趙鴻鐸, 馬魯寬

(1.民航飛行區(qū)設施耐久與運行安全重點實驗室,上海 201804;2.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室,上海 201804)

水泥混凝土道面是我國機場鋪裝的主要結構形式,其中,設接縫普通混凝土道面(jointed plain concrete pavements,JPCP)最為常見[1-2].暴露在外界環(huán)境中,水泥道面直接受到環(huán)境的影響而產生溫度變化,尤以道面板內的溫度變化最為劇烈[3].水泥混凝土具有顯著的熱脹冷縮特性,在板厚方向溫度梯度作用下,道面板產生翹曲變形,板底與基層接觸若出現分離,便會形成溫度翹曲型脫空[4-5];在平均溫度變化時,道面板產生脹縮變形,接縫縫隙張開程度不同,影響接縫(特別是不設傳力桿的橫向縮縫)的傳荷能力[6-7];此外,當道面板翹曲和脹縮變形受到層間摩阻力、地基反力、板自重和相鄰板鉗制等約束作用時,便會產生伸縮應力和翹曲應力[1,8].因而,道面溫度變化、溫度作用下道面力學響應和結構性能的變化等變溫效應與水泥道面設計和評價密切相關.

當前,水泥道面的變溫效應研究方法主要有理論分析和實測兩種.1927年,Westergaard基于Winkler地基板模型導出了水泥板溫度翹曲變形和應力計算的理論公式,奠定了溫度翹曲變形和應力計算的基礎[9],自此至今,理論分析經歷了從解析求解到數值求解的發(fā)展[1,8,10].理論分析具有廣泛的適用性,但理論模型是基于多種假定條件而構建的[9,11],雖然有限元等數值求解方法使得理論模型的構建趨于結構的實際狀況,但理想化的假定條件使得理論分析結果依然具有一定局限性[9].相對而言,實測方法獲得的是足尺試驗或者實際道面結構的響應數據,在測試方式準確的前提下,其結果是可靠的.實測結果一方面可用于佐證或修正理論分析值;另一方面,大量實測數據的統計回歸可作為結構響應分析的一般模型.早在1920年,美國就建立了Bates試驗路用于測試路面結構的溫度變化和力學響應[12],此后,又相繼建立了Arlington、Maryland、WASHO、AASHO、Minnesota等多條試驗路[7],為完善路面結構設計奠定了基礎;其中,尤以“LTPP"(long-term pavement performance)計劃[13]最為著名.基于“LTPP"數據,研究者校驗了應用較為廣泛的高級集成環(huán)境模型(EICM)溫度預估模型[14],同時分析了水泥路面板的溫度翹曲變形和接縫傳荷能力的變化規(guī)律[6,15].在國內,自1979年以來,研究者也開展了十多條水泥路面的溫度測試[1,16],構建了我國水泥路面溫度場預估模型[1],并提出了公路自然區(qū)劃最大溫度梯度推薦值[17];此外,田波等[18]開展了不同基層類型結構下水泥路面溫度翹曲足尺試驗研究.在機場道面方面,美國聯邦航空管理局(FAA)利用國家機場道面測試中心的足尺試驗,分析了水泥板翹曲變形和接傳荷能力隨溫度的變化[19];1992年,FAA還在丹佛國際機場34R跑道道面結構中埋置了溫度和應變傳感器,用于監(jiān)測水泥道面溫度和應變變化[7].2014年,上海浦東國際機場建成了國內第一個機場道面狀態(tài)監(jiān)測系統(pavement conditions monitoring system,PCMS),用于道面溫度、濕度、應變和沉降等性狀監(jiān)測[20].

本文即利用PCMS實測的溫度、應變和彎沉數據,重點分析了自然環(huán)境中水泥道面的溫度變化以及溫度作用下道面板翹曲變形、彎沉、接縫傳荷能力的變化規(guī)律,成果從實測方面進一步揭示了我國機場水泥道面變溫效應規(guī)律.

1 實測方法

1.1 “道面狀態(tài)監(jiān)測系統"

上海浦東國際機場的“道面狀態(tài)監(jiān)測系統"位于第四跑道(16L/34R),其架構如圖1所示.通過埋置在7個監(jiān)測斷面內的350個傳感器和相應系統,“PCMS"實現了道面性能數據的自動采集、傳輸和存儲,并可在服務終端中實時查看道面性能狀態(tài)[20].

圖1 上海浦東國際機場“道面狀態(tài)監(jiān)測系統"架構

Fig.1 Framework of "Pavement Condition Monitoring System" for Shanghai Pudong International Airport

1.2 傳感器布設和數據收集

斷面I的主要目的是監(jiān)測環(huán)境作用下道面的靜態(tài)響應和飛機起飛荷載作用下道面的動態(tài)響應,其傳感器的平面布局如圖2a所示.為便于表述,對斷面I道面板的行和列分別用數字和字母進行編號,如圖2a所示,則2A板為道面靜態(tài)響應監(jiān)測位置.

為監(jiān)測道面靜態(tài)響應,2A板處的道面中埋置了濕度、溫度和應變傳感器.其中,溫度傳感器采用光纖光柵溫度計(BGK-FBG-4700S),測試誤差為±0.4 ℃,設置在板中和板角;應變傳感器采用振弦式應變計(BGK-4200),測試誤差為±1.5×10-6,設置在板中、橫縫(假縫)板邊中部、縱縫(企口縫)板邊中部和板角,如圖2a所示;同時,每個對應位置縱向布設9個溫度傳感器,布設2個應變傳感器(位于道面板頂和板底),具體位置如圖2b所示,施工如圖2c所示.為保障數據完整性,溫度和靜態(tài)應變的采樣間隔均為0.5 h.

a 傳感器平面布局b 溫度和應變傳感器縱向布局c 傳感器現場埋設

圖2 斷面I傳感器布局和安裝

Fig.2 Layout and installing of sensors for section I

自2014年,PCMS采集并存儲了大量道面的溫度和靜態(tài)應變數據,可作為分析基礎數據庫.

1.3 彎沉測試

本研究采用Carl Bro重載落錘式彎沉儀(heavy weight deflectometer,HWD)測試2A道面板的彎沉,其荷載盤和傳感器構型如圖3所示,彎沉測試誤差為(3±2%)μm.

圖3 Carl Bro HWD荷載盤和傳感器構型(單位:cm)

Fig.3 Configuration of sensors and loading plate of HWD(unit: cm)

現場采用間隔為1 h的連續(xù)測試,如圖4所示.測試荷載為140 kN,同一荷位測試三次,同時記錄道面表面溫度,取平均值作為最終的代表值;結合機場工作要求和研究需要,最終的測試時間和荷位如表1所示;此外,為了避免濕度的影響,所有測試均在晴天狀況下開展.

2 結果分析和討論

2.1 道面溫度

選擇2A道面板處2014年全年溫度數據對道面溫度開展研究.初步計算表明,板角和板中處溫度最大差值為1.6 ℃,在考慮測試誤差的基礎上,取兩位置處溫度數據的平均值作為代表值進行分析.

a 現場測試

b 荷位布局

表1 彎沉測試時間和位置

*注:從2014年5月6日10:00至5月7日10:00.

以2 h為間隔,繪制不同季節(jié)典型日期的道面溫度沿深度的分布狀況,如圖5所示.圖5表明,道面表面的溫度波動最為劇烈,而隨著深度增大波動依次減小;1 d內,土基內部溫度基本保持不變,并且基層內的溫度變化也較小,但不同季節(jié)差異較大;在不同季節(jié),道面板內的溫度1 d內變化均較為劇烈,沿深度呈現出非線性,白天非線性比夜晚明顯,特別是下午時段更為顯著.

a 冬季(1月15日)

b 春季(4月4日)

c 夏季(8月5日)

d 秋季(10月2日)

采用等效線性溫度梯度[21]的方法計算道面板內的溫度梯度,并統計2014年全年的溫度梯度頻率分布,如圖6所示.結果表明,測試道面板在一年中溫度梯度分布在-20.55到48.04 ℃·m-1,與同等厚度的上海地區(qū)水泥路面最大溫度梯度標準值接近[1].由圖6還可知,道面板全年處于正溫度梯度頻率為50.61%,處于負溫度梯度頻率為49.39%,二者占比近似相等.此外,對2014年全年溫度梯度為零的時間進行統計,結果如圖7所示.圖7表明,零溫度梯度集中在7:00~10:00和19:00~22:00;零溫度梯度時間全年呈周期性,從一月份開始,上午零溫度梯度出現的時間約為10:00,隨著時間推移,零點出現的時間逐漸提前,在7月份達到最低點,約為7:00,而后再逐漸推遲,在年終達到最高點完成一個循環(huán),同樣,下午零溫度梯度出現時間由1月份的19:00逐漸上升到7月份的22:00,而后下降到年終完成循環(huán);相比而言,下午零溫度梯度出現的時間分布比上午波動大;這種周期性的變化,導致正溫度梯度占全天時間比例夏季最大、冬季最小.

圖6 道面板溫度梯度頻率分布

2.2 翹曲變形

溫度梯度作用下,道面板頂和板底應變的不一致導致道面板產生翹曲變形.理論上可由板頂和板底應變差來計算道面板沿應變方向的翹曲曲率[22],如式(1):

(1)

式中:ρ為板的曲率(正值表示向上翹曲),m-1;εt、εb分別為板頂和板底應變,10-6;h為板厚,m.

圖7 道面板零溫度梯度時間分布

Fig.7 Distribution of temperature gradient equal to 0 for slabs

埋置在水泥道面板內的應變計測試的是總應變,是溫度、濕度、蠕變和外界約束共同作用的結果.為探究溫度作用下道面板的翹曲變形,選用2A道面板施工三年后(即2015年)晴天狀況下的應變數據,以避免濕度和蠕變的影響[23].利用式(1),分別計算橫縫(假縫)板邊中部(橫縫方向)、板角(橫縫方向)和縱縫(企口縫)板邊中部(縱縫方向)的翹曲曲率,圖8為部分結果.從中可以發(fā)現,道面板全天均會產生翹曲變形,三個位置處翹曲變形均呈現同步周期性;板角處的翹曲變形最大,縱縫(企口縫)板邊中部的翹曲變形最小;此外,在三個位置上,向下翹曲變形量均比向上大,因為該季節(jié)道面板正溫度梯度大于負溫度梯.

圖8 道面板不同荷位翹曲變形曲率

板角荷位處全年翹曲變形曲率隨溫度梯度的變化如圖9所示.從中可看出,板角荷位處翹曲變形曲率與溫度梯度具有良好的線性關系,但溫度梯度為0時,曲率大于0,表明此時板角處存在向上的翹曲變形,此變形是混凝土在養(yǎng)生階段形成的硬化翹曲變形.若假定板翹曲后形成球面[1],則計算出道面板角向上翹曲的最大值為183 μm(板長×板寬=5 m×5 m),這是溫度翹曲型脫空產生的根本原因[4].此外,綜合全年翹曲變形曲率來看,橫縫(假縫)板邊中部(橫縫方向)、板角(橫縫方向)和縱縫(企口縫)板邊中部(縱縫方向)向上翹曲變形的最大值均分布在12月~1月,此時溫度和荷載共同作用使得板角拉應力變化最大;向下翹曲變形的最大值均分布在7月~8月,此時溫度和荷載共同作用使得板邊處于全年最不利受荷狀況.

圖9 板角荷位翹曲變形曲率隨溫度梯度變化

Fig.9 Variation of curling curvature with equivalent linear temperature gradient for slab corner

2.3 道面彎沉

圖10展示了2A道面板橫縫(假縫)板邊中部、板中和板角三個荷位處最大彎沉和道面表面溫度24 h的變化.從中可知,板中最大彎沉變化輕微,1 d內彎沉的最大差值為9 μm,小于彎沉測試誤差((3±2%)μm),因此可認為測試環(huán)境狀況下2A道面板中最大彎沉不受溫度變化的影響;相對而言,橫縫(假縫)板邊中部和板角最大彎沉受溫度變化影響顯著,橫縫(假縫)板邊中部最大彎沉相差41%,板角最大彎沉相差52.8%.進一步分析發(fā)現,橫縫(假縫)板邊中部和板角最大彎沉隨道面表面溫度變化均呈現周期性變化,且可劃分為三階段:

階段I:5:00~13:00,最大彎沉隨道面表面溫度增大而減小,呈線性相關性(橫縫(假縫)板邊中部和板角對應的R2分別為0.91和0.92);

階段II:13:00~16:00,最大彎沉基本保持不變;

階段III:16:00~5:00,最大彎沉隨道面表面溫度減小而增大,呈線性相關性(橫縫(假縫)板邊中部和板角對應的R2分別為0.91和0.95).

用加權平均溫度和等效線性溫度梯度量化道面板溫度[21],圖11為24 h連續(xù)彎沉測試當天道面板溫度變化結果.由圖11可知,在白天,道面板受正溫度梯度作用,橫縫(假縫)板邊和板角荷位板底與基層緊密接觸,而此時道面板平均溫度較大,造成接縫傳荷較大,二者綜合作用使得道面橫縫板邊中部和板角彎沉較小;夜晚則相反.

圖10 道面不同荷位最大彎沉和道面表面溫度日變化

Fig.10 Daily variations of maximum deflections and surface temperature

圖11 道面板溫度日變化

除了日變化外,圖12展示了不同季節(jié)下午14:00的2A道面板不同荷位的最大彎沉.從中可知,板中最大彎沉基本保持不變,說明不同季節(jié)道基模量的變化并不顯著,而其他三個荷位的最大彎沉變化明顯,1月份即冬季最大,5月份即春季次之,8月份即夏季最小,這與季節(jié)性溫度差異密切相關.圖13展示了不同季節(jié)測試當天道面板14:00的溫度狀況,該時刻道面板均受正溫度梯度作用,由翹曲變形分析可知,此時道面板在板角和板邊與基層接觸緊密,因此,此時最大彎沉的變化主要是由平均溫度變化引起的接縫傳荷能力差異造成的.

2.4 接縫傳荷能力

本研究采用撓度比計算的傳荷效率(load transfer efficiency, LTE)來表征接縫傳荷能力[24].2A道面板橫縫采用的是我國機場道面普遍采用的假縫,圖14展示了其傳荷效率1 d內的變化趨勢.從中可知,接縫傳荷能力無顯著連續(xù)變化規(guī)律,但白天傳荷能力總體偏大,平均值(8:00~18:00)為93.90%,夜晚總體偏小,平均值(23:00~7:00)為85.21%,下降了近8.69%.出現上述現象的原因是,假縫的傳荷是通過接縫間的集料嵌鎖和基層支撐作用實現的,在白天,道面板在正溫度梯度作用下板邊和板角與基層接觸緊密,并且此時道面板溫度較高,接縫的縫隙小,集料嵌鎖作用大,因此傳荷能力偏高,而夜晚則相反.

圖12 道面不同荷位在不同季節(jié)最大彎沉(14:00測試)

Fig.12 Maximum deflection for different loading locations in different seasons (measured at 14:00)

圖13 道面板不同季節(jié)溫度變化(14:00測試)

Fig.13 Seasonal variations of pavement temperature (14:00)

圖14 道面橫縫(假縫)接縫傳荷能力日變化

為進一步分析道面接縫傳荷能力隨溫度的變化規(guī)律,選用2A道面板在不同季節(jié)下午時段(12:00~18:00)受正溫度梯度作用時測試的彎沉來計算LTE,以保證基層具有良好的支撐狀況,同時計算對應時間的道面板加權平均溫度,繪制二者散點圖,并作相關性分析,結果如圖15所示.從圖15可以看出,橫縫(假縫)和縱縫(企口縫)傳荷能力均隨平均溫度的增大而增大,且呈現出良好的二次曲線關系.但當接縫設置傳力桿時,相關研究表明[7,25]其傳荷能力基本不受平均溫度的影響.

a 橫縫(假縫)

b 縱縫(企口縫)

3 建議

分析表明,在自然環(huán)境中,水泥道面板內的溫度具有周期性變化和沿厚度非線性分布的特點,在此溫度作用下,道面板會出現反復的翹曲和脹縮變形.因此,道面板的變溫效應,一方面使得道面板呈現“非平板"的狀態(tài),另一方面也改變了道面板底基層的支撐狀況和接縫的傳荷能力.

因此,在道面板的應力分析中需要考慮溫度和荷載的耦合作用;同時,我國機場水泥道面設計時采用接縫傳荷的應力折減系數一般取值0.25[26],而不同溫度狀況下,接縫的傳荷能力是不斷變化的,需要進一步探究溫度作用下接縫傳荷能力的變化規(guī)律,并建立與應力折減系數的關系,最終按照我國不同季節(jié)和不同地域給出應力折減系數的推薦值,為精細化設計服務;另外,我國機場道面板底脫空和接縫傳荷能力評價[24]以彎沉為基礎,因而需要考慮溫度對水泥道面彎沉的影響,參照本研究的成果,在白天時段開展彎沉測試可避免溫度的影響,但機場停航一般在夜間時段,此方式與現實中機場正常運行時間相悖,因此后續(xù)還應開展彎沉的溫度修正研究,以保證評價結果的可靠性.

4 總結

(1) 1 d內,土基和基層內部溫度日變化較小,但季節(jié)性差異較大;道面板內的溫度1 d內變化較為劇烈,沿深度分布呈現出非線性,且白天比夜晚明顯,特別是下午時段更顯著;道面板全年正、負溫度梯度占比基本相同,零溫度梯度集中在7:00~10:00和19:00~22:00,且全年呈周期性.

(2) 溫度作用下,橫縫(假縫)板邊中部、板角和縱縫(企口縫)板邊中部翹曲變形呈現同步周期性變化,板角翹曲變形最大,而縱縫(企口縫)板邊中部最小;在三個荷位處,全年向上的翹曲變形最大值均分布在12月~1月,全年向下的翹曲變形最大值均分布在7月~8月.

(3) 溫度作用下,板中最大彎沉基本保持不變,而板角和橫縫(假縫)板邊中部最大彎沉呈現顯著日變化和季節(jié)性變化,且日變化具有周期性.

(4) 溫度作用下,假縫的傳荷能力白天總體偏大,夜晚總體偏小;假縫和企口縫的傳荷能力隨平均溫度的增大而增大,二者呈現出良好的二次曲線關系.

(5) 建議在水泥道面設計中考慮溫度和荷載的耦合作用以及接縫傳荷能力的變化;同時,在水泥道面板底脫空和接縫傳荷能力評價中考慮溫度對道面彎沉的影響,以提高評價準確性.

本研究基于上海浦東國際機場水泥道面監(jiān)測數據,后續(xù)還應增加不同道面結構和不同氣候狀況下道面變溫效應數據的監(jiān)測,以完善水泥道面變溫效應研究.