程國(guó)勇，王 帆，張獻(xiàn)民，張潤(rùn)峰

（中國(guó)民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津 300300）

為了減少由于熱脹冷縮引起的斷裂、拱脹以及混凝土的干縮等引起的混凝土道面板開裂，水泥混凝土道面板一般在縱、橫兩個(gè)方向設(shè)置許多接縫把道面板分為許多板塊，常見的接縫形式有縮縫、脹縫以及施工縫。這些接縫成為水泥混凝土道面最薄弱的部分，道面的病害，如唧泥、錯(cuò)臺(tái)等一般由接縫的損壞開始，嚴(yán)重影響飛機(jī)滑行的舒適性以及道面的使用壽命。為避免道面的破壞，發(fā)現(xiàn)道面早期安全隱患以便及早采取維護(hù)措施從而盡量延長(zhǎng)道面使用壽命，接縫傳荷能力的檢測(cè)與評(píng)價(jià)是機(jī)場(chǎng)剛性道面日常維護(hù)的主要內(nèi)容之一。

當(dāng)前機(jī)場(chǎng)道面接縫傳荷能力常用的表示方法有：以撓度（彎沉）表示的傳荷系數(shù)、以應(yīng)力表示的傳荷系數(shù)以及以荷載表示的傳荷系數(shù)等，相鄰板的撓度可以通過(guò)各種無(wú)破損彎沉測(cè)定方法得到，而應(yīng)力或荷載較難得到，故經(jīng)常用撓度傳荷系數(shù)評(píng)定接縫的傳荷能力[1]。為得到接縫兩側(cè)板塊邊緣的撓度，常用的方法為彎沉檢測(cè)，采用的儀器為落錘式彎沉儀FWD（falling weight deflectometer）。FWD的沖擊荷載與時(shí)速60～80 km的車輛對(duì)路面的荷載相似，可以較好地模擬行車荷載作用，并且測(cè)速快，精度高，因此自20世紀(jì)80年代初以來(lái)，F(xiàn)WD在國(guó)際上得到日益廣泛的應(yīng)用，代表著機(jī)場(chǎng)道面無(wú)損檢測(cè)的發(fā)展方向。關(guān)于道面接縫傳荷規(guī)律的研究成果目前主要有脫空狀況、脫空大小等對(duì)傳荷系數(shù)的影響[2-5]、荷載大小、加載方式對(duì)于傳荷系數(shù)的影響[6-8]等，得到一些有價(jià)值的結(jié)論。如文獻(xiàn)[6]研究結(jié)果表明接縫傳荷能力與荷載大小無(wú)關(guān)，只與道面結(jié)構(gòu)自身有關(guān)。文獻(xiàn)[8]則認(rèn)為傳荷系數(shù)測(cè)試結(jié)果與測(cè)試采用的荷載大小有關(guān)，過(guò)小的測(cè)試荷載將可能導(dǎo)致較大的誤差。但上述成果基本上是基于數(shù)值分析得到的結(jié)論。

對(duì)于機(jī)場(chǎng)剛性道面，由于其承受荷載、道面厚度及剛度等遠(yuǎn)高于一般公路，一般認(rèn)為機(jī)場(chǎng)跑道的彎沉檢測(cè)及評(píng)價(jià)需采用更大的沖擊荷載，目前國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)剛性道面結(jié)構(gòu)檢測(cè)中沖擊荷載一般取140 kN。此外當(dāng)前不少儀器廠家生產(chǎn)出專門針對(duì)機(jī)場(chǎng)道面的落錘式彎沉檢測(cè)設(shè)備，如重型落錘式彎沉儀HWD（heavy weight deflectometer），其顯著特點(diǎn)是沖擊荷載大，最大沖擊荷載一般可達(dá)到240 kN。另外，由于接縫的實(shí)際接觸狀態(tài)、脫空形式等非常復(fù)雜，遠(yuǎn)非數(shù)值方法能夠精確模擬的。測(cè)試荷載級(jí)位對(duì)于機(jī)場(chǎng)道面接縫傳荷系數(shù)的影響到底有多大是一個(gè)值得深入研究的問(wèn)題，因?yàn)檫@直接關(guān)系到道面質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性及檢測(cè)成本。

正是基于上述認(rèn)識(shí)，本文采用重型落錘式彎沉儀分級(jí)加載對(duì)某機(jī)場(chǎng)剛性道面的接縫傳荷系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，目的在于探討沖擊荷載級(jí)位對(duì)于接縫傳荷系數(shù)測(cè)試結(jié)果的影響規(guī)律，為機(jī)場(chǎng)道面的檢測(cè)及評(píng)價(jià)提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

使用丹麥丹納特8081型的重錘式彎沉儀，落錘承載盤直徑為30 cm，荷載沖擊的持續(xù)時(shí)間為25～30 ms。對(duì)于每個(gè)測(cè)試點(diǎn)使用四種不同大小的沖擊荷載，分別為90 kN、150 kN、180 kN及280 kN，具體施加荷載大小以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

在測(cè)試道面板接縫傳和能力時(shí)，加載盤中心距離板邊距離為200～250 mm（加載盤邊緣距板邊距離為50～100 mm），2、3號(hào)傳感器分別跨在受荷板和未受荷板接縫的兩側(cè)，距離接縫邊緣距離為10 mm，通過(guò)2、3號(hào)傳感器的位移測(cè)試結(jié)果評(píng)價(jià)相鄰板塊接縫的傳荷能力，加載盤及傳感器布置如圖1所示。

由于2、3號(hào)傳感器距離很近，為簡(jiǎn)單起見，按如下公式來(lái)計(jì)算相鄰板塊的傳遞荷載能力系數(shù)W

其中：W為傳荷能力系數(shù)；d2為荷載作用板塊傳感器彎沉值；d3為荷載未作用板塊傳感器彎沉值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次共進(jìn)行了3條測(cè)試線傳荷系數(shù)的測(cè)定，分別為：跑道1條測(cè)試線、平行滑行道2條測(cè)試線。測(cè)點(diǎn)（接縫）總數(shù)102個(gè)，圖2～圖4為3條測(cè)試線在不同荷載級(jí)位下的傳荷系數(shù)測(cè)試結(jié)果。

一般認(rèn)為，接縫傳荷系數(shù)值的變化范圍在0～1之間，當(dāng)無(wú)接縫時(shí)且不考慮接縫尺寸時(shí)，接縫位置兩側(cè)的豎向位移應(yīng)當(dāng)是連續(xù)的，即傳荷系數(shù)為1，當(dāng)傳荷系數(shù)大于1可認(rèn)為是測(cè)試數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常。從跑道1條測(cè)試線及平行滑行道2條測(cè)試線的結(jié)果來(lái)看，施加的沖擊荷載越小，出現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)異常的情況越多，各級(jí)荷載出現(xiàn)傳荷系數(shù)大于1的測(cè)點(diǎn)數(shù)量如表1所示。

另外，從圖2～圖4可以看出，沖擊荷載越小，傳荷系數(shù)曲線波動(dòng)的范圍越大，當(dāng)荷載達(dá)到一定程度時(shí)，傳荷系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。為便于說(shuō)明此現(xiàn)象，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)，以最大測(cè)試沖擊荷載（280 kN）下測(cè)試的傳荷系數(shù)為基準(zhǔn)，按式（2）計(jì)算其他級(jí)位沖擊荷載下傳荷系數(shù)相對(duì)測(cè)試誤差，對(duì)各測(cè)線的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行匯總，如圖5所示。

表1 各級(jí)荷載下傳荷系數(shù)異常情況統(tǒng)計(jì)Tab.1 the number of abnormal load transfer coefficient under different load level

其中：δ為傳荷系數(shù)相對(duì)測(cè)試誤差（%）；Wi為沖擊力i=90 kN、150 kN、180 kN 時(shí)的傳荷系數(shù)；W280為沖擊力等于280 kN時(shí)的傳荷系數(shù)。

從圖5可以看出，相對(duì)誤差基本正、負(fù)對(duì)稱（或者說(shuō)出現(xiàn)正、負(fù)誤差的幾率基本相同），說(shuō)明傳荷系數(shù)測(cè)試誤差是隨機(jī)誤差。從圖5中可以清楚地發(fā)現(xiàn)另一個(gè)現(xiàn)象，即隨著沖擊荷載的增大，此隨機(jī)性逐漸減小，即正負(fù)相對(duì)誤差的絕對(duì)值逐漸減小，定量地說(shuō)，當(dāng)采用的沖擊荷載為90 kN時(shí)，傳荷系數(shù)測(cè)試結(jié)果相對(duì)誤差最大能達(dá)到±30%左右，當(dāng)沖擊荷載增大到150 kN及240 kN時(shí)，相對(duì)誤差分別減小到±20%及±10%左右。

分析上述試驗(yàn)結(jié)果，由于機(jī)場(chǎng)道面的厚度及剛度很大，沖擊荷載產(chǎn)生的彎沉（撓度）值很小，而落錘式彎沉儀位移傳感器的位移測(cè)試精度是固定的。采用的測(cè)試沖擊荷載越小，道面產(chǎn)生的彎沉越小，則彎沉測(cè)試相對(duì)誤差越大。因此為提高道面板接縫傳荷系數(shù)測(cè)試精度，應(yīng)從兩方面著手，或提高位移測(cè)試精度或采用較大的荷載級(jí)位。在目前位移傳感技術(shù)現(xiàn)狀下，機(jī)場(chǎng)剛性道面板傳荷系數(shù)測(cè)試宜盡可能采用較大的沖擊荷載。

此外，考慮到目前國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)剛性道面結(jié)構(gòu)檢測(cè)中沖擊荷載一般采用140 kN并都采用類似的位移測(cè)試技術(shù)，因此根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)論可以合理推斷，認(rèn)為當(dāng)前的測(cè)試技術(shù)產(chǎn)生的相對(duì)誤差約為20%左右。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上研究，得到如下結(jié)論供相關(guān)技術(shù)人員參考：

1）機(jī)場(chǎng)剛性道面板傳荷系數(shù)測(cè)試過(guò)程中，采用的沖擊荷載越小，出現(xiàn)異常測(cè)試結(jié)果的的概率越大，當(dāng)荷載級(jí)位達(dá)到一定程度時(shí)，傳荷系數(shù)測(cè)試結(jié)果趨于穩(wěn)定。

2）隨著沖擊荷載的增大，傳荷系數(shù)測(cè)試結(jié)果的隨機(jī)性逐漸減小，因此機(jī)場(chǎng)道面接縫傳荷系數(shù)測(cè)定時(shí)應(yīng)盡量采用大級(jí)位的沖擊荷載。

3）根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)論及目前國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)剛性道面結(jié)構(gòu)檢測(cè)中一般采用140 kN沖擊荷載的現(xiàn)狀，合理推斷當(dāng)前國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)剛性道面接縫傳荷系數(shù)測(cè)試結(jié)果相對(duì)誤差約為20%左右。

當(dāng)然，本次只是在根據(jù)一個(gè)機(jī)場(chǎng)道面試驗(yàn)得到的結(jié)論。由于各個(gè)機(jī)場(chǎng)具體情況各異、道面千差萬(wàn)別，可能得到的結(jié)論也不盡相同。

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