机场装配式道面性能测试与分析

摘 要：现浇水泥混凝土开放交通难、施工周期长、质量难以控制等问题以及国家绿色施工的要求，使装配式技术越来越受到关注，装配式基础设施是国家大力发展的新技术。本研究依托某机场装配式道面建设工程，系统开展了装配式道面的传荷能力、大型室内足尺试验及抗滑能力的综合性能测试与分析。结果表明，传力杆的传荷效果优于双阴企口+拉杆的形式，接缝疲劳性能满足设计要求。本研究不仅为装配式道面技术的持续优化提供了关键数据支持，也为该技术在机场及类似重载交通领域的推广应用奠定了坚实基础。

关键词：机场道面;装配式;接缝设计;疲劳试验;传荷系数

引言

面对现浇水泥混凝土开放交通难、施工周期长、质量难以控制等问题以及国家绿色施工的要求，装配式技术越来越受到关注，装配式基础设施是国家大力发展的新技术之一。

装配式水泥混凝土路面（precast concrete pavement，简称PCP）是一种由室内施工和室外施工相结合而形成的混凝土路面结构，与传统现浇水泥混凝土路面相比，装配式水泥混凝土路面具有以下优点：一是装配式水泥混凝土路面板在工厂预制、在室内养生，因此可以成批预制，节省混凝土路面养生期，快速开放交通;二是装配式混凝土路面不在现场浇筑混凝土，减小了噪声污染和环境污染;三是装配式水泥混凝土路面施工受环境影响很小，因此可以加速施工进程;四是应用于临时道路的装配式水泥混凝土路面板在使用完成后可以进行拆卸并运输至另一应用场地再行装配，重复利用预制板块可以提高装配式水泥混凝土路面的经济效益。

我国机场道面主要采用水泥混凝土修建。机场道面是民航的重要基础建设之一，但在飞机的大荷载、大冲击作用和环境因素的影响下，道面不可避免地会出现损坏，在修补过程中，采用传统的现浇混凝土修复，一般需要14天～28天才可正常开放交通[1]，严重影响正常使用。即使采用快凝早强水泥，也至少需8 h ～10 h进行施工，且价格昂贵。为满足机场的不停航施工，除了快速修补，还需满足某些特殊情况下的快速修建，装配式水泥混凝土道面是很好的选择。大连周水子国际机场停机坪大修工程采用装配式道面技术进行修补[2]，整个修复过程用时8 h，满足机场的运行要求。

本研究依托某机场装配式道面建设工程，开展现场装配式道面传荷能力试验，大型室内足尺试验和现场道面抗滑能力测试。测试和分析结果对装配式道面技术的持续优化和推广应用起到关键的推动作用。

一、依托工程介绍

测试依托项目为某机场道路试验路段，试验路段采用装配式混凝土道面板拼接而成，横缝和纵缝处分别采用传力杆和拉杆的方式传递荷载和位移。四条试验路段均为全长100m、宽50m，每块板的尺寸为5m×2.5m×20cm，共400块板。混凝土板由C60和C80混凝土浇筑而成（如图1所示）。

二、机场道面接缝传荷能力测试

（一）测试方案

本次试验共测试144块板，其中横缝测试128块板，纵缝测试16块板，以及测试了四块板角。共测试横缝134条，纵缝30条，板角4处。纵缝处连接为双阴企口+拉杆，横缝处为传力杆。传力杆和拉杆形式。

本次现场实验采用重型落锤式弯沉仪（HWD）进行弯沉试验，根据《民用机场道面现场测试规程》规定，测试荷载选择最高飞行区对应的荷载为 120KN，本次试验选用130KN荷载（如图2、3所示）。

（二）水泥混凝土道面接缝的弯沉比传递系数LTEδ

根据《民用机场道面评价管理技术规范》规定，水泥混凝土道面接缝的弯沉比传递系数LTEδ应根据HWD板边中点跨缝测量的结果，按式1计算：

（1）

式中：LTEδ ——弯沉比传递系数（%）;

Dunload ——未受荷板距离接缝150mm位置处传感器的实测弯沉（μm）;

Dload ——受荷板距离接缝150mm位置处传感器的实测弯沉（μm）。

根据《民用机场道面评价管理技术规范》规定，水泥混凝土道面接缝传荷能力评价应以弯沉比传递系数LTEδ作为指标评价标准按表1执行。

表1 水泥混凝土道面接缝传荷能力等级评定标准

变异系数主要用于比较不同组别数据的离散程度。通常，变异系数越小，说明数据的变异程度越小;反之，变异系数越大，说明数据的变异程度越大。根据《公路路基路面现场测试规程》规定，测试结果的平均值、标准差、变异系数按式2、式3、式4计算。

（2）

（3）

（4）

式中：Xi──第 i 个测点的实测值;

N──一个测试路段内的测点数;

X──一个测试路段内实测值的平均值;

S──一个测试路段内实测值的标准差;

Cv──一个测试路段内实测值的变异系数（%）。

本次试验道面进行的弯沉试验，经过分析试验数据，横缝传荷能力评价为中和次，纵缝传荷能力为好和中，板角传荷能力为中、次和差，结果表明传力杆的传荷效果优于双阴企口+拉杆的形式。受依托工程特点所限，直接测试数据不能对外公布。

三、连接件疲劳性能测试

（一）实验设计

本次试验采用大型室内力学试验机开展足尺板块的疲劳性能实验，取单轮荷载作用于连接件正上方以保证连接件疲劳试验效果，将轮载接触位置简化为矩形（如图4所示）。

由于试验场地高度局限性，无法在实验室内建立完全相同的无限延伸的地基条件，因此在疲劳试验时，将面层以下结构简化为20cm厚等效基层以能够在满足实验室条件的基础上尽可能真实地反映实际使用过程中连接件的疲劳性能，并选择等效基层模量和材料。经过综合考虑和对不同等效基层模量的比较，最终选择15MPa作为等效基层模量，选取EPS泡沫板作为基层材料。

四种工况均采用疲劳试验机进行正弦波常幅循环加载，结合实际飞机起降次数与试验条件选取以10万次疲劳加载作为每种工况的疲劳加载次数，并以承受10万次疲劳加载次数为设计前提判断四种工况下连接件的可使用年限（如表2所示）。

按照测试要求在传力杆和拉杆处粘贴应变片，并在靠近加载位置和横缝的加载侧和未加载侧各布设一个位移计，纵缝也是如此。

（二）测试结果分析

1.双阴企口连接件（工况一和工况二）

刚性基层较柔性基层对混凝土道面板具有更好的支撑作用，连接件在刚性基层工况下的疲劳性能较柔性基层下的疲劳性能好。

10万次循环荷载之后，拉杆连接件在刚性基层和柔性基层两种工况下均未产生明显断裂且焊接部位未观察到裂缝，说明拉杆连接件能够承受10万次循环荷载，即当30年设计年限内飞机总起降次数在10万次以内时，拉杆连接件在使用过程中可以保持相对稳定状态。

由拉杆破坏性试验可知，10万次疲劳加载后拉杆连接件在400KN-500KN间产生断裂，拉杆连接件与混凝土交界部位相较于焊接部位更容易发生断裂。

2.钢筋焊接连接件（工况三和工况四）

刚性基层较柔性基层对混凝土道面板具有更好的支撑作用，传力杆连接件在刚性基层工况下的疲劳性能较柔性基层下的疲劳性能好。

柔性基层横缝疲劳加载试验过程中，道面板底部采用了等效基层，在室内试验场地中，试验模型仅采用了两块相邻道面板，其四周缺乏其余板块约束，使得结构受力和道面板竖向位移较实际应用中大，在此不利条件下，柔性基层依旧能够承受6000次循环加载。

传力杆连接件断裂方式为在加载侧传力杆与混凝土交界部位产生自身断裂，而焊缝处未观察到裂纹，说明传力杆连接件与混凝土交界部位相较于焊接部位更容易发生断裂。

四、机场道面抗滑测试

依据表面不同的刻槽类型、横纵向刻槽方向下对比将试验路分为四种（图5），采用单轮式横向力系数测试车进行现场检测。

对四条试验路分别沿横向和纵向进行了检测，纵向检测时，刻槽方向垂直于行车方向，横向检测时，刻槽方向与行车方向相同。对纵向测试，每组路线重复测试了6次，对横向测试，每组路线重复测试了2次。

对测点结果进行速度和温度修正，得到四条试验路段的横向力系数SFC平均值如图6所示。

经过分析得出：当刻槽垂直于行车方向时前三条试验路段道面抗滑性能接近，而第四条试验路段的抗滑性能较其余三条试验路段差;当沿刻槽沿行车方向时前三条试验路段道面抗滑性能接近，而第四条试验路段的抗滑性能较其余三条试验路段好。对于同一道面板，沿着行车方向刻槽比垂直于行车方向刻槽，道面的抗滑性能更好。

结论

研究依托某机场装配式道面建设工程、道面传核能力、大型室内足尺实验和道面抗滑能力测试，主要结论如下：

依托工程项目道面横缝传荷能力评价为中和次，纵缝传荷能力为好和中，结果表明传力杆的传荷效果优于双阴企口+拉杆的形式。

足尺实验结果显示10万次循环荷载之后，双阴企口连接件在刚性基层和柔性基层两种工况下均未产生明显断裂且焊接部位未观察到裂缝，说明该种连接方式具有较好的疲劳性能。

采用横向布置时，研究对比的4种刻槽方式抗滑性能接近，但采用沿行车方向布置时，4号刻槽的方式的横向力系数展现出明显优势，表明沿着行车方向刻槽比垂直于行车方向刻槽，道面的抗滑性能更好。

参考文献：

[1]董丽华.装配式路面修复技术在混凝土路面快速养护中的应用[J].山西交通科技，2018（02）：21-23.

[2]于冰，蔡磊.机场水泥混凝土道面装配式修复技术及应用[J].科技与创新，2024（09）：181-184.