力峰值或旧道面荷载应力将大于加铺层荷载应力的 加铺层厚度。值得提出的是, 对于小于应力峰值所 对应的加铺层厚度 , 虽然加铺层的应力也很小 , 但应 8 6 4 2 O 8 6 4 2 2 2 2 2; 日 d l 苣R 椒 喽器最 李清浩, 等: 机场水泥混凝土道面隔离式加铺层板厚合理性分析 2 0 5 力主要分布到旧混凝土板中 , 既不能充分发挥加铺 层 的作用 , 也不利于旧混凝 土板 的继续使用 , 因此 , 亦不能选用 。当然, 从工程的经济性考虑 , 也不是说 选用越厚的加铺层越好。 3 旧道面不 同计算厚度与峰值点及 相交点对应的加铺层厚度的关系 由于上述分析结果很难决定 , 加铺层厚度到底 是取综合疲劳应力峰值右侧所对应的加铺层厚度, 还是左侧对应的加铺层厚度。现假定其 它参数不 变, 对旧道面不同计算厚度进行隔离式加铺层设计, 发现随着旧道面的计算厚度不 同, 加铺层综合疲劳 应力峰值的出现点 以及新 旧道面荷载应力相交点也 有所不 同, 见表 2 。 表 2 旧道面不同计算厚度的加铺层应力峰值点和相交点 Ta b l e 2 Th e p e a k f a t i g u e s t r e s s a n d p o i n t o f i n t e r s e c t i o n o f d i ffe r e n t d e s i g n t hi c k n e s s o f th e o l d p a v e m e n t 1 ) 如图 5所示 , 当旧道面计算厚度小于 2 0 c m 时 , 加铺层应力峰值点随着旧道面计 算厚度 的减小 而减小 , 且应力峰值 出现点对应的加铺层厚度几 乎 等于 旧道面计 算厚度 ; 当旧道 面计 算厚度大 于 2 O c m时, 随着旧道 面计算厚度 的增大, 加铺层应力 峰 值点基本不变。 2 ) 随着旧道面计算厚度的不断增大, 新旧道面 荷载应力相交点所对应 的加铺层呈上升趋势 , 且相 交点所对应的加铺层厚度基本上等于旧道面的计算 厚度 , 即当加铺层厚度小于旧道面计算厚度时, 旧道 面荷载应力将大于加铺层荷载应力 。 3 ) 当旧道面计算厚度小于 2 0 c m时, 新旧道 面 荷载应力相交点和加铺层综合疲劳应力峰值出现点 所对应的加铺层厚度可近似认为是同一厚度。 图 5 加铺层应力峰值 出现点及相交点变化 曲线 Fi g . 5 Th e c u r v e o f the o v e r l a y f a t i g u e s t r e s s a n d th e p o i n t of i n t e r s e c t i o n v a r i a t i o n 当旧道面计算厚度小于2 0 c m时, 若选取小于 峰值点的加铺层厚度, 此时新旧道面板都比较薄, 而 旧道面应力要比加铺层应力大 , 不利于旧道 面的继 续使用, 若选取大于峰值点的加铺层厚度, 此时荷载 应力主要由加铺层承担 , 可充分发挥新旧道面板的 作用。当旧道面计算厚度大于 2 0 c m时, 若继续选 取大于峰值点的加铺层厚度, 此时的荷载应力和综 合疲劳应力均比允许应力小的多 , 且新旧道面板均 较厚 , 造成经济上的浪费; 若选取小于峰值点的加铺 层厚度 , 虽然此时旧道 面板荷载应力大于加铺层荷 载应力 , 但 旧道面板有足够的刚度来 承担这个强度 的荷载应力, 且加载到新旧道面板的荷载应力都较 小, 能充分发挥新旧道面板的作用。 综合 以上分析结果 , 在选择隔离式加铺层厚度 时, 应通过详细的计算比较, 并从军事和经济等多方 面因素考虑, 当旧道面计算厚度小于 2 0 c m时, 选取 加铺层厚度比应力峰值对应的厚度大 1 ~ 2 e m是比 较合理的, 当旧道面计算厚度大于 2 0 c m时, 选取加 铺层厚度比应力峰值对应的厚度小 1 ~ 2 c m是比较 合理 的。故上述实 例中加铺层厚度选用 2 2 c m更 语 1 ) 旧混凝土道面板的荷载应力和综合疲劳应 力随加铺层厚度的增加呈线性下降, 且旧混凝土道 面板的计算 厚度对 加铺层厚度合理选取有一定影 响。 2 ) 加铺 层综合疲劳应 力随板厚增加存在一个 应力峰值, 在加铺设计中应进行详细的比较计算, 尽 量避免选用出现应力峰值的加铺厚度, 同时尽量避 免选用旧道面荷载应力大于加铺层荷载应力的加铺 厚度。 3 ) 在隔离式加铺层厚 度选 择时, 应综合考虑 , 当旧道面计算厚度小 于 2 0 c m时 , 加铺层厚度应 比 应力峰值对应 的厚度大 1~ 2 c m; 当旧道面计算厚 度大于 2 0 c m时, 加铺层厚度应 比应力峰值对应 的 厚度小 1~ 2 c m。 参 考 文 献 : [ 1 ] 翁兴中, 蔡良才. 机场道面设计[ M] . 北京: 人民交通出版社, 2 o o 7. 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