局部嵌固式修复体力学影响参数探讨

摘 要：本文通过对郑州新郑国际机场跑道道肩上局部嵌固式修复体结构进行了有限元建模分析，分析了基层模量以及修复体与原道面间粘结程度对于修复效果的影响规律，从而为局部嵌固式修复体在混凝土边角修复上的应用具有一定的指导意义。

关键词：局部嵌固式；有限元；基层模量；粘结程度；边角修复

板块边角位于道面板的边缘处，处于侧向悬空无支撑的状态，是混凝土板强度薄弱处，也是板承载后应力较集中的部位。若邻板高差、局部沉陷、脱空而发生板边翘曲时，极易压坏，通常是养护和修补的主要内容。为保障机场运行的安全可靠，国内外都在探索混凝土道面边角高效、可靠的修复技术，以满足机场道面的快速通航、可靠性、耐久性、经济性以及环境适应性等需求。

对于快速修复方面，目前主要包括现场浇筑式和预制安装式两大类技术体系。其中对于现场浇筑式来说，主要集中在对新型快速修复材料的研究方面。Whiting.D Okammoto.P.A、Kumar等人针对快硬早强型修补料开展了研究[ 1 ]，其研究结果也表明，为改进道面板块边角的快速修复效果，应采取挖除破损层浇筑快硬材料的技术措施，但是，由于存在新浇筑的混凝土收缩性大，凝结硬化过程中很容易导致界面的开裂等问题，其修复后的耐久性仍不能满足使用要求。此外，罗翥、顾玉辉等人在预制安装式快速修复方面对预制修复板的尺寸及厚度等开展了一系列的研究[ 2 ]，其研究结果证实了该技术进行水泥混凝土路面修复是可行的，且操作简便、快速高效、修复效果好，具有良好的经济及社会效应。

根据目前针对板块边角快速修复技术的进展来看，采用预制安装式修复具有修复速度快和修复后耐久性好的诸多有点，但是，由于安装方法和工艺方面可能出现的问题也会导致修复板块难以与既有板块形成良好的协调工作性能而难以获得良好的修复效果。

1 局部嵌固式修复技术

基于目前修复技术体系存在的各种弊端，为保障道面边角破损的快速修复质量的可靠性，实现快速修复与使用耐久性的统一，中国民航大学机场工程民航科研基地提出局部嵌固式道面板角修复技术体系，该体系主要针对道面板边角的受力特点，以及修复后的使用性能要求，采用预制修复板块实现修复面的承载能力和可靠的耐久性，并利用角部的嵌固端，将修复面部分延伸到既有道面内部，既保证了修复板块的可靠定位，又借助圆柱体与原道面间的嵌固效应，从而产生了对水平荷载的有效抵抗能力，其修复结构示意图见图1。

2 局部嵌固式修复体力学影响参数探讨

为了研究基层模量以及界面粘结程度对于修复效果的影响，在郑州新郑国际机场南跑道道肩上进行了局部嵌固式板角修复试验，并对其进行了有限元模拟。

该场道的地基反映模量为K=60MN/m3，道面的主要结构参数如表1。修复板块嵌固端直径为 10cm，嵌固端深度为10cm，钢筋直径均为10mm。荷载采用B767-200，胎压为1.3MPa，轮印面积35.2cm×35.2cm。

以库伦摩擦模型来表征面层-基层之间的摩擦特性，水泥路面应力分析中，一般取值在1.0～2.0范围内，对面层荷载应力的影响较小，因此界面摩擦系数取为1.5[ 3 ]。不考虑板与板之间接缝的传荷作用，道面板四周侧面无法向位移约束，基层侧面设置法向位移约束。

2.1 基层模量对修复体板顶拉应力响应分析

主要针对基层弹性模量对于修复体修复效果的影响进行了有限元模拟，分析了基层模量从1500MPa变化到10000MPa时修复体板顶拉应力的变化情况。

2.1.1跑南3200处：0.4 x 0.4m正方形板角修复体

2.1.2跑南2035处：0.35 x 0.6m板角修复体

由圖2和图3可知，随着基层模量的增加修复体板底、板顶拉应力都呈现下降的趋势，但对修复体板顶影响更大。

当修复早期（修复体与原道面未固结时），修复体主要承受拉应力，为满足及时通航的需求（即拉应力控制在5MPa内），基层模量不应小于6000MPa。

2.2 界面摩擦系数对修复体板顶拉应力响应分析

由图4可以看出，随着修复体与旧道面间摩擦系数的增加（即：粘结料粘结强度逐渐增加），修复体板顶拉应力逐渐减小，最终趋于稳定。为满足通航需求，正方形修复体摩擦系数不宜小于0.7，矩形修复体不宜小于0.75；此外，对于正方形修复体来说，当修复体与原道面形成一个整体时，修复体内应力由受拉变为受压，矩形修复体仍然是受拉。

3 结论

基层模量对于局部嵌固式修复体的修复效果影响比较显著，尤其对于修复早期修复体板顶的影响较为显著，要想将此结构用在修复中，满足修复早期通航的道面基层模量不应小于6000MPa；随着修复体与旧道面间摩擦系数（即：粘结料粘结强度）的增加，修复体板顶拉应力逐渐较小并趋于稳定，在不考虑基层模量的影响下，当摩擦系数达到0.75时，方可通航。

参考文献：

[1] D.Whiting，M.Naqi，Strength and durability of rapid highway repair concretes， concrete International， V16，n6，Sep，2005.

[2] 李娣.预制混凝土板快速修复水泥路面结构设计研究[D].南京：东南大学，2015（3）.

[3] Power TC. Freezing Effects in concrete.Durability of Concrete.ACI SP47，1975.

作者简介：

张宝鹏（1990-），男，山东临沂人，研究生，主要研究方向：混凝土跑道边角快速修复方向。