肖 陽(yáng) 郝旭祥 杜啟飛

（空軍臨潼場(chǎng)站機(jī)場(chǎng)工兵勤務(wù)隊(duì)， 陜西 西安 710000）

機(jī)場(chǎng)水泥道面接縫位移及嵌縫材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力探究

肖 陽(yáng) 郝旭祥 杜啟飛

（空軍臨潼場(chǎng)站機(jī)場(chǎng)工兵勤務(wù)隊(duì)， 陜西 西安 710000）

飛機(jī)作為一種應(yīng)用較為廣泛，機(jī)械化、精細(xì)化水平較高的交通工具，對(duì)于其配套設(shè)施的質(zhì)量要求比較高。而機(jī)場(chǎng)的水泥道面具有接縫多、施工復(fù)雜等特性，水泥道面接縫質(zhì)量對(duì)于道面質(zhì)量具有非常大的影響，不恰當(dāng)?shù)氖┕づc維護(hù)極易破壞道面的板邊與板角，有可能產(chǎn)生其他不良后果，影響機(jī)場(chǎng)道面的正常運(yùn)行，甚至?xí)绊戯w機(jī)起降時(shí)的安全性。本文就機(jī)場(chǎng)水泥道面接縫位移及嵌縫材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行探究。

機(jī)場(chǎng)；水泥道面；接縫位移；嵌縫材料；結(jié)構(gòu)應(yīng)力

0 引言

機(jī)場(chǎng)水泥道面嵌縫材料與縫槽側(cè)壁之間的粘附性失去效果、嵌縫材料被擠出及粘聚性被破壞，是水泥道面嵌縫材料的主要失效形式。我們通過(guò)有限元分析，將道面接縫縫槽的水平位移量及豎向位移量同實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)與分析。經(jīng)過(guò)研究與計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)的水泥道面接縫水平位移量約 2.2mm，基本等同于公路的水泥路面；豎向位移量約在0.25～0.61mm之間，其剪切應(yīng)變量在3.1%～7.7%的區(qū)間內(nèi)，略大于公路的水泥路面。研究表明，機(jī)場(chǎng)水泥道面的嵌縫材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要是來(lái)自于接縫位移所帶來(lái)的拉伸應(yīng)力。

1 道面接縫的水平位移

受到環(huán)境、溫度及濕度變化的影響，機(jī)場(chǎng)的水泥道面的板塊體積發(fā)生變化，接縫縫槽很有可能發(fā)生水平位移。水泥道面接縫縫槽的水平位移原因主要有三種：板塊翹曲、板塊溫度變化、板塊濕度變化。

1.1 板塊翹曲引起的接縫水平位移

在機(jī)場(chǎng)水泥道面上，由于道面本身有一定的熱容量，環(huán)境溫度的改變并不會(huì)使得道面溫度立即發(fā)生變化，這種溫度的滯后效應(yīng)會(huì)體現(xiàn)在板塊的表面與底部之間的溫度梯度上面，這就容易造成水泥板塊的板塊翹曲現(xiàn)象。隨著板塊厚度的增加，道面的溫度梯度會(huì)隨之而減小，因此，我們引入厚度修正系數(shù) ab來(lái)進(jìn)行道面溫度梯度的修正工作。引進(jìn)指數(shù)回歸公式如下：

ab=1.829e-0.02H，r2=0.999 （ab時(shí)溫度梯度的厚度修正系數(shù)；H是板塊厚度；r是回歸系數(shù)）

通過(guò)指數(shù)回歸公式，計(jì)算不同厚度的道面溫度梯度的修正系數(shù)。通過(guò)對(duì)基層彈性模量、板塊的幾何尺寸等因素進(jìn)行綜合考量，建立接縫變形的三維有限元模型，就各元素對(duì)于接縫的影響進(jìn)行系統(tǒng)性的分析。我們以上海浦東機(jī)場(chǎng)為例，假定其最大的溫度梯度為90℃/m，其彈性模量為2GPa。通過(guò)計(jì)算，可以知道上海浦東機(jī)場(chǎng)的水泥道面溫度梯度所引起的接縫水平位移量約為0.3～0.4mm之間。

表1 上海浦東機(jī)場(chǎng)水泥道面溫度翹曲引起的接縫縫槽水平位移量 （單位：mm）

1.2 板塊溫度變化引起的接縫水平位移

環(huán)境溫度變化會(huì)使得水泥板塊發(fā)生熱脹冷縮效應(yīng)，進(jìn)而引起接縫縫槽的水平位移。接縫縫槽的水平位移量與水泥板塊的溫度變化可以用以下公式表示：

式中，T為水泥板塊的年平均溫度；T0為水泥板塊在填充嵌縫材料時(shí)的實(shí)際溫度；α為水泥板塊的漲熱系數(shù)；ζ為水泥板塊與基層之間的摩阻系數(shù)；L為水泥板塊的長(zhǎng)度。在式中，同樣以上海浦東機(jī)場(chǎng)為例，我們假定α為 1.0×10-5（℃-1）；假定ζ處在[0,1]的區(qū)間之內(nèi)，并取其近似值0.5；取T=15.8℃；T0=40.2℃；L=5m。則經(jīng)過(guò)計(jì)算，板塊溫度變化引起的接縫水平位移量為0.61mm。

1.3 板塊濕度變化引起的接縫水平位移

水泥板塊的體積會(huì)受到板塊內(nèi)部水分的增減而發(fā)生變形。一般情況下，水泥板塊內(nèi)部的水分蒸發(fā)所產(chǎn)生的干縮現(xiàn)象最為常見(jiàn)。我們將板塊的濕度變化所引起的板塊接縫變形張開(kāi)量ΔL’=ε×L

在這一公式中，ε為水泥板塊的干縮系數(shù)，ε=0.5×10-4～2.5×10-4。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，受到水泥板塊濕度變化所引起的接縫水平位移量約為1.25mm。

2 道面接縫的豎向位移

飛機(jī)的荷載能力、接縫的傳荷能力及板塊底部的脫空狀態(tài)都會(huì)對(duì)水泥道面接縫造成影響，容易產(chǎn)生接縫的豎向位移。

2.1 建立有限元的分析模型

我們通過(guò)建立有限元的分析模型對(duì)道面接縫的豎向位移進(jìn)行研究，分析模型可采用5m×5m的板塊實(shí)體進(jìn)行分析，取板塊厚度為32cm、36cm、40cm。以線(xiàn)彈性材料參數(shù)（彈性模量E及泊松比μ、基礎(chǔ)反應(yīng)模量K）作為模型的材料參數(shù)。

表2 板塊實(shí)體分析模型的集合尺寸及材料參數(shù)

通過(guò)虛擬材料層法對(duì)道面接縫的傳荷能力進(jìn)行模型分析，在 2塊板塊模型之間的接縫處，模擬同板塊接縫相同的寬度、通道面板塊的長(zhǎng)度與厚度皆相同的薄層彈性體，并通過(guò)綁扎進(jìn)行聯(lián)結(jié)。分別取1.0、0.75、0.5、0.25、0.5這5個(gè)參數(shù)作為脫空減折系數(shù)。通過(guò)計(jì)算可知，當(dāng)減折系數(shù)為1.0時(shí)，板塊模型不脫空，減折系數(shù)為0.0時(shí)，板塊模型失去支撐。

2.2 飛機(jī)輪載作用下的接縫理論彎沉差

通過(guò)有限元模型計(jì)算飛機(jī)輪載作用下的接縫理論彎沉差，我們得出了以下結(jié)論：

機(jī)場(chǎng)水泥道面的接縫位置，在飛機(jī)的荷載作用之下，其豎向位移量會(huì)受到接縫位置的傳荷能力、道面板塊的厚度、荷載的大小及板塊脫空狀況的影響，通過(guò)理論計(jì)算，以回歸分析方法，計(jì)算機(jī)場(chǎng)的不同等級(jí)與道面接縫豎向位移、接縫傳荷能力、板塊脫空程度之間的關(guān)系。

2.3 道面接縫豎向位移的估量

我們?cè)诩俣ㄕ龖B(tài)分布的條件下，將接縫處的彎沉傳荷系數(shù)假定為保證率在95%的代表值其中，接縫處的彎沉傳荷系數(shù)代表值為L(zhǎng)W；接縫處的彎沉緩和系數(shù)的統(tǒng)計(jì)均值為；保證率系數(shù)為Za，設(shè)置Za=1.645；接縫處的彎沉傳荷系數(shù)統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差為S。

在彎沉傳荷系數(shù)假定為保證率 95%的時(shí)候，各類(lèi)機(jī)場(chǎng)的水泥道面的接縫豎向剪切應(yīng)變水平大概為3.1%～7.7%，而公路的水泥道面其接縫的傳荷能力在60%時(shí)，接縫豎向剪切應(yīng)變量約為 0.2%～1.0%。機(jī)場(chǎng)水泥道面的接縫豎向位移相較于公路道面的接縫豎向位移量更大，是受到了飛機(jī)的較大的荷載的影響。

3 典型水泥道面接縫的嵌縫材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力

在機(jī)場(chǎng)水泥道面接縫的縫槽寬深比及嵌縫材料的泊松比相同的情況之下，嵌縫材料剪切應(yīng)力與拉伸應(yīng)力的方向角之間的差距小于7°。在收到拉伸應(yīng)力與剪切應(yīng)力的作用時(shí)，嵌縫材料的縫槽極限狀態(tài)下，拉伸應(yīng)力與剪切應(yīng)力的線(xiàn)性疊加即為其結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

我們將理論與實(shí)踐結(jié)果相結(jié)合，計(jì)算出機(jī)場(chǎng)水泥道面的接縫水平位移量與豎向位移量，通過(guò)對(duì)典型的嵌縫材料進(jìn)行拉伸松弛試驗(yàn)的測(cè)試，可以獲得有效模量，計(jì)算嵌縫材料在水泥道面的接縫縫槽內(nèi)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，可以看出，受到接縫處的環(huán)境溫度與含水量變化所引起的嵌縫材料的拉伸應(yīng)變量要大于飛機(jī)荷載所產(chǎn)生的剪切應(yīng)變量，即機(jī)場(chǎng)的水泥道面嵌縫材料主要依靠水平位移的拉伸應(yīng)力產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)與理論知識(shí)，我們不難看出，飛機(jī)荷載作用增加了機(jī)場(chǎng)道面的接縫豎向位移量，也受到豎向位移量的影響，其嵌縫材料的剪切應(yīng)力水平也會(huì)增加。同時(shí)，道面接縫的豎向位移量與道面板塊的接縫傳荷能力息息相關(guān)，當(dāng)板塊接縫的傳荷能力衰減時(shí)，嵌縫材料的剪切應(yīng)變會(huì)增加，會(huì)加大嵌縫材料的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)場(chǎng)水泥道面的接縫會(huì)受到板塊翹曲、環(huán)境溫度與板塊含水量的影響，這種情況下接縫的水平位移量約為 2.2mm，拉伸應(yīng)變量為 25%。通過(guò)建立有限元模型的方式，計(jì)算機(jī)場(chǎng)水泥道面的接縫豎向位移量在飛機(jī)的荷載情況下，其位移量約為 0.25%～0.61%，而剪切應(yīng)變量則為 3.1%～7.7%。通過(guò)以上分析，可知道面接縫在極限狀態(tài)下，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要受到水平位移引起的拉伸應(yīng)力的影響。

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