预应力道面在机场工程中的优势与应用前景

赵方冉，邓书斐，王 宁

（中国民航大学 机场学院，天津 300300）

1 预应力道面的技术特点分析

1.1 预应力混凝土道面

1）道面板厚度只需传统混凝土道面板厚的40%～60%，提供高的承载力和较高的抗变形能力，对减薄机场道面的厚度非常有利。

2）预应力混凝土道面由于板较长，接缝数量可大大减少，改善起降的平稳性。

3）预应力的存在使道面板体性较强，边角软弱部分得以改善，大大减少横向开裂的可能性，提高道面的耐久性。

4）预应力混凝土道面的用筋量少于除贫混凝土外其他道面。据国外研究指出，用于正常预应力设计所需的钢筋量约为2.712 5kg／m2，这远少于连续配筋道面（在一些情况下可达1／5的用量）。

5）从国外已建道面的使用状况来看，预应力混凝土道面几乎30年不需大修，养护需求也较少。对于较长使用年限的主要问题来自胎纹的磨耗，但预应力混凝土道面要比传统混凝土路面初期投资高，但养护面的磨耗要小。就其费用与传统混凝土道面的费用几乎为0，并且减少养护延误的时间。

1.2 主要缺点

1）从经济观点看，虽减薄道面板的厚度，但需大量的预应力筋和锚具，施工工艺较复杂，手工操作的工作量大，难以实现机械化、自动化施工。初期投资较大。

2）虽然预应力混凝土道面板可以做得较长，但随长度的增加，由路基约束所引起的张拉应力也随之增大。另外，板的位移量也会增大，这对横向接缝的设计要求很严，同时对路基摩擦约束尽可能小。

3）对施工队伍人员素质要求较高，并需进行严格的质量控制。

2 预应力混凝土道面的结构特点分析

1）预应力道面应力种类。在混凝土道面板中施加预应力，由于预应力和混凝土的不均匀收缩的共同作用在预应力混凝土道面底部产生压应力集中，从而大大提高道面板结构的承载能力。可以有效避免断板现象的产生，保证飞机起降的安全性和舒适性。

一般认为，道面中所施加的预应力大小主要有3个因素决定：机轮荷载、温度和湿度引起的翘曲约束、板收缩期间的板底摩擦约束。对预应力混凝土道面而言，道面板厚度和板内预应力应满足

fLr＋fΔT＋fF≤fcm＋fp.

式中：fLr为设计机型机轮对道面的荷载应力，fΔT为温度疲劳应力，fF为路基摩阻应力，fp为有效预应力引起的混凝土中的平均压应力全系数，fcm为混凝土的容许弯曲应力。

2）温度疲劳应力分析。预应力道面在设计中考虑温度荷载引起的疲劳应力，混凝土道面板的疲劳断裂是水泥混凝土道面损坏的主要模式，预应力混凝土道面板由于施加预应力，在使用阶段可以有效减小温度应力带来的影响，这样引起疲劳破坏的可能性小，提高道面板结构的耐疲劳性能。实验证明预应力混凝土机场道面比传统水泥混凝土道面具有更长的使用寿命。

预应力道面板中的温度疲劳应力通常由季节温度变化引起，假设温度梯度线性变化，温度应力计算

式中：Ec，αc，μc分别为混凝土的弹性模量、温度膨胀系数和泊松比。

3）预应力道面板长度通常为90～210 m，当道面板承受荷载应力或温度变化时，道面板有伸长和缩短的变化或变化趋势，引起基础对板底的摩擦力，即地基摩阻应力，它的影响不容忽视。

路基摩阻引起的应力计算路基摩阻引起的应力计算

fF＝μρχ.

式中：μ为面板与基层间的摩阻系数，ρ为混凝土的密度，χ为距千斤顶的距离。当X＝L／2（L为板长），路基摩阻应力达到最大，计算时取板面长度的一半。

3 预应力道面的技术经济分析

3.1 某机场跑道工程中采用预应力道面的技术经济性模拟分析

某机场位于Ⅱ自然区划，拟建设第二跑道，该工程飞行区等级为4F，基顶回弹模量120 MN／m3，现有设计采用普通水泥混凝土道面，道面长3 600m、宽60m、厚度45cm，可以起降A380等所有大型客机，纵向施工缝采用企口缝，跑道中间的5条纵向施工缝在板厚中央设置拉杆，横向缩缝、胀缝和横向施工缝均设置传力杆，设计机型为波音B737－800，年通过作用次数为10 000次，设计使用寿命为30年，在同一条件下，普通水泥混凝土道面和预应力道面采用结构进行对比分析，见表1。

表1 两种路面结构方案

3.2 预应力道面和普通混凝土道面全寿命费用对比分析

本课题研究机场道面费用计算从道面初期建设开始到分析期末，可能包含的费用有初始修建费、日常维护费用、改建费等费用，而场道部门管理费用、运营费和用户费用（燃油消耗费、轮胎消耗费），由于不确定因素太多，本次研究中不予考虑，初始修建费、日常维护费用和改建费按照建设部颁布的定额和当地材料价格估算。

1）初期建设费用。材料单价按工程动工时工程所在地工程造价信息站公布的“第二季度建设工程主要材料信息价”确定，主要材料单价为425级水泥500 元／t、325级水泥397元／t、石油沥青5350元／t、改性沥青6 600 元／t、钢筋4 430 元／t，预应力钢绞线6 800元／t、砂88元／t、碎石85元／t。其他计价要素按照同望造价软件中2008公路工程预算定额计价决定，初期建设费见表2。

表2 某机场预应力砼道面和普通砼道面初期建设费比较 元

2）日常维护费用。普通水泥混凝土机场道面的日常维护费用通常包括每年接缝养护工作和每5年一次接缝的清洁和填料费用，普通道面的接缝横纵向接缝长度为82 800m，预应力混凝土道面的接缝长度为4 170 m。根据普通机场接缝的维护经验，接缝年损坏率约10%，填缝材料一般为聚氨酯胶泥，使用寿命一般为5年，使用期过后需要彻底清洁接缝并且填料。维修费用根据《民航机场道面工程预算定额》确定。预应力混凝土道面的板块很长，接缝很少，所以养护费用较低。只有普通道面的费用的二分之一。普通道面接缝养护期为20年，20年后加铺沥青罩面，预应力道面接缝养护期为30年。具体费用见表3。

表3 某机场预应力砼道面和普通砼道面维护费比较 元

3）改建费用。普通机场跑道的设计寿命一般为30年，现阶段民航运输处于高速发展的阶段，每年的旅客发送人次和货物吞吐量都在稳定增长，年飞机起降次数逐年递增，超过设计值。长期的机轮疲劳荷载会降低道面的使用寿命，所以，通常在使用20年后加铺沥青罩面，罩面的设计使用寿命一般为10年沥青罩面的结构和造价见表4。整个机场道面面积360m2×60m2，通过计算可以得出沥青罩面造价为45 398 880元。而预应力混凝土道面由于预先施加了预应力，抵消了一部分机轮荷载对道面的压力，机轮荷载产生的道面弯沉在预应力的作用下能够迅速恢复，有效地改善了道面抵抗疲劳荷载的能力，预应力道面的使用寿命远远大于普通道面结构。只用在30年的设计使用寿命结束后加铺沥青道面。费用见表5。

表4 沥青罩面的结构及造价 元／m2

表5 某机场预应力砼道面和普通砼道面改建费比较 元

4）寿命周期费用汇总分析。采用现值表现的周期费用分析法对预应力混凝土道面和普通水泥混凝土道面进行经济性分析，分析周期为30年。费用计算结果见表6。表中数据显示，预应力混凝土道面面具有较好的经济性。

表6 某机场预应力砼道面和普通砼道面寿命周期费比较 元

5）效益分析。①从初始修建费来看，某机场采用的新型预应力道面结构高于普通混凝土道面，其初始修建费是普通混凝土道面结构的1.05倍；从整个寿命期内的费用（初始修建费＋养护费＋改建费）来看，普通混凝土道面的使用费用远高于预应力混凝土道面使用费用，贴现率越小，预应力混凝土道面的经济性优势越明显，4%贴现率下预应力道面全寿命周期费用为普通混凝土道面的72.43%，6%贴现率下为78.65%，8%贴现率下为84.78%。②从养护维修费用看，由于预应力混凝土道面板块较长，接缝少于普通混凝土道面结构，养护维修费用远远低于普通混凝土面结构费用。养护维修费用，其养护维修费是普通混凝土面结构养护维修费的约1／2。③从持续使用能力上看，预应力道面明显优于普通混凝土道面，普通道面容易发生断板、剥落、起拱、错台等病害；而预应力道面由于板块长、接缝少，在使用中很少发生上述病害，有效地缩短道面的维护时间，提高机场道面的使用效率。

4 预应力混凝土道面应用中的间接效益分析

采用预应力混凝土道面结构，可以延长机场道面的使用寿命，减少路面养护强度，很少或基本不需要进行结构性的大修，从而带来巨大的社会效益。

预应力混凝土道面结构可以减少由于道面养护维修所引起的机场封闭，减少航班延误，能够整体提升机场的服务水平，由于普通混凝土道面结构本身固有的结构缺陷、每年飞机起降次数逐年递增以及A380这样的大型飞机逐渐投入运营等因素的影响，大部分普通水泥混凝土道面远达不到设计年限就必须维修，频繁的维修不仅增加道面养护维修费用，同时给机场带来高昂的运营费用和因维修带来的航班延误；而预应力混凝土道面结构能延长路面的使用寿命，可以节省道面结构大修费用，减少由养护和维修对航班起降的干扰，由此给旅客人员带来的不满情绪和机场管理养护部门的压力将减轻，从而大大地提高其服务水平，产生巨大的社会效益。

节约社会资源，保护生态环境，预应力道面只需要70%的厚度就可以产生和普通道面相同的承载力，这就节省大量的混凝土等不可循环利用的资源，当对普通水泥混凝土道面进行结构性大修时，将产生大量的废渣，这些废渣既污染环境，又浪费资源，预应力混凝土道面结构从根本上解决这个问题，预应力混凝土道面的维修养护，不需要进行结构性大修，设计使用寿命远高于普通道面，当达到设计使用年限时，只需进行薄层罩面加铺，有效地保护生态环境，提高材料的利用效率。

5 结束语

基于全文论述和数据分析：

1）预应力混凝土道面增加纵向预应力钢筋和横向钢筋，改善结构的整体性，并增强结构抵抗环境温度效应的能力，其且结构性能优于普通水泥混凝土道面。

2）通过对某机场场道实例进行经济性能分析得出：预应力道面在初期建设费用比普通混凝土道面高出16%，但后期养护及改扩建费用前者比后者低，贴现率越低，经济效益越明显，在4%的贴现率下总费用最高可以节省27.57%。并且利于环保、节约资源，可以带来更多的社会效益，值得大力推广应用。

3）预应力混凝土道面作为一种优秀的道面结构形式，在我国机场场道中尚未得到应用，目前我国的研究也刚刚起步，关于预应力混凝土道面在实际工程的应用有待于进一步的论证。

［1］谢进通.水泥路面与沥青路面方案比选中的技术经济分析［J］.中外公路，2010，30（3）：87－90.

［2］李志洪.对预应力混凝土路面设计的初步探讨［J］.水运工程，2004（3）：124－126.

［3］钱振东，黄卫，牛赫东，预应力混凝土路面设计方法研究［J］，中国公路学报，2000（1）：22－26.

［4］中华人民共和国国家标准.GB50422－2007 预应力混凝土路面工程技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2007.

［5］中华人民共和国交通运输部.公路建设项目经济评价方法与参数［S］.北北京中国计量出版社，2010.

［6］中华人民共和国行业标准.JTG／T B06－2007 公路工程预算定额［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［7］四川省建设工程造价管理总站.民用机场工程预算定额［M］.北京：中国计划出版社，1995.