快速装配钢框-预应力混凝土道面承载性能的影响因素分析 ①

张 恒， 赵方冉

(1.安徽财经大学管理科学与工程学院，安徽 蚌埠 233030；2.中国民航大学机场学院，天津 300300)

0 引 言

机场改扩建不停航施工过程中，通常需要快速铺筑的道面结构作为临时联络道来满足机场的正常运行需要，该临时联络道不仅具备承受飞机荷载的能力，而且还要满足快速装拆的要求。因此，快速装配式道面结构设计和承载性能研究在机场工程领域具有重要的现实价值。蔡良才、周少辉等[1-3]对拼装式铝合金道面结构在飞机荷载下的承载能力与应力应变规律做了充分的有限元分析与现场试验工作。岑国平等[4]通过室外铺筑铝蜂窝道面板实验得出较高的地基强度可有效减少弯沉，而当地基脱空发生时，道面板板底出现过大应力，导致面板易发生破坏失效。杨博瀚等[5]利用有限元模型探讨了合理结构参数的装配式机场预应力混凝土道面能够适应飞机荷载的要求。刘山洪等[6]对预制预应力混凝土复合道面板力学性能、施工工艺等进行了理论与实验研究。上述装配道面对铺筑基层有较高的承载能力要求，飞机荷载反复作用下容易产生较大沉陷而难以保证道面结构的平整性，工程成本较高。因此，研究适用于民航领域的快速装配钢框-预应力混凝土道面结构来满足机场临时道面的铺筑需求。

1 快速装配钢框-预应力混凝土组合道面设计分析

由于快速装配道面结构的地基缺乏足够的时间完成硬化处理，很难为面层结构提供较高的支撑强度，多为中低强度土基支撑，地基反应模量在80 MN/m3以下，这使得道面板块承受竖向荷载时容易产生较大变形而导致局部应力过大。为此，需要装配道面结构不仅具有较高的刚度和承载能力，而且具有较好的荷载扩散能力，此外，道面板单元还需具有运输方便和装拆便捷的特点，宜选用适当的型钢框架与预应力混凝土结构来满足要求，如图1所示。快速装配道面结构可采用物理几何特征参数相同的矩形薄板通过一定的装拆机构，形成快速铺装的效果，使得道面板能够保持连续性与平整性，荷载作用下板间连接件机构会使板产生一定的相对位移，能够消散部分荷载应力，板块单元间通过铰接件连接形成道面整体，使其形成良好的变形协同能力。从道面结构力学特征看，以单一板单元为力学对象，该道面属于刚性道面结构；但当多板块组合结构连接成整体后则可看作为柔性道面结构。因此，钢框-预应力混凝土组合道面也可当作“半柔性道面”结构。目前，尚缺乏针对此类半柔性道面的研究和工程实践，需要研究其力学性能的影响参数及力学响应规律。

2 钢框-预应力混凝土道面有限元模型参数及模拟条件

为探讨飞机荷载作用下钢框-预应力混凝土组合道面结构的力学响应规律，基于“飞机轮胎荷载-道面板-地基”的复杂耦合系统，利用ABAQUS有限元软件建立道面结构模型，并对计算参数给予一定的限制，研究其力学响应规律。

2.1 组合道面结构设计与材料参数确定

由于机场不停航施工周期短，地基处理较为简单，无基层结构，建立winkler地基模型，采用中低强度(地基反应模量K=70MN/m3)地基模拟工程实际状况。考虑到机场常用机型及轮载要求，道面结构荷载可采用B737-800主起落架矩形单轮轮载进行模拟[7]，见表1。

表1 B737-800飞机荷载参数

单元板间采用铰连接方式，连接件模型为4处间断分布各8 cm长的连接件，该连接件为高6 cm、宽度3 cm、孔径2cm的插销式结构。其中，钢框架、连接件及连接轴采用Q345槽钢，混凝土采用C40混凝土，均为线弹性材料。钢框-预应力混凝土组合道面结构单元板设计尺寸参数及材料物理力学性能参数见表2所示[8]。

表2 钢框-预应力混凝土道面结构几何尺寸

2.2 边界条件及预应力筋定义

道面板模型边界条件定义为：垂直于行车方向(Y方向)约束X方向的水平位移，行车方向(Y方向)约束Y方向的水平位移[9]。利用ABAQUS中Embedded功能可以较好的模拟预应力钢筋与混凝土之间的约束，预应力的模拟采用降温法来实现，通过软件中设定的预应力筋线膨胀系数，并对单元进行降温，从而达到施加预应力的目的[10]。

3 快速装配组合道面结构力学性能影响因素分析

通过改变结构自身参数、地基反应模量、连接件分布等参数，模拟荷载作用下组合道面板的力学响应规律、板块联动效应及变形协调效应，得到飞机荷载作用下快速装配道面结构的应力传递特征、力学响应规律和适应性特点。

图1 快速装配道面板单元示意图

3.1 飞机荷载作用下双块道面板及构件应力响应分析

基于双板铰接道面板有限元模拟可以看出，B737-800单轮荷载作用下，板块间通过连接件进行应力扩散，使得型钢框架与混凝土接触处的应力过大，如图2所示，导致混凝土板边与型钢框架发生脱离现象或使板底混凝土被拉裂，使得混凝土道面处于带缝或破损工作状态，但只是局部较小区域出现此种情况，可采取板角加铺钢筋网形式来消散此部分集中应力现象。相邻连接件间由于挤压作用可能产生应力集中，由此可能导致连接件接触面上荷载应力过大而发生屈服现象，如图3所示。比如，当荷载作用在铰接板板边时，连接件最大应力可达480 MPa左右，但只是其接触面上的局部点达到屈服状态，并不影响铰接机构的使用，连接轴外表面最大应力仅为174 MPa，能够满足连接机构使用要求。

图2 双板板底混凝土受力云图

图3 连接件受力云图

3.2 结构参数对组合道面的力学响应影响

钢框-预应力混凝土组合道面板厚、连接件布局等对道面力学性能的影响显著。板厚设计尺寸对于组合道面板底力学性能的影响规律如图4所示。当单元体设计板厚从8cm增加到10cm、12cm、14cm时，板底应力从16.7MPa降低至3.9MPa，应力减幅达76.6%；板底变形从3.49mm逐渐减小至3.11mm，变形减幅达10.8%。当设计板厚从14cm增加到20cm时，板底应力降低至2.0MPa，应力减幅达48.7%；板底变形减小至3.07mm，变形减幅达1.3%。由此可见，板厚变化对于板底应力的影响最为显著，板底应力更能反映结构的安全可靠性，当设计板厚大于12cm时，混凝土板底应力才会低于5.0MPa，混凝土才不至于被拉裂。当设计板厚大于14cm后，增加板厚对板底变形几乎没有影响，板底变形可作为优化道面板结构设计参数的次要指标。

板间连接的有效性是组合道面实现快速装配的关键，组合道面板铰接机构的布置位置不同对混凝土道面板的力学响应影响较大，数值模拟结果如图5所示。连接机构焊接位置对连接件和连接轴的受力状况影响较为显著，当连接件中心位于距离板底2.5cm处时，连接件最大应力为486MPa，连接轴最大应力为174MPa。随着连接件焊接位置沿板厚方向上移，连接机构所受应力不断增加，当布置在板厚中部位置时，连接机构所受应力最大。当连接机构从板厚中部向上部布置时，连接轴自身应力有所减小(减小幅度低于向板厚底部布置)；连接件自身应力逐渐增加，连接效能变差。因此，从上述模拟结果来看，钢框架外侧的连接件以布置在靠近板底部为宜。

图4 不同板厚情况下组合道面结构的力学响应

图5 连接件位置与连接机构力学响应的关系

图6 地基反应模量K与板底力学响应的关系

3.3 地基支撑条件对组合道面力学行为影响

快速装配组合道面结构主要用于无基层、软弱地基或地基状况不良等工程实况条件下。为研究不同地基支撑条件对组合道面板的力学影响，有限元模型中地基反应模量K从5～80MN/m3(中低强度)间选取了11个参数值进行模拟，道面板板底应力、板底竖向位移力学响应量变化规律如图6所示。当土基反应模量K值由5 MN/m3增加到25 MN/m3时，混凝土板板底竖向位移急剧下降，从49.79 mm降低至10.08 mm，减幅达79.75%；当土基反应模量K值从25MN/m3增加到80 MN/m3时，道面板板底竖向位移变化较小。从板底应力变化来看，土基反应模量K值由5 MN/m3增加到80 MN/m3时，混凝土道面板板底应力变化幅度较小，地基反应模量变化对板底应力几乎没有影响，这可能是由于板块单元尺寸较小使得混凝土道面板不易形成较大的弯曲，从而难以产生较大板底应力变化。因此，地基反应模量的大小最直接影响的是道面板块的板底竖向位移，在实际工程中，应尽可能的将土基平整且达到一定的强度要求，避免较大的板体沉陷产生。

4 结 语

(1)快速装配钢框-预应力混凝土道面结构由于型钢框架的限制，水泥混凝土道面板与型钢结合处的板侧混凝土会产生局部应力集中现象，需要板角位置铺设钢筋网进行局部强化来减小或消除应力集中。组合板块关键部位的连接件与连接轴的应力和变形情况基本满足道面板使用的力学要求，连接件焊接位置靠近板底时，能够有效发挥协同作用，装配道面结构受力最为合理。

(2)单元体板厚变化对于混凝土道面板底应力和板底变形影响较为显著，当板厚增加到14 cm时，增加板厚对板底变形几乎没有影响，实际工程中可以采取增大板厚的措施来降低混凝土道面板的应力水平。

(3)地基反应模量对快速装配道面结构板底应力的影响并不显著，但对减少道面板竖向变形效果较为明显。当土基反应模量K值超过25MN/m3，随地基反应模量K的增加，道面板板底变形减少并不明显，采用增大地基承载能力的方法可有效减少道面结构的板底变形。