机场水泥道面接缝位移及嵌缝材料结构应力探究

肖 阳 郝旭祥 杜启飞

（空军临潼场站机场工兵勤务队， 陕西 西安 710000）

机场水泥道面接缝位移及嵌缝材料结构应力探究

肖 阳 郝旭祥 杜启飞

（空军临潼场站机场工兵勤务队， 陕西 西安 710000）

飞机作为一种应用较为广泛，机械化、精细化水平较高的交通工具，对于其配套设施的质量要求比较高。而机场的水泥道面具有接缝多、施工复杂等特性，水泥道面接缝质量对于道面质量具有非常大的影响，不恰当的施工与维护极易破坏道面的板边与板角，有可能产生其他不良后果，影响机场道面的正常运行，甚至会影响飞机起降时的安全性。本文就机场水泥道面接缝位移及嵌缝材料结构应力进行探究。

机场；水泥道面；接缝位移；嵌缝材料；结构应力

0 引言

机场水泥道面嵌缝材料与缝槽侧壁之间的粘附性失去效果、嵌缝材料被挤出及粘聚性被破坏，是水泥道面嵌缝材料的主要失效形式。我们通过有限元分析，将道面接缝缝槽的水平位移量及竖向位移量同实际观测数据进行比对与分析。经过研究与计算，我们发现机场的水泥道面接缝水平位移量约 2.2mm，基本等同于公路的水泥路面；竖向位移量约在0.25～0.61mm之间，其剪切应变量在3.1%～7.7%的区间内，略大于公路的水泥路面。研究表明，机场水泥道面的嵌缝材料结构应力主要是来自于接缝位移所带来的拉伸应力。

1 道面接缝的水平位移

受到环境、温度及湿度变化的影响，机场的水泥道面的板块体积发生变化，接缝缝槽很有可能发生水平位移。水泥道面接缝缝槽的水平位移原因主要有三种：板块翘曲、板块温度变化、板块湿度变化。

1.1 板块翘曲引起的接缝水平位移

在机场水泥道面上，由于道面本身有一定的热容量，环境温度的改变并不会使得道面温度立即发生变化，这种温度的滞后效应会体现在板块的表面与底部之间的温度梯度上面，这就容易造成水泥板块的板块翘曲现象。随着板块厚度的增加，道面的温度梯度会随之而减小，因此，我们引入厚度修正系数 ab来进行道面温度梯度的修正工作。引进指数回归公式如下：

ab=1.829e-0.02H，r2=0.999 （ab时温度梯度的厚度修正系数；H是板块厚度；r是回归系数）

通过指数回归公式，计算不同厚度的道面温度梯度的修正系数。通过对基层弹性模量、板块的几何尺寸等因素进行综合考量，建立接缝变形的三维有限元模型，就各元素对于接缝的影响进行系统性的分析。我们以上海浦东机场为例，假定其最大的温度梯度为90℃/m，其弹性模量为2GPa。通过计算，可以知道上海浦东机场的水泥道面温度梯度所引起的接缝水平位移量约为0.3～0.4mm之间。

表1 上海浦东机场水泥道面温度翘曲引起的接缝缝槽水平位移量 （单位：mm）

1.2 板块温度变化引起的接缝水平位移

环境温度变化会使得水泥板块发生热胀冷缩效应，进而引起接缝缝槽的水平位移。接缝缝槽的水平位移量与水泥板块的温度变化可以用以下公式表示：

式中，T为水泥板块的年平均温度；T0为水泥板块在填充嵌缝材料时的实际温度；α为水泥板块的涨热系数；ζ为水泥板块与基层之间的摩阻系数；L为水泥板块的长度。在式中，同样以上海浦东机场为例，我们假定α为 1.0×10-5（℃-1）；假定ζ处在[0,1]的区间之内，并取其近似值0.5；取T=15.8℃；T0=40.2℃；L=5m。则经过计算，板块温度变化引起的接缝水平位移量为0.61mm。

1.3 板块湿度变化引起的接缝水平位移

水泥板块的体积会受到板块内部水分的增减而发生变形。一般情况下，水泥板块内部的水分蒸发所产生的干缩现象最为常见。我们将板块的湿度变化所引起的板块接缝变形张开量ΔL’=ε×L

在这一公式中，ε为水泥板块的干缩系数，ε=0.5×10-4～2.5×10-4。经过计算可知，受到水泥板块湿度变化所引起的接缝水平位移量约为1.25mm。

2 道面接缝的竖向位移

飞机的荷载能力、接缝的传荷能力及板块底部的脱空状态都会对水泥道面接缝造成影响，容易产生接缝的竖向位移。

2.1 建立有限元的分析模型

我们通过建立有限元的分析模型对道面接缝的竖向位移进行研究，分析模型可采用5m×5m的板块实体进行分析，取板块厚度为32cm、36cm、40cm。以线弹性材料参数（弹性模量E及泊松比μ、基础反应模量K）作为模型的材料参数。

表2 板块实体分析模型的集合尺寸及材料参数

通过虚拟材料层法对道面接缝的传荷能力进行模型分析，在 2块板块模型之间的接缝处，模拟同板块接缝相同的宽度、通道面板块的长度与厚度皆相同的薄层弹性体，并通过绑扎进行联结。分别取1.0、0.75、0.5、0.25、0.5这5个参数作为脱空减折系数。通过计算可知，当减折系数为1.0时，板块模型不脱空，减折系数为0.0时，板块模型失去支撑。

2.2 飞机轮载作用下的接缝理论弯沉差

通过有限元模型计算飞机轮载作用下的接缝理论弯沉差，我们得出了以下结论：

机场水泥道面的接缝位置，在飞机的荷载作用之下，其竖向位移量会受到接缝位置的传荷能力、道面板块的厚度、荷载的大小及板块脱空状况的影响，通过理论计算，以回归分析方法，计算机场的不同等级与道面接缝竖向位移、接缝传荷能力、板块脱空程度之间的关系。

2.3 道面接缝竖向位移的估量

我们在假定正态分布的条件下，将接缝处的弯沉传荷系数假定为保证率在95%的代表值其中，接缝处的弯沉传荷系数代表值为LW；接缝处的弯沉缓和系数的统计均值为；保证率系数为Za，设置Za=1.645；接缝处的弯沉传荷系数统计标准差为S。

在弯沉传荷系数假定为保证率 95%的时候，各类机场的水泥道面的接缝竖向剪切应变水平大概为3.1%～7.7%，而公路的水泥道面其接缝的传荷能力在60%时，接缝竖向剪切应变量约为 0.2%～1.0%。机场水泥道面的接缝竖向位移相较于公路道面的接缝竖向位移量更大，是受到了飞机的较大的荷载的影响。

3 典型水泥道面接缝的嵌缝材料结构应力

在机场水泥道面接缝的缝槽宽深比及嵌缝材料的泊松比相同的情况之下，嵌缝材料剪切应力与拉伸应力的方向角之间的差距小于7°。在收到拉伸应力与剪切应力的作用时，嵌缝材料的缝槽极限状态下，拉伸应力与剪切应力的线性叠加即为其结构应力。

我们将理论与实践结果相结合，计算出机场水泥道面的接缝水平位移量与竖向位移量，通过对典型的嵌缝材料进行拉伸松弛试验的测试，可以获得有效模量，计算嵌缝材料在水泥道面的接缝缝槽内的结构应力，可以看出，受到接缝处的环境温度与含水量变化所引起的嵌缝材料的拉伸应变量要大于飞机荷载所产生的剪切应变量，即机场的水泥道面嵌缝材料主要依靠水平位移的拉伸应力产生结构应力。

通过以上实验与理论知识，我们不难看出，飞机荷载作用增加了机场道面的接缝竖向位移量，也受到竖向位移量的影响，其嵌缝材料的剪切应力水平也会增加。同时，道面接缝的竖向位移量与道面板块的接缝传荷能力息息相关，当板块接缝的传荷能力衰减时，嵌缝材料的剪切应变会增加，会加大嵌缝材料的结构应力。

4 结语

机场水泥道面的接缝会受到板块翘曲、环境温度与板块含水量的影响，这种情况下接缝的水平位移量约为 2.2mm，拉伸应变量为 25%。通过建立有限元模型的方式，计算机场水泥道面的接缝竖向位移量在飞机的荷载情况下，其位移量约为 0.25%～0.61%，而剪切应变量则为 3.1%～7.7%。通过以上分析，可知道面接缝在极限状态下，其结构应力主要受到水平位移引起的拉伸应力的影响。

[1]刘焱，王建国，瞿荣辉，等.水泥混凝土路面接缝嵌缝料的应力分析[J]. 公路， 2005，50(4):95-98.

[2]陈克鸿，马尉倘，尹冉.路面接缝嵌缝料的形状参数确定[J]. 施工技术，2006，19(6):75-78.

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1007-6344（2017）10-0311-01