抗折强度5.0MPa高性能混凝土机场道面动力响应分析

2024-04-08冀勋高韩康康吴传洋

安徽建筑 2024年3期

冀勋高，韩康康，吴传洋

（1.空军第一代建项目部，安徽芜湖 241000；2.中铁二十四局集团安徽工程有限公司，安徽合肥 230011；3.中铁二十四局集团有限公司，上海 200433）

1 引言

随着社会经济的不断发展和城市化进程的加快，机场建设也逐渐成为社会发展的新趋势。其中，机场道面建设是机场建设工程的重要组成部分，机场道面在机场的正常运行过程中起着重要作用[1]。机场道面混凝土由于直接受到飞机荷载等大型荷载的重复作用以及环境因素的影响，对道面混凝土的抗折强度、承载能力、耐久性和抗滑性等性能提出了极高的要求[2-5]。其中抗折强度是机场道面混凝土的一项重要控制指标，其大小能否满足工程需要，将直接影响到路面的整体质量以及飞机起降时的安全性。同时飞机荷载不同于常规的车辆荷载，由于受到空气升力及道面不平整度的影响，表现为高度的变化性、不确定性，导致机场道面在飞机荷载作用下的力学响应更加复杂[6]。因此，对于机场道面工程，采用高性能混凝土的同时对其在荷载作用下的动力响应进行研究，获取力学行为响应规律，为机场刚性道面的科学设计及保证飞机行驶的安全性、舒适性提供参考依据[7-8]。

本文以某新建机场项目为工程背景，基于精细化有限元模拟，重点分析了高性能混凝土机场道面的动力响应，获取在飞机移动荷载作用下道面板的竖向位移及应力分布情况，为机场跑道工程的设计优化及施工指导等提供参考。

2 高性能混凝土的原材料选择及配合比设计

本机场施工使用抗折强度优良的高性能混凝土为道面材料，采用白马山海螺P.Ⅱ52.5 级硅酸盐水泥，粗集料选用粒径5～40mm 的连续级配碎石，碎石粒径规格分为5～16mm、16～31.5mm、20～40mm，三者以3:4:3 的比例进行配合，并以细度模数2.65～3.2 的中砂为细集料，拌合用水为常规自来水。此外，外加剂采用能够在一定程度上提高混凝土抗折强度的ADD-3型缓凝型高效减水剂，渗量为1.2%，该型号外加剂减水率为20%，凝结时间差为115min，氯离子含量0.24%。高性能混凝土的配合比设计是在普通混凝土配合比设计的基础上对其进行完善和优化，在满足设计与施工要求的同时，也要确保混凝土的质量以及良好的经济性。本机场道面高性能混凝土强度等级为C30，28d 抗折强度达到5.0MPa，配合比详见表1。

表1 抗折强度5.0MPa高性能混凝土配合比

3 高性能混凝土机场道面精细化有限元模拟

3.1 工程概况

本机场道面新建PD 段为400m×50m，采用31cm 厚水泥混凝土面层、36cm 厚水泥稳定级配碎石基层、30cm厚天然砂砾垫层的结构形式，结构总厚度97cm。高性能混凝土面板分块采用5m×5m 的尺寸大小，道面纵缝平行于滑行方向，中间三条纵缝为企口加拉杆型，横向施工缝采用平缝加传力杆型，PD 段两端各100m 范围内的假缝以及加筋混凝土板的假缝采用假缝加传力杆型。此外，传力杆采用HPB300 光圆钢筋，拉杆采用HRB400 螺纹。

3.2 有限元模型建立

为了探究本高性能混凝土机场道面在飞机荷载作用下的动力响应，本文采用ABAQUS 有限元软件对该机场道面施工过程进行精细化建模，并建立符合实际情况的有限元模型。模型长宽分别设置为30.04m、20.024m，深度设为10.97m。其中，土基深度10m，垫层高度30cm，基层高度36cm，高性能水泥混凝土面层高度31cm，拉杆、传力杆截面直径为18mm、32mm。结合工程实际，混凝土面板尺寸设置为5m×5m，且各板块间布置有8mm 的接缝，相邻拉杆、传力杆间距设为560mm、335mm，两端埋置深度分别为0.496m、0.246m。地基土采用Mohr-Coulomb 本构模型，其余部分材料则视为完全弹性体。模型底部完全固结，纵向、横向边界分别约束其沿飞机行驶方向、垂直于行驶方向的平动自由度。此外，考虑到地基土体具有初始应力状态，对于土基单元，通过设置地应力平衡分析步使得地基土表现为无初始位移、只存在初始应力的状态。同时，采用生死单元法模拟机场道面施工过程，在地应力平衡分析步中杀死除土基单元以外的所有单元，并依次在后续三个分析步中单独激活各个部件。同时施加体力荷载，模拟各结构在施工过程中的真实受力状态，实现垫层、基层以及水泥混凝土面板浇筑，拉杆、传力杆钢筋设置等施工过程的有限元模拟。结构整体有限元模型如图1 所示，模型材料参数具体见表2、表3。

图1 机场道面整体有限元模型

表2 有限元模型材料参数设置

表3 地基土力学参数设置

在该模型中，结构整体采用C3D8单元进行模拟，拉杆、传力杆钢筋使用桁架单元模拟。此外，由于结构模型尺寸较大，为了简化模型计算，对道面与飞机轮胎接触部位的网格划分进行加细加密。对于其余部位，由飞机轮胎荷载作用位置向模型边缘处进行过渡化网格划分，以提高划分精度，简化模型计算。

3.3 飞机移动荷载精细化模拟

在飞机荷载作用下，轮胎与机场道面的接触形状可以看成由两个半圆以及一个矩形组成，为了提高计算效率，按等面积原则对接触面进行简化。由于B-737-800 机型载客量多、重量大，具有典型代表性，因此本文以此机型为算例，简化后单轮矩形轮印长、宽分别为0431m、0.297m，胎压为1.47MPa。考虑到飞机在道面滑行过程中，由于其受到空气升力以及道面不平整度的影响，其对机场跑道的荷载作用表现为随时间变化的不确定过程。因此，依据文献[9]，综合考虑各种因素的影响，采用正弦曲线的形式对飞机荷载的变化过程进行拟合，得到飞机移动荷载幅值曲线为F=1.47 + 0.164 sin(21.7214t)，作用时间为1.67s，并通过子程序代码实现飞机荷载在机场面板上的匀速移动。

4 飞机荷载作用下道面结构动力响应分析

4.1 结构竖向位移分析

在飞机荷载作用下，结构整体竖向位移峰值出现于第4.65s 时（前4s 分别进行地应力平衡以及面层、基层、垫层单元的激活，从第4s 开始施加移动荷载），与动荷载幅值曲线的最大值时刻相吻合，结构竖向位移峰值云图如图2 所示。其中，以竖向位移峰值点处为基准，在混凝土面板表面水平横向上创建路径一，在道面整体结构竖向上创建路径二。由图2 可知，结构竖向位移峰值为7.093mm，位置处于道面与飞机内侧轮胎中心接触部位下方的土基顶面。是由于在垫层、基层的施工以及混凝土面板浇筑养护等过程中，受到体力荷载及外力的作用，其会对地基土体的竖向位移产生较大影响，导致地基土产生较大的沉降。同时，在本机场道面施工技术背景下，结构整体无竖直向上位移，是由于道面混凝土板块间的拉杆及传力杆粘结稳定，相邻两混凝土板块没有出现较大幅度的翘起变形，从而避免了发生较大相对竖向位移，影响飞机行驶的舒适性。

图2 结构整体竖向位移峰值云图（单位：m）

路径一、路径二上各位置竖向位移的变化曲线如图3 所示。由图3（a）可知，道面表层竖向位移变化关于路面横向中轴线对称，位移较大值均处于飞机荷载作用的轮胎中心附近区域。随着与荷载作用位置距离的增加，竖向位移呈现逐渐降低的趋势。同时，变化曲线左右侧表现为凸曲线，说明随着远离飞机轮胎中心位置，飞机荷载对竖向位移的影响作用也在逐渐降低。此外，竖向位移变化曲线光滑平顺，无较大幅度突变，说明板间接缝处的拉杆性能优良，使得接缝两侧的面板没有出现明显的位移差。由图3（b）可知，随着深度增大，面层、基层及垫层的竖向位移呈现阶梯式增加直至土基顶面达到峰值，随后逐渐降低，这是由于各结构层在施工及后续养护的过程中均会对其下部结构层产生影响。同时，面层、基层及垫层的位移在机场道面结构的总位移中仅占据较小的比例，飞机荷载作用下的大部分弯沉位移由土基所承担。由此表明，在机场道面的施工过程中，要严格控制地基土的压实度指标，避免由于飞机移动荷载作用引起地基的大规模不均匀沉降，进而影响道面抵抗荷载作用的力学强度和稳定性能。

峰值位移处竖向上各结构层顶面的位移时程曲线如图4 所示。从图中可以看出，排除各结构层浇筑养护过程对自身及下部结构的影响，各结构的竖向位移随飞机荷载作用时间的变化趋势近似相同，并且，其变化趋势呈现出上下起伏的波动状，这是由于竖向位移受到飞机移动正弦荷载影响而产生的。此外，直至飞机荷载脱离路面，各结构层依然存在残余变形。

图4 各结构层竖向位移时程曲线

4.2 结构垂直应力曲线分析

飞机移动荷载作用下，结构整体垂直应力峰值如图5 所示，其中，垂直应力峰值处以下各结构层的应力时程曲线如图6所示。由图5可知，垂直应力峰值为1.938MPa，表现为压应力，其位置处于飞机轮胎荷载作用处的混凝土面板顶部，并且，较大压应力主要集中在飞机轮胎作用区域的正下方，轮胎作用区域附近表现为较小的拉应力，其值小于0.27MPa。而其余部位均表现为较小的压应力，结构整体受力合理，具有较高的安全余度。

图5 结构整体垂直应力峰值云图（单位：Pa）

图6 各结构层垂直应力时程曲线

通过图6（a）可以看出，混凝土面板顶部的垂直应力在飞机移动荷载运动至峰值点处前出现了由压应力向拉应力转变的现象。这是由于在荷载作用下，传力杆向下发生弯曲，因此前侧板块内部的传力杆向上翘曲而出现拉应力。随着荷载靠近，垂直应力由拉应力迅速再次转变为压应力并随即达到压应力峰值，伴随着荷载逐渐远离以及翘曲作用的影响，压应力迅速降低并短暂转变为拉应力后趋于平缓。此外，面板底面垂直应力的时程曲线变化趋势与顶面大致相似，并且混凝土板底面的压应力峰值相较于顶面降低较大，飞机荷载经过混凝土面板的扩散作用，其垂直应力由1.938MPa 削减至0.813MPa，压应力降低了58.1%，说明本高性能混凝土承载能力强、刚度大，可以吸收来自于飞机的大部分荷载，以降低对面板以下结构层的不利影响。由图6 可知，基层与垫层在飞机荷载作用前均表现为较小的压应力，其垂直应力随时间的变化趋势与面层相近。此外，通过基层的扩散，由荷载引起的垂直应力已减小至0.085MPa，降低了95.6%。由此说明，路面结构组合可以很大程度上减小飞机荷载对地基土的影响，以避免造成地基的大面积不均匀沉降，从而影响机场道面的性能与寿命。综合图6 可以看出，各结构层间应力大小出现了较大偏差，是由于结构层间的接触设置导致层间相对位移约束不足。由此说明在机场道面施工过程中，需要加强层间粘结，同时增大层间摩擦力，以增强层间的变形协调能力。

4.3 板底拉应力分析

混凝土的抗拉强度远小于其抗压强度，因此，选取拉应力峰值荷载时刻为参考时间点，此时，道面结构拉应力峰值应力分布如图7 所示。由图可知，在飞机荷载作用下，道面结构拉应力峰值为1.214MPa，其位置处于飞机轮胎作用面板的板底，应力处于安全水平且具有足够的安全储备。

图7 板底拉应力峰值云图（单位：Pa）

峰值应力处横向路径上应力变化曲线如图8 所示，通过分析可知，拉应力峰值均出现于与飞机轮胎中心接触的混凝土板底，板底拉应力与道面横向中轴线对称。同时，随着与轮胎作用位置距离的减小，板底拉应力大致呈现为先增大后减小的趋势，两组内侧轮胎中心位置的拉应力为0.37MPa，表现为较低水平。此外，曲线上升段与下降段十分陡峭，说明由飞机荷载所引起的板底拉应力，其较大值仅出现于轮胎作用位置的附近区域，飞机轮胎作用面板的相邻板块仅出现微小的拉应力。从图中可以看出，拉应力发生了较小的突变，这是由于板间接缝处的传荷能力相对较弱产生的。