机场水泥混凝土道面弯沉的影响因素分析

张玉芳 ，袁 捷 ，谭 悦

（1.上海华东民航机场建设监理有限公司，上海 200335；2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 200092；3.虹桥国际机场公司，上海 200335）

0 引言

弯沉是公路路面[1]和机场道面[2]结构设计时的重要指标。公路水泥混凝土路面在结构设计时，以极限弯拉应力作为控制指标，以弯沉作为验算指标[1]。而机场水泥混凝土道面结构设计时，仅以极限弯拉应力作为控制指标，未考虑弯沉指标[2]。对于机场水泥混凝土道面，在道面结构设计时未合理考虑弯沉指标是否合适有待考证。

竖向变形过大也是路面和道面损坏的主要形式之一[3]。影响道面弯沉大小的因素有很多，本文拟通过有限元软件进行数值模拟，分析机场水泥混凝土道面不同影响因素对弯沉的影响程度，可以为道面结构设计时合理考虑后期损坏，改善道面竖向变形提供借鉴和参考。

1 有限元模型介绍

采用ABAQUS有限元软件，建立5.0 m×5.0 m的道面板块模型。采用单块板模型，四边自由无约束。基层支撑采用K地基模型，通过设置弹簧刚度，以调整地基强度。荷载采用B747-400机型主起落架荷载参数，荷载作用于板中位置如表1所列。

分析三种弯沉影响因素，分别为道面厚度、面层材料模量、基层顶面反应模量。

（1）道面厚度：考虑 30 cm、32 cm、34 cm、36 cm、38 cm、40 cm、42 cm七种情况。

（2）材料模量：考虑 30 GPa、35 GPa、40 GPa和45 GPa四种情况。

（3）基层顶面反应模量：考虑40MN/m3、80MN/m3和150 MN/m3三种情况。

表1 荷载参数信息表

2 影响因素分析

2.1 道面厚度对弯沉的影响

选取B747-400为计算荷载，面层水泥混凝土材料模量为36GPa。道面厚度分析30 cm、32 cm、34 cm、36 cm、38 cm、40 cm、42 cm七种情况，分析基层顶面反应模量为40 MN/m3、80 MN/m3和150 MN/m3三种情况，共分析工况21种。各种工况条件下的弯沉计算结果如表2所列。

表2 弯沉与道面厚度关系一览表（单位:mm）

从表2可以看出，面层厚度越大，弯沉越小。以每增加2 cm为一等级，计算每增加3 cm弯沉的减小率，如表3所列。

表3 弯沉与道面厚度增长率一览表

从表3可以看出，道面厚度每增加2 cm，弯沉会降低2%～5%。且道面厚度越大，下降百分比越小。

将分析结果进行统计分析，以图形显示，如图1所示。从图1可以看出，弯沉与道面厚度基本呈线性比例关系。

2.2 面层材料模量对弯沉的影响

选取B747-400为计算荷载，面层厚度为40 cm。基层顶面反应模量考虑40 MN/m3、80 MN/m3和150 MN/m3三种情况，面层水泥混凝土材料弹性模量考虑 30 GPa、35 GPa、40 GPa和 45 GPa四种情况，共分析工况12种。各种工况条件下的弯沉计算结果如表4所列。

表4 弯沉与材料模量关系一览表（单位:mm）

从表4可以看出，面层材料模量越大，弯沉越小。以每增加5 GPa为一等级，计算每增加5 GPa弯沉的减小率，如表5所列。

从表5可以看出，弯沉随着面层材料弹性模量的增加而逐渐减小。面层材料模量每增加5 GPa，弯沉会降低1%～4%。且面层材料模量越大，下降百分比越小。

将分析结果进行统计分析，以图形显示，如图2所示。从图2可以看出，弯沉与面层材料模量基本呈线性比例关系。

图2 弯沉与材料模量的关系曲线图

2.3 基层顶面反应模量对弯沉的影响

选取B747-400为计算荷载，面层水泥混凝土材料模量为36 GPa。道面厚度分析30 cm、32 cm、34 cm、36 cm、38 cm、40 cm、42 cm七种情况，分析基层顶面反应模量为40MN/m3、80MN/m3和150 MN/m3三种情况，共分析工况21种。各种工况条件下的弯沉计算结果如表6所列。

表6 弯沉与基层模量关系一览表（单位:mm）

将分析结果进行统计分析，以图形显示，如图3所示。

从图3可以看出，弯沉与基层顶面反应模量之间不呈线性比例关系。为了得到两者之间更精确的比例关系，将基层顶面反应模量等级进行细化，计算区间为40～200 MN/m3，每20 MN/m3为一等级。选取道面面层厚度40 cm这一工况。计算结果如图4所示。

图4 弯沉与基层模量关系曲线图

从图4可以看出，道面弯沉与基层顶面反应模量之间呈幂函数的关系。在基层顶面反应模量值较低时，弯沉随模量的增加而显著下降。在基层顶面反应模量超过100 MN/m3时，下降趋势明显减缓。因此，建议机场新建道面的基层顶面反应模量设计值不应小于100 MN/m3。

通过对影响弯沉的三个主要因素分析可以看出：面层厚度和面层材料弯拉模量对道面弯沉的影响有限，而基层顶面反应模量对弯沉影响非常显著。从减小弯沉的效果来看，应首选提高基层顶面反应模量。而且从工程造价角度来看，提高基层顶面反应模量比提高面层厚度的造价要低。因此，在道面结构设计时，为减小道面弯沉，缓解道面因挠度过大而产生的病害，应优先选择提高基层顶面反应模量。

3 结论

通过前文分析，可以得到以下结论：

（1）道面弯沉与面层厚度基本成线性比例关系。面层厚度每增加2 cm，道面弯沉下降2%～5%。

（2）道面弯沉与面层材料弯拉模量成线性比例关系。面层材料模量弯拉每增加5 GPa，道面弯沉下降1%～4%。

（3）道面弯沉与基层顶面反应模量之间呈幂函数的关系。在基层顶面反应模量值较低时，弯沉随模量的增加而显著下降。在基层顶面反应模量超过100MN/m3时，下降趋势明显减缓。建议机场新建道面的基层顶面反应模量设计值不应小于100MN/m3。

（4）道面结构设计中，为减小道面挠度过大而产生的病害，应优先选择提高基层顶面反应模量的方法。

[1]JTG D40－2002，公路水泥混凝土路面设计规范[S].

[2]MH/T5004-2009，民用机场水泥混凝土道面设计规范[S].

[3]MH/T5024-2009，民用机场道面评价管理技术规范[S].