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装配式机场预应 力混凝土道 面承载性能的影响 因素分析 杨博瀚等 1 1 9 装配式机场预应力混凝土道面承载性能的影响因素分析 杨博瀚 ， 翁兴中 ， 付婕。 ， 刘军忠 ， 姜 乐 ， 张俊 ， 王乐凡 ， 刘照炜 ( 1 空军工程大学机场建筑工程系， 西安 7 1 0 0 3 8 ； 2 空军勤务学院航空军需系，徐州 2 2 1 0 0 0 ； 3 空军 9 5 9 4 2部队， 武汉 4 3 0 3 1 3 ； 4 中国航空港建设第十工程总队， 保定 0 7 1 0 5 1 ) 摘要 装配式预应力混凝土道面是一种特殊的混凝土路面， 在机场工程 中具有广阔的应用前景。通过建立三 维有限元模型对装配式机场预应力混凝土道面承栽性能的影响因素进行正交分析， 并分析了各因素的影响效果。研 究结果表明： 板厚的影响最大； 增加面层与基层的结合程度和提高基层的弹性模量可以有效改善道面的承载性能； 当 预应力为 2 MP a时， 道面的承载性能最佳 ； 面层弹性模量的影响程度最小。因此， 在进行装配式机场预应力混凝土道 面的设计、 施工时应注意选择合理的结构参数。 关键词 装配式机场道面预应力承载性能影响因素 中图分类号 ： U4 1 6 2 1 6 + 1 文献标识码 ： A D O I ： 1 0 1 1 8 9 6 j i s s n 1 0 0 5 0 2 3 X 2 0 1 5 2 2 0 2 7 Ana l y s i s o n t he I nf l u e n c e Fa c t o r s o f Pr e f a b r i c a t e d Ai r p o r t Pr e s t r e s s e d Co nc r e t e Pa v e m e nt Be a r i n g Ca p a c i t y YANG Bo h a n ，WENG Xi n g z h o n g ，FU J i e 。 ，LI U J u n z h o n g ，J I ANG Le ， ZHANG J u n 1 W ANG Le f a n 1 LI U Z h a o we i ( 1 De p a r t me n t o f Ai rfi e l d a n d Bu i l d i n g En g i n e e r i n g，Ai r Fo r c e En g i ne e r i n g Un i v e r s i t y，Xi a n 7 1 0 0 3 8； 2 De p a r t me n t o f Av i a t i o n M i l i t a r y S u p p l i e s ，Ai r F o r c e S e r v i c e Ac a d e my，Xu z h o u 2 2 1 0 0 0 ； 3 P LA Un i t 9 5 9 4 2，Wu h a n 4 3 0 3 1 3 ； 4 Th e Te n t h E n g i n e e r i n g Re g i me n t f o r t h e Ch i n e s e Ai r Ha r b o u r Co n s t r u c t i o n ，B a o d i n g 0 7 1 0 5 1 ) Ab s t r a c t Pr e f a b r i c a t e d p r e s t r e s s e d c o n c r e t e p a v e me n t i s a s p e c i a l k i n d o f c o n c r e t e p a v e me n t ，a n d i t i s a v e r y p r o mi s i n g t e c h n o l o g y i n a i r p o r t e n g i n e e r i n g Th e i n f l u e n c e f a c t o r s o f p r e f a b r i c a t e d a i r p o r t p r e s t r e s s e d c o n c r e t e p a v e me n t h a s b e e n o r t h o g o n a l a n a l y z e d b y b u i l d i n g t h e 3 D f i n i t e e l e me n t mo d e l a n d t h e i mp a c t e f f e c t o f e a c h f a c t o r h a s a l s o b e e n a n a l y z e d Th e r e s u l t s h a v e i n d i c a t e d t h a t ：t h e t h i c k n e s s o f c o n c r e t e s l a b i s t h e l a r g e s t i n f l u e n c e f a c t o r ；t h e i n - c r e a s e o f c o mb i n a t i o n d e g r e e b e t we e n c o n c r e t e s l a b a n d b a s e c o u r s e o r t h e i n c r e a s e o f b a s e c o u r s e e l a s t i c mo d u l u s wi l l i mp r o v e t h e b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e p a v e me n t e f f e c t i v e l y ；wh e n t h e p r e s t r e s s i s 2 M P a ，t h e p a v e me n t c a p a c i t y wi l l b e t h e b e s t ；t h e e l a s t i c mo d u l u s c o n c r e t e s l a b h a s t h e mi n i mu m i n f l u e n c e o n t h e p a v e me n t c a p a c i t y Th e r e f o r e ，mo r e a t t e n t i o n mu s t b e p a i d t O s e l e c t t h e p r o p e r s t r u c t u r e p a r a me t e r d u r i n g p r e f a b r i c a t e d a i r p o r t p r e s t r e s s e d c o n c r e t e p a v e me n t d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n Ke y wo r d s p r e f a b r i c a t e d，a i r p o r t p a v e me n t ，p r e s t r e s s ，b e a r i n g c a p a c i t y ，i n f l u e n c e f a c t o r s 0 引言 装配式机场预应力混凝土道面板 由工厂制造 ， 在基层上 拼接组成混凝土机场 道面。这种 道面 因其强 度高， 承载力 大， 施工速度快 ， 在一些发达 国家得到应用l_ 1 。从 国内外学 者 的研究成果来看 ， 预应力道面具有 以下优点 ： ( 1 ) 能够有效 降低设计厚度 ， 其为普通道面厚度的 4 O 6 O 。( 2 ) 明显 提高道面板 的耐久性 ， 其使用寿命是传统混凝土道面的5 8 倍 。( 3 ) 由于预应力混凝土道面板 的尺寸可 以较长 ， 十分有 效地减少了板间的接缝 ， 提高了行驶 的舒适度和道面的平整 度 。( 4 ) 预应力混凝土道面不仅可以有效减少建设经费 ， 其 平时的维修经费也较少 2 - s 。 但 目前对装配式机场预应力混凝 土道面 的研究 并不多 见 。赵方冉等分析 了预应力道面在机场工程 中优势应用前 景 ， 认为预应力道面在机场工程 中可 以大量节省资源 ， 是一 种值得大力推广的道 面形式_ 6 。预应力机场道面可 以明显 改善传统机场混凝土道面的不足， 不仅可 以满足机场航班 日 益增长的使用需求 ， 而且能够延长机场道面的使用寿命， 因 此有必要开展装配式机场预应力混凝土道面的研究工作。 道面结构参数 的变化对道面板的承载性能有直接的影 响， 找到起主导作用的影响因素有利于合理的设计装配式机 场预应力混凝土道面。由于机场道面板 的尺寸巨大， 不便于 进行室内试验 ， 故建立有限元模型来分析结构参数对机场预 应力道面承载性能的影响是一种较为合理而且经济的试验 *国家 自然科学基金 ( 5 1 4 7 8 4 6 2 ) 杨博瀚： 男， 1 9 8 7年生， 博士生， 研究方向为机场道面工程E - ma i l ： y a n g b o h a n p l a 1 2 6 c o m 装 配式机场预应力混凝土道面承载性能的影响 因素分析 杨博瀚等 l 2 1 载性能的影响。 计算方案采用正交设计方法进行 ， 考虑 5个因素 ， 每个 因素取 4 个水平 ， 因此选用正交表 L 。 ( 4 ) ， 其计算 因素水平 设计如表 2所示 。 3 结果与分析 3 1 正交计算结果 针对装配式机场预应力混凝土道面结构 中不同预应力、 不同板厚、 不同面层弹性模量 、 不 同基层弹性模量和不同结 合程度 ( 摩擦系数) 的组合情况， 分别建立 1 6个三维有限元 模型进行数值模拟 ， 道面板底面的最大应力 的计算 的结果如 表 3 所示。对测试的结果进行极差分析， K为相同因素下 同 一 水平最为计算条件得 出板底最大应力的平均值， 下标为相 应的水平。R为极差 ， 其值为相同因素下不同水平计算结果 平均值的最大值与最小值的差， 差值越大表 明对板底最大应 力的影响程度越大 。从表 3的结果可 以得到各因素的影 响 顺序依次为： 板厚摩擦系数=基层弹性模量预应力面 层弹性模量 。板厚对板底最大应力的影响最明显， 面层弹性 模量的影响程度最小 。按照每个因素各水平作为横坐标， 平 均板底最大应力 K为纵坐标 ， 画出了各因素变化与平均板底 最大应力的趋势如图 2 所示 ， 以便从图上直接看出平均板底 最大应力随各因素变化的大体关系。 表 3 正交设计 的计算结果 Ta b l e 3 Ca l c u l a t e d r e s u l t s o f o r t h o g o n a l d e s i g n 3 2 影响因素分析 3 2 1预应 力的影 响 从表 3的数据可知 ， 当对装配式混凝土道面板施加 的预 应力为 0 MP a 、 1 MP a 、 2 MP a 、 3 MP a时， 在机轮荷载作用下 平均板底最大应力分别为 4 7 8 MP a 、 4 6 5 MP a 、 4 0 7 MP a 、 4 6 5 MP a 。从极差分析的结果可知预应力对装 配式预应力 道面结构的承载性能有一定的影响。与施加预应力为0 MP a 时相 I： L ( 4 7 8 MP a ) ， 平均板底最大应力减 幅度 达2 7 2 1 4 8 5 。 由图 2 可知， 平均板底最大应力随预应力 的增加呈现先 减小后增大的趋势 ， 当预应力为 2 MP a 时 ， 平均板底最大应 力达到最小值 。说 明装配式机场预应力道面板 中的预应力 不是越大越好 ， 而是存在一个合理 的范 围， 当施加的预应力 的值在这个合理范围内时， 装配式预应力道面结构的承载性 能会更加优越 。装配式预应力混凝土道面一般在工厂预制， 这样可通过控制预应力钢筋的张拉应力和布置预应力钢筋 的个数来确定在道面板 中施加预应力 。但在工厂预制过程 中， 张拉预应力钢筋会产生不可避免的预应力损失 ， 一般 总 预应力损失约为张拉控制应力的 2 0 l_ 6 ， 在计算施加预应力 时必须要考虑预应力损失的影响。根据计算结果 ， 推荐装配 式机场预应力混凝土板中的预应力为 2 MP a 。 3 2 2 板 厚 的影响 从表 3 的数据可知 ， 当装配式机场预应力混凝土道面板 的厚度为 1 2 e m、 1 6 e m、 2 0 e m、 2 4 e m时， 在机轮荷载作用下 平均板底最大应力分别为 5 9 3 MP a 、 5 1 3 MP a 、 3 9 5 MP a 、 3 1 5 MP a 。极差分析结果表明预应力对装配式预应力道 面 1 2 2 材料导报 B： 研 究篇 2 0 1 5年 1 1月( 下) 第 2 9卷第 1 l 期 结构 的承载性能影 响最 大。从图 3中可知 ， 板底厚度从 1 2 c m增加到 2 4 c m， 平均板底最大应力呈现急剧下降的趋势 ， 与板厚为 1 2 c m相比( 5 9 3 MP a ) ， 平均板底最大应力减幅达 到 1 3 4 9 4 6 8 8 。说明装配式预应力 混凝土道面的厚 度是机场道面结构设计的重要因素 。对于机场而言， 预应力 混凝土道面板的厚度一般为普通道面板厚度的 6 O l_ 9 ， 这样 不仅可以最大限度地满足机场道面的使用要求 ， 节 约制造成 本， 还可以减少板体 自重， 有利于运输和拼接组装。 = 磷 辎 蓝 3 6 水平1 水平2 水平3 水平4 图 2 预应力的变化与平均板底最大应力的关系 F i g 2 Re l a t i o n s h i p b e t we e n v a r i a t i o n o f p r e s t r e s s a n d av e r a g e s l ab b ot t o m ma xi mu m s t r e s s 水平 1 水平2 水平 3 水 平4 图3 板厚的变化与平均板底最大应力的关系 Fi g 3 Re l a t i o n s h i p b e t ween v a r i a t i o n o f s l a b t h i c k n e s s a n d a v e r a g e s l a b b o t t o m ma x i mu m s t r e s s 3 2 3 摩擦 系数的影响 为了量化装配式预应力混凝 土道 面板与基层 的结合程 度 ， 通过设置不 同的摩擦系数来实现面层与基层从光滑接触 到粗糙接触 。从表 3可知 ， 当摩擦 系数分别 0 、 3 、 6 、 9时 ， 平 均板底的最大应力分别为 5 1 0 MP a 、 4 2 2 MP a 、 4 5 2 MP a 、 4 3 2 MP a 。极差分析表明摩擦系数对道面结构承载性能有 很大影响， 提高面层与基层结合程度可以有效减少由机轮荷 载作用产生的板底最大应力 。由图 4可知， 随着摩擦 系数的 增加， 平均板底最大应力呈现出上下波动 、 但总体下降的趋 势 ， 与摩擦系数为 0时相 比( 5 1 0 MP a ) ， 其减幅达 1 1 3 7 1 7 2 5 。增大摩擦系数就是提高装配式预应力混凝土道面 与基 层 的结 合 程度 ， 有 利 于提高 机场道 面结 构 的承载 性 能_ 7 j 。在铺设装配式预应力混凝土道面时， 应该采用合适的 结合材料 ， 将装配式道面板与基层牢固结合。 3 2 4 基 层 弹性模 量 的影 响 基层弹性模量是道面结构 的结构参数之一 ， 它随着基层 材料和施工工艺的不同而改变。从图 5中可以观察到， 当基 层弹性模量从 8 0 0 MP a 增加到 1 4 0 0 MP a时， 平均板底的最 大应力一直呈现出下降趋势 ， 其大小依次为 4 8 7 MP a 、 4 6 9 MP a 、 4 6 1 MP a 、 3 9 9 MP a 。从极差分析 的结果可知， 基层 弹性模量的变化对道面结构的承载性能有较大的影 响， 与基 层弹性模量为 8 0 0 MP a时相 比( 4 8 7 MP a ) ， 板 底最大应力 的减幅为 3 6 9 l 6 5 3 。因此 ， 在拼装装配式预应力混 凝土道面时应该注重选择合适 的基层类型和施工工艺 ， 保证 基层具有较高的弹性模量。 目前机场道面的基层一般 为水 泥稳定粒料基层和二灰土基层等E l 1 ， 为了提高装配式机场预 应力混凝土道面的承载性能， 建议采用弹性模量较高的水泥 稳定粒料基层 。 6 善5 菩 蟥-K 3 鬟z 0 水 平 1 水 平2 水平3 水平4 图 4 摩擦系数的变化与平均板底最大应力的关系 Fi g 4 Re l a t i o n s h i p be t we e n v a r i a t i o n o f f r i c t i o n c o e f f i c i e n t a n d a v e r a g e s l a b b o t t o m ma x i mum s t r es s 日 皇 斗 堪 尴 霜 1 水平1 水平2 水平3 水平4 图 5 基层弹性模量的变化与平均板底最大应力的关系 Fi g 5 Re l a t i o n s hi p be t ween v a r i a t i o n o f b a s e l a y e r e l a s t i c mo d u l u s an d a v e r a g e s l a b bo t t o m max i m u m s t r e s s 3 2 5 面层弹性模量的影响 根据表 3可知 ， 面层弹性模量对装配式预应力混凝土道 面的承载性能影响程度最小 。随着面层弹性模量增大， 板底 最大应力的减少幅度仅为 1 4 6 1 1 O 6 ， 说 明面层弹性 模量的变化对道面结构的承载性能影响不大 。 山 氇 世 辎 1 水平1 水平2 水平3 水平4 图6 面层弹性模量的变化与平均板底最大应力的关 系 F i g 6 Re l a t i o n s h i p be t we e n v a r i a t i o n o f t o p l a y e r e l as t i c m od u l u s an d a v e r a g e s l a b b o t t o m ma x i mum s t r e s s 从图 6 可以看到， 当面层弹性模量值从 3 5 0 0 0 MP a 增加 7 6 5 4 3 2 l 0 苫、 噼 蜷露 5 8 6 4 2 4 8 4 4 4 4 3 装配式机场预应力混凝土道 面承载性能的影响 因素分析 杨博瀚等 1 2 3 到 3 8 0 0 0 MP a 时， 平均板底最大应力呈现出先减小后增大的 趋势， 说 明面层弹性模量不是越大越好 ， 而是存在一个合理 取值范围。但在工厂预制混凝 土道面板时， 提高面层弹性模 量需要提高混凝土的强度等级， 会大幅提高装配式预应力混 凝土道面板的生产成本 。因此， 从道面结构的承载性能与生 产成本的角度考虑， 建议混凝土板的弹性模量不宜过高。 4 结论 ( 1 ) 板厚对装配式机场预应力混凝土道面的承载性能影 响最大 ， 板厚从 1 2 c m提高到 2 4 e m 时， 平均板底最大应力 降低 了 1 3 4 9 4 6 8 8 ， 表明其大大改善了道面结构的承 载性能。 ( 2 ) 提高面层与基层的摩擦 系数以及提高基层的弹性模 量都有利于装配式机场预应力混凝土道面承载性能 的改善， 建立面层与基层有效的结合 以提高摩擦系数 与提高基层 弹 性模量可使平均板底最大应力减小的最大幅度为 1 7 2 5 1 6 5 3 。但面层弹性模量对装配式机场预应力混凝土道面 的承载性能的影响最不明显 。 ( 3 ) 预应力对装配式机场预应力混凝土道面的承载性能 有一定影响 ， 当预应力为 2 MP a 时 ， 平均板底最大应力最小， 其减幅达 1 4 8 5 。因此预应力不是越大也好 ， 而是存在一 个合理的范围。 诚然 ， 采用有限元模型来分析结构参数对机场预应力道 面承载能力的影响是较为合理且经济 的。但在实际工程 中， 道面要受到外界各影响因素的作用， 材料本身性能也会对道 面承载能力造成一定的影响， 因此在后续 的研究 中课题组将 进行一系列室内模拟试验 。 参考文献 l 翁兴中， 陈卫星， 殷 民动 机场规划建设与场道维修技术 M 西安： 陕西科学技术出版社 ， 2 0 1 1 2 Me r r i t t D K，Mc Cu l l o u g h B F，Bu r n s N HCo n s t r u c t i o n a n d p r e l i mi n a r y mo n i t o r i n g o f t h e g e o r g e t o wn，t e x a s p r e c a s t p r e s t r e s s e d c o n c r e t e p a v e me n t R Al x a n d r i a ： Na t i o n a l Te c h n i c a l I n for ma t i o n S e r v i c e ， 2 0 0 2 3 Pr i d d y L P，Bl y P G，F l i n t s c h G W Re v i e w o f p r e c a s t p o r t l a n d c e me n t c o n c r e t e p a n e l t e c h n o l o g i e s f o r u s e i n e x p e d i e n t p o r t l a n d c e me n t c o n c r e t e a i r f i e l d p a v e me n t r e p a i r s c T r a n s p o r t a t i o n Re s e a r c h B o a r d Me e t i n g Wa s h i n g t o n I X； ， 2 0 1 3 4 T a y a b i i S ，Y e D， B u c h ND e s i g n c o n s i d e r a t i o n s for j o i n t e d p r e c a s t c o n c r e t e p a v e me n t s y s t e ms C T r a n s p o r t a t i o n Re s e a r c h Bo a r d Me e t i n g Wa s h i n g t o n DC， 2 0 1 2 5 Li Na S t u d y o n c r o s s - t e n s i o n e d p r e s t r e s s e d c o n c r e t e p a v e me n t D X i a n ： C h a n g a n Un i v e r s i t y ， 2 0 1 1 ( i n C h i n e s e ) 李娜斜向预应力混凝土路面研究 D 西安： 长安大学， 201 1 6 Z h a o Fa n g r a n，De n g S h u f e i ，W a n g Ni n g Th e a d v a n t a g e s a n d p r o s p e c t o f p r e s t r e s s e d p a v e me n t i n a i r p o r t e n g i n e e r i n g _ J Te c h n o l o g y E c o n o my Ar e a s C o mmu n i c a t i o n s ， 2 0 1 3 ， 1 5 ( 4 )： 2 0 ( i n Ch i n e s e ) 赵方冉， 邓书斐， 王宁预应力道面在机场工程中的优势与 应用前景 J 交通科技与经济 ， 2 0 1 3 ， 1 5 ( 4 ) ： 2 0 7 Ya n Xi a n g c h e n g，W e n g Xi n g z h o n g，Le n g Bi n g l i n，e t a 1 I n f l u e n c e o f p a v e me n t o v e r l a y p e r f o r ma n c e o n b o n d c o n d i t i o n b e t we e n a i r p o r t d o u b l e - l a y e r c e me n t c o n c r e t e p a v e me n t E J Hi g h wa y， 2 0 1 1 ( 5 ) ： 2 6 ( i n Ch i n e s e ) 颜祥程， 翁兴中， 冷冰林 ， 等 机场水泥混凝土双层道面层间 接触对加铺层性能的影响 J 公路， 2 0 1 1 ( 5 ) ： 2 6 8 G J B 1 2 7 8 A- 2 0 0 9 军用机场水泥混凝土道面设计规范E s 2 0 09 9 ACI Co mmi t t e e 3 2 5 Re c o mme n d a t i o n s for d e s i g n i n g p r e s t r e s s e d c o n c r e t e p a v e me n t E J AC I S t r u c t u r a l J ， 1 9 8 8 ， 8 5 ( 4 ) ： 4 5 1 1 O翁兴中， 崔树业 机场道面荷载特性与结构分析方法 M 西 安： 陕西科学技术出版社， 2 0 1 4 l 1翁兴中， 蔡良才 机场道面设计 M 北京： 人民交通出版社， 20 07 1 2 Z h a o W e i c h e n g ，Xu Z h i h o n g ，Hu a n g W e n I n f l u e n c e o f l o a d s t r e s s a n d d e f l e c t i o n o n i n t e r f a c i a l i n e r a c t i o n b e t we e n p e r t l a n d c o n c r e t e p a v e me n t a n d l e a n c o n c r e t e b a s e E J C h i n a J Hi g h wa y Tr a n s p o r t ， 2 0 0 3， 1 6 ( 4 )： 9 ( i n Ch i n e s e ) 赵炜诚， 许志鸿 ， 黄文混凝土面层与贫混凝土基层的层问 作用对荷载应力和弯沉的影响 J 中国公路学报， 2 0 0 3 ， 1 6 ( 4 )： 9 ( 责任编辑周媛媛)