荷载级位对接缝传荷能力影响规律的试验研究

程国勇，王 帆，张献民，张润峰

（中国民航大学机场学院，天津 300300）

为了减少由于热胀冷缩引起的断裂、拱胀以及混凝土的干缩等引起的混凝土道面板开裂，水泥混凝土道面板一般在纵、横两个方向设置许多接缝把道面板分为许多板块，常见的接缝形式有缩缝、胀缝以及施工缝。这些接缝成为水泥混凝土道面最薄弱的部分，道面的病害，如唧泥、错台等一般由接缝的损坏开始，严重影响飞机滑行的舒适性以及道面的使用寿命。为避免道面的破坏，发现道面早期安全隐患以便及早采取维护措施从而尽量延长道面使用寿命，接缝传荷能力的检测与评价是机场刚性道面日常维护的主要内容之一。

当前机场道面接缝传荷能力常用的表示方法有：以挠度（弯沉）表示的传荷系数、以应力表示的传荷系数以及以荷载表示的传荷系数等，相邻板的挠度可以通过各种无破损弯沉测定方法得到，而应力或荷载较难得到，故经常用挠度传荷系数评定接缝的传荷能力[1]。为得到接缝两侧板块边缘的挠度，常用的方法为弯沉检测，采用的仪器为落锤式弯沉仪FWD（falling weight deflectometer）。FWD的冲击荷载与时速60～80 km的车辆对路面的荷载相似，可以较好地模拟行车荷载作用，并且测速快，精度高，因此自20世纪80年代初以来，FWD在国际上得到日益广泛的应用，代表着机场道面无损检测的发展方向。关于道面接缝传荷规律的研究成果目前主要有脱空状况、脱空大小等对传荷系数的影响[2-5]、荷载大小、加载方式对于传荷系数的影响[6-8]等，得到一些有价值的结论。如文献[6]研究结果表明接缝传荷能力与荷载大小无关，只与道面结构自身有关。文献[8]则认为传荷系数测试结果与测试采用的荷载大小有关，过小的测试荷载将可能导致较大的误差。但上述成果基本上是基于数值分析得到的结论。

对于机场刚性道面，由于其承受荷载、道面厚度及刚度等远高于一般公路，一般认为机场跑道的弯沉检测及评价需采用更大的冲击荷载，目前国内机场刚性道面结构检测中冲击荷载一般取140 kN。此外当前不少仪器厂家生产出专门针对机场道面的落锤式弯沉检测设备，如重型落锤式弯沉仪HWD（heavy weight deflectometer），其显著特点是冲击荷载大，最大冲击荷载一般可达到240 kN。另外，由于接缝的实际接触状态、脱空形式等非常复杂，远非数值方法能够精确模拟的。测试荷载级位对于机场道面接缝传荷系数的影响到底有多大是一个值得深入研究的问题，因为这直接关系到道面质量评价结果的可靠性及检测成本。

正是基于上述认识，本文采用重型落锤式弯沉仪分级加载对某机场刚性道面的接缝传荷系数进行了试验研究，目的在于探讨冲击荷载级位对于接缝传荷系数测试结果的影响规律，为机场道面的检测及评价提供参考。

1 试验设备及方法

使用丹麦丹纳特8081型的重锤式弯沉仪，落锤承载盘直径为30 cm，荷载冲击的持续时间为25～30 ms。对于每个测试点使用四种不同大小的冲击荷载，分别为90 kN、150 kN、180 kN及280 kN，具体施加荷载大小以实测数据为准。

在测试道面板接缝传和能力时，加载盘中心距离板边距离为200～250 mm（加载盘边缘距板边距离为50～100 mm），2、3号传感器分别跨在受荷板和未受荷板接缝的两侧，距离接缝边缘距离为10 mm，通过2、3号传感器的位移测试结果评价相邻板块接缝的传荷能力，加载盘及传感器布置如图1所示。

由于2、3号传感器距离很近，为简单起见，按如下公式来计算相邻板块的传递荷载能力系数W

其中：W为传荷能力系数；d2为荷载作用板块传感器弯沉值；d3为荷载未作用板块传感器弯沉值。

2 试验结果及分析

本次共进行了3条测试线传荷系数的测定，分别为：跑道1条测试线、平行滑行道2条测试线。测点（接缝）总数102个，图2～图4为3条测试线在不同荷载级位下的传荷系数测试结果。

一般认为，接缝传荷系数值的变化范围在0～1之间，当无接缝时且不考虑接缝尺寸时，接缝位置两侧的竖向位移应当是连续的，即传荷系数为1，当传荷系数大于1可认为是测试数据出现异常。从跑道1条测试线及平行滑行道2条测试线的结果来看，施加的冲击荷载越小，出现测试数据异常的情况越多，各级荷载出现传荷系数大于1的测点数量如表1所示。

另外，从图2～图4可以看出，冲击荷载越小，传荷系数曲线波动的范围越大，当荷载达到一定程度时，传荷系数逐渐趋于稳定。为便于说明此现象，在每个测点，以最大测试冲击荷载（280 kN）下测试的传荷系数为基准，按式（2）计算其他级位冲击荷载下传荷系数相对测试误差，对各测线的测试结果进行汇总，如图5所示。

表1 各级荷载下传荷系数异常情况统计Tab.1 the number of abnormal load transfer coefficient under different load level

其中：δ为传荷系数相对测试误差（%）；Wi为冲击力i=90 kN、150 kN、180 kN 时的传荷系数；W280为冲击力等于280 kN时的传荷系数。

从图5可以看出，相对误差基本正、负对称（或者说出现正、负误差的几率基本相同），说明传荷系数测试误差是随机误差。从图5中可以清楚地发现另一个现象，即随着冲击荷载的增大，此随机性逐渐减小，即正负相对误差的绝对值逐渐减小，定量地说，当采用的冲击荷载为90 kN时，传荷系数测试结果相对误差最大能达到±30%左右，当冲击荷载增大到150 kN及240 kN时，相对误差分别减小到±20%及±10%左右。

分析上述试验结果，由于机场道面的厚度及刚度很大，冲击荷载产生的弯沉（挠度）值很小，而落锤式弯沉仪位移传感器的位移测试精度是固定的。采用的测试冲击荷载越小，道面产生的弯沉越小，则弯沉测试相对误差越大。因此为提高道面板接缝传荷系数测试精度，应从两方面着手，或提高位移测试精度或采用较大的荷载级位。在目前位移传感技术现状下，机场刚性道面板传荷系数测试宜尽可能采用较大的冲击荷载。

此外，考虑到目前国内机场刚性道面结构检测中冲击荷载一般采用140 kN并都采用类似的位移测试技术，因此根据本次试验结论可以合理推断，认为当前的测试技术产生的相对误差约为20%左右。

3 结语

通过以上研究，得到如下结论供相关技术人员参考：

1）机场刚性道面板传荷系数测试过程中，采用的冲击荷载越小，出现异常测试结果的的概率越大，当荷载级位达到一定程度时，传荷系数测试结果趋于稳定。

2）随着冲击荷载的增大，传荷系数测试结果的随机性逐渐减小，因此机场道面接缝传荷系数测定时应尽量采用大级位的冲击荷载。

3）根据本次试验结论及目前国内机场刚性道面结构检测中一般采用140 kN冲击荷载的现状，合理推断当前国内机场刚性道面接缝传荷系数测试结果相对误差约为20%左右。

当然，本次只是在根据一个机场道面试验得到的结论。由于各个机场具体情况各异、道面千差万别，可能得到的结论也不尽相同。

[1] 薛小刚.接缝传荷能力对场道结构受力的影响[J].机场建设，2008（3）：9-10.

[2] 田小革，姚 飞，张淑泉.脱空对水泥混凝土路面接缝传荷能力的影响[J].公路工程，2010，35（3）：24-27.

[3] 曾 胜，张显安.水泥混凝土板下脱空状况时接缝处弯沉的影响分析[J].铁道科学与工程学报，2005，2（6）：31-36.

[4]肖兴强.水泥混凝土路面板底脱空和接缝传荷能力的关系[D].成都：西南交通大学，2007.

[5] 张显安，张起森，曾 胜.水泥混凝土板下脱空状况时接缝处弯沉的影响分析[J].公路与汽运，2005（1）：43-45.

[6] 周正峰，凌建明，袁 捷.机场水泥混凝土道面接缝传荷能力分析[J].土木工程学报，2009，42（2）：112-118.

[7]张淑泉.动静荷载作用下水泥混凝土路面接缝传荷能力的研究[D].长沙：长沙理工大学，2009.

[8] 周正峰，凌建明，袁 捷，等.机场刚性道面接缝传荷能力的评价[J].同济大学学报（自然科学版），2010，38（6）：844-849.