李 濤，程國(guó)勇，鄧鈞之, 馬少敏

(1.中國(guó)民航大學(xué) 機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津 300300； 2.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100081)

道面是機(jī)場(chǎng)的重要組成部分，其中絕大多數(shù)為水泥混凝土道面[1]。水泥混凝土道面最大的缺點(diǎn)是修補(bǔ)困難，如果道面發(fā)生破壞，出現(xiàn)板塊邊角斷裂、錯(cuò)臺(tái)、裂縫等，難以局部修復(fù)，需要換板。即使采用快凝早強(qiáng)水泥，也至少需8 h～10 h進(jìn)行施工。并且我國(guó)不少機(jī)場(chǎng)為單跑道運(yùn)行，隨著機(jī)場(chǎng)航空業(yè)務(wù)量的快速增長(zhǎng)，很多機(jī)場(chǎng)不具備停航維修條件。

因而，如何在不停航條件下實(shí)現(xiàn)道面的快速維修，降低更換道面板的成本，快速恢復(fù)道面結(jié)構(gòu)性能和功能性指標(biāo)成為擺在各個(gè)機(jī)場(chǎng)面前的共性問(wèn)題。而裝配式道面有可能是徹底解決上述問(wèn)題的有效手段。近年來(lái)，部分機(jī)場(chǎng)開(kāi)始應(yīng)用裝配式技術(shù)進(jìn)行破損道面的局部更換，裝配式道面板無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)，可有效減少機(jī)場(chǎng)停航時(shí)間。

但裝配式道面在民航機(jī)場(chǎng)的普遍應(yīng)用尚有許多理論與技術(shù)問(wèn)題需要解決。本文對(duì)裝配式道面的發(fā)展歷程、結(jié)構(gòu)體系類型、目前研究熱點(diǎn)及需要解決的問(wèn)題進(jìn)行了分析，旨在對(duì)裝配式道面的應(yīng)用及研究提供有益參考。

1 裝配式道面發(fā)展歷程

1930年，前蘇聯(lián)最早開(kāi)始將裝配式水泥混凝土技術(shù)應(yīng)用到機(jī)場(chǎng)領(lǐng)域[2]。美國(guó)相較于前蘇聯(lián)，起步較晚。二戰(zhàn)時(shí)，美國(guó)開(kāi)始研究有孔鋼板裝配式道面，并很快應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)[3]。

二戰(zhàn)后，隨著飛機(jī)制造業(yè)的快速發(fā)展，噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)投入使用，對(duì)道面板提出了更高的要求，相繼出現(xiàn)了鋁合金道面板、玻璃纖維道面板、預(yù)制的混凝土板等多種裝配式道面[4]。

1984年，Brabston[5]開(kāi)展了裝配式水泥混凝土道面的試驗(yàn)性研究，然而直到1990年代，裝配式水泥混凝土道面才得到道路工作者的重視。

1997年，Newcastle大學(xué)土木工程系J.W.Bull和C.H.Wooford[6]進(jìn)行了機(jī)場(chǎng)預(yù)制混凝土道面的有限元模擬分析。研究結(jié)果表明預(yù)制混凝土道面的使用壽命較長(zhǎng)，可作為機(jī)場(chǎng)的永久道面使用。

2001年，華盛頓杜勒斯國(guó)際機(jī)場(chǎng)[7]采用預(yù)制修復(fù)技術(shù)成功更換了3塊道面板，證明了該技術(shù)能在不停航的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)跑道的快速修復(fù)。

2020年，孫建軍等[2]對(duì)預(yù)制拼裝混凝土道面板的破壞防治進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，預(yù)制板鋪裝時(shí)與基層的貼合是否良好對(duì)道面使用壽命的影響很大。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，裝配式道面在機(jī)場(chǎng)快速修復(fù)和快速建造中優(yōu)勢(shì)明顯，因此得到了廣泛研究和應(yīng)用，已形成了多個(gè)種類的裝配式道面結(jié)構(gòu)體系。

2 裝配式道面的結(jié)構(gòu)體系

當(dāng)前裝配式道面包括鋼板裝配式道面、高強(qiáng)復(fù)合材料裝配式道面、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土裝配式道面及普通鋼筋混凝土裝配式道面4個(gè)體系。

2.1 鋼板裝配式道面

1940年，美軍率先研究出沖孔鋼板裝配式道面，并將其命名為M8馬斯頓墊[3]，如圖1所示。單塊馬斯頓墊的規(guī)格為：板長(zhǎng)3 m×寬0.38 m×厚約6 mm，重30 kg。每塊板均布有87個(gè)沖壓成型的加強(qiáng)孔可有效減輕重量，沖孔鋼板兩側(cè)有沖壓成型的卡扣用于板間的互鎖鋪裝，整個(gè)跑道利用卡扣將標(biāo)準(zhǔn)化的鋼板相互連接而成，如圖2所示。

圖1 M8馬斯頓墊

圖2 沖孔鋼板卡扣

隨著噴氣式戰(zhàn)機(jī)投入使用，由于沖孔的存在，M8道面難以滿足潔凈度的要求，美軍又研制出無(wú)孔鋼板道面。單板的尺寸與M8馬斯頓墊相同，相鄰道面板間通過(guò)鉸鏈連接，直接鋪裝在經(jīng)碾壓的土基上，其鋪裝施工如圖3所示。為便于運(yùn)輸及拆裝，隨后發(fā)展出了多邊形的馬斯頓墊，如圖4所示，其為六邊形，單塊板質(zhì)量更輕、運(yùn)輸更便捷，能更隨意地接拼鋪裝。

圖3 無(wú)孔鋼板裝配式道面鋪裝施工

鋼板裝配式道面有許多優(yōu)點(diǎn)，如建造、修復(fù)速度快，成本低，拆裝靈活，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，另外道面板材料還可循環(huán)使用。但鋼板裝配式道面也存在整體性較差、剛度小、道面變形大、承載強(qiáng)度不足等明顯的缺點(diǎn)，只能作為野戰(zhàn)機(jī)場(chǎng)的臨時(shí)道面。

圖4 六邊形馬斯頓墊

2.2 高強(qiáng)復(fù)合材料裝配式道面

20世紀(jì)40年代初，美國(guó)首先研制了玻璃鋼道面板并快速成為美軍道面快速修復(fù)的首選材料[8]。玻璃鋼道面板由玻璃纖維與樹(shù)脂復(fù)合而成，板塊之間用彈性鉸鏈連接。這種道面在修建時(shí)，要求土基的CBR值不小于4，然后在土基上鋪筑60 cm厚的碎石并用壓路機(jī)壓實(shí)整平后，即可鋪筑玻璃鋼道面板。隨著高分子材料的發(fā)展，超高分子量聚乙烯纖維、碳纖維和玻璃纖維的樹(shù)脂基高強(qiáng)復(fù)合材料道面板應(yīng)運(yùn)而生，材料性能再次得到提升。復(fù)合材料裝配式道面板的規(guī)格一般為：板寬1.8 m×長(zhǎng)9.0 m×厚約9.0 mm，重約151 kg，如圖5所示。

圖5 高強(qiáng)復(fù)合材料道面板人工鋪裝

高強(qiáng)復(fù)合材料裝配式道面有如下優(yōu)點(diǎn)：

1) 板幅較大，道面整體性較好。單個(gè)板塊長(zhǎng)度可達(dá)9 m，采用1.8 m的板寬也方便采用標(biāo)準(zhǔn)車運(yùn)輸。

2) 材料強(qiáng)度高、表面性能好。玻璃鋼的抗彎強(qiáng)度可達(dá)約198 MPa、樹(shù)脂基高強(qiáng)復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度可達(dá)約280 MPa；玻璃鋼和樹(shù)脂基高強(qiáng)復(fù)合材料道面板在有水膜條件下的摩擦系數(shù)可分別達(dá)到0.45～0.60及0.58；巴氏硬度可達(dá)40以上。

高強(qiáng)復(fù)合材料裝配式道面也有明顯的不足：

1) 板塊較大且自重較小，道面板與基層之間結(jié)合較差，需用高強(qiáng)度的螺栓將道面板固定在基層上。

2) 道面板剛度不足，道面變形較大、承載能力不高。

3) 道面板主材為高分子有機(jī)物，其耐火性及氣候穩(wěn)定性也有隱憂。

因此，高強(qiáng)復(fù)合材料裝配式道面只能用于應(yīng)急條件下臨時(shí)搶修工程。

2.3 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土裝配式道面

20世紀(jì)40年代后期，法國(guó)最先開(kāi)始研究預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土裝配式道面[9]。這種道面通過(guò)預(yù)先施加拉力，道面板的抗彎強(qiáng)度較高、耐久性較好，可適用于荷載等級(jí)較高的機(jī)場(chǎng)道面[10]。

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土道面的做法通常是在道面板中設(shè)置鋼絞線，然后對(duì)鋼絞線通過(guò)后張法施加預(yù)應(yīng)力，從而得到預(yù)應(yīng)力道面，道面板間設(shè)有分隔的膨脹縫。

1) 優(yōu)點(diǎn)

(1) 由于預(yù)應(yīng)力的作用[11]，道面板的板體性強(qiáng)，橫向開(kāi)裂得到改善，耐久性較好。

(2) 道面板間接縫嚴(yán)密，可有效減少唧泥、錯(cuò)臺(tái)等病害發(fā)生。

2) 不足

(1) 縱向預(yù)應(yīng)力對(duì)道面板橫向承載能力的影響不大，由于跑道寬度較寬，道面板常常處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力裝配式道面易產(chǎn)生縱向裂縫。

(2) 道面板的預(yù)拱度難確定，隨著混凝土徐變，道面的拱度會(huì)逐漸增大，若道面板的反拱度設(shè)置不合理，將導(dǎo)致道面平整度較差。

綜上，預(yù)應(yīng)力裝配式道面的理論體系仍不完善，世界各國(guó)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土裝配式道面的設(shè)計(jì)仍無(wú)統(tǒng)一的方法體系，離實(shí)際應(yīng)用還有一定距離。

2.4 普通鋼筋混凝土裝配式道面

1947年，法國(guó)在巴黎奧利機(jī)場(chǎng)最先開(kāi)始應(yīng)用裝配式水泥混凝土道面鋪裝技術(shù)。普通鋼筋混凝土裝配式道面，其水泥混凝土板在預(yù)制廠內(nèi)預(yù)制，然后通過(guò)載運(yùn)設(shè)備運(yùn)輸?shù)焦こ态F(xiàn)場(chǎng)，將其安裝到已整平的基層上，同時(shí)安裝相應(yīng)的裝配組件(接縫傳荷裝置、嵌縫料等)，并在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到開(kāi)放交通前的強(qiáng)度及使用性能要求而形成的一種鋪面形式，其施工速度快，廣泛應(yīng)用于荷載等級(jí)較高的機(jī)場(chǎng)道面。

相較上述其他3種裝配式道面體系，普通鋼筋混凝土裝配式道面具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 與鋼板裝配式道面相比，道面板的自重、剛度更大，承載力更高，能夠承受重型荷載的作用。

2) 與高強(qiáng)復(fù)合材料裝配式道面相比，水泥混凝土材料可承受飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴氣流的吹蝕，道面板的溫度穩(wěn)定性更好，耐久性更強(qiáng)[12]。

3) 與預(yù)應(yīng)力裝配式道面相比，普通鋼筋混凝土裝配式道面可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化施工，道面平整度更易于控制，且造價(jià)更低、初期投資更小[13]。

綜上，普通鋼筋混凝土裝配式道面作為一種新興的鋪面技術(shù)，若用于民航機(jī)場(chǎng)具有其他3種裝配式道面所不具備的優(yōu)點(diǎn)，是最適宜推廣的裝配式道面體系。

3 普通鋼筋混凝土裝配式道面的研究熱點(diǎn)及需解決的問(wèn)題

通過(guò)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，普通鋼筋混凝土裝配式道面是今后研究和發(fā)展的方向，其研究熱點(diǎn)和需解決的問(wèn)題如下。

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)及剛度優(yōu)化研究

為提高普通鋼筋混凝土裝配式道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性，需首先對(duì)道面結(jié)構(gòu)參數(shù)及剛度優(yōu)化進(jìn)行研究。主要包括道面板的尺寸、厚度、剛度等的合理范圍分析。目前，一些學(xué)者也做了部分研究工作。

柴震林等[14]利用有限元模擬分析了不同預(yù)制板尺寸和不同地基強(qiáng)度對(duì)修復(fù)后路面承載力的影響，結(jié)果表明，當(dāng)預(yù)制板的尺寸不小于原板的1/2時(shí)，修復(fù)后路面結(jié)構(gòu)的承載能力最好。

洪盛遠(yuǎn)等[15]利用有限元對(duì)預(yù)制板的尺寸、各結(jié)構(gòu)層的厚度和彈性模量等因素進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析，初步明確了預(yù)制塊道面各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)道面承載力的影響規(guī)律。

目前關(guān)于普通鋼筋混凝土裝配式道面結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究，僅初步探究了飛機(jī)荷載與溫度作用下，道面板的平面尺寸、各結(jié)構(gòu)層厚度和彈性模量等單一因素變化時(shí)，對(duì)道面板承載力的影響規(guī)律和影響程度，未充分考慮對(duì)其他結(jié)構(gòu)層的影響。同時(shí)也未探究在多因素共同變化的情況下，各結(jié)構(gòu)層的響應(yīng)情況。因此，目前的研究工作與實(shí)際應(yīng)用之間仍有一定的距離。在后期的研究中，可利用有限元模擬，通過(guò)改變上述參數(shù)，綜合考慮各結(jié)構(gòu)層的力學(xué)響應(yīng)，建立各結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力匹配圖，然后深入探究各結(jié)構(gòu)參數(shù)的相互匹配及剛度優(yōu)化，使整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加科學(xué)、合理。

3.2 調(diào)平及灌漿材料研究

為減小因基層局部不平整對(duì)預(yù)制道面板產(chǎn)生應(yīng)力集中的影響，需解決預(yù)制道面板與基層的結(jié)合問(wèn)題和預(yù)制板鋪裝后的平整度問(wèn)題。

為此，可在預(yù)制面層和基層間增設(shè)灌漿層[16]。灌漿層作為一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)層，灌漿材料自身的性能以及與相鄰結(jié)構(gòu)層的粘結(jié)程度等因素對(duì)整個(gè)道面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)都有很大影響。

朱懋江等[17]為探究裝配式道面中灌漿層的優(yōu)選問(wèn)題，設(shè)計(jì)了不同灌漿材料種類、板底粗糙度、灌漿厚度和基層結(jié)構(gòu)的正交試驗(yàn)方案，開(kāi)展了豎向靜態(tài)、疲勞加載和側(cè)向加載試驗(yàn)，結(jié)果表明，高強(qiáng)度無(wú)收縮灌漿材料與基層的粘結(jié)性能最佳。

目前，關(guān)于調(diào)平及灌漿材料的研究主要集中在材料的自身性能與施工質(zhì)量控制上，如灌漿材料的流動(dòng)性、彈性模量、配合比設(shè)計(jì)等方面，但對(duì)調(diào)平灌漿層在荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)仍缺乏系統(tǒng)研究，未明確在不同機(jī)型荷載作用下調(diào)平灌漿層厚度、模量等參數(shù)的合理范圍，后續(xù)研究中可利用有限元分析，在確定其他各層最優(yōu)參數(shù)的情況下，分別改變灌漿層的厚度和模量，然后根據(jù)面層和灌漿層的力學(xué)響應(yīng)，建立應(yīng)力匹配圖，進(jìn)一步確定灌漿層厚度和模量的合理范圍。

3.3 傳力及細(xì)部構(gòu)造研究

為提高道面的承載強(qiáng)度，道面板之間的連接及傳荷十分重要。對(duì)于現(xiàn)澆的水泥混凝土道面，板塊之間一般通過(guò)銷鍵(企口、拉桿、傳力桿)或骨料嵌鎖(假縫)傳荷。目前預(yù)制混凝土道面板的傳荷機(jī)構(gòu)主要有2種：企口榫卯和傳力桿。

1) 企口榫卯

企口榫卯拼接示意如圖6所示，預(yù)制板一端制作成凹槽，另一端做成凸榫。鋪裝時(shí)，將相鄰道面板凹槽與凸榫首尾相接，從而形成一個(gè)整體。

圖6 企口榫卯拼接示意

為保證預(yù)制板之間的舌槽搭接，采用企口榫卯傳荷方式對(duì)預(yù)制混凝土板的加工精度要求很高，必須嚴(yán)格控制混凝土澆筑模具的精度。同時(shí)，采用這種傳荷方式的預(yù)制道面板對(duì)現(xiàn)場(chǎng)組裝施工的精度要求也很高。此外，當(dāng)局部修復(fù)需更換部分板塊時(shí)，由于板塊間的榫卯咬合緊密，難以將道面板取出和放回，因此道面板的修復(fù)較為困難。

2) 傳力桿

傳力桿搭接示意如圖7所示，預(yù)制板一端設(shè)傳力桿，另一端設(shè)對(duì)應(yīng)的凹槽。鋪裝時(shí)，將帶凹槽的預(yù)制板放置在相鄰板塊的傳力桿上，從而將道面板連接成一個(gè)整體。

圖7 傳力桿搭接示意

為保證道面板間的荷載傳遞能力，采用傳力桿傳荷，對(duì)預(yù)制混凝土板的加工精度要求也很高，也必須嚴(yán)格控制混凝土澆筑的模具精度，以實(shí)現(xiàn)傳力桿槽和傳力桿的良好咬合。但相較企口榫卯，采用傳力桿傳荷，預(yù)制混凝土道面板的拆裝更方便，傳荷效果也更好。

上述2種常見(jiàn)的板間傳力機(jī)制傳荷能力不夠理想[18]，道面板的拆裝施工過(guò)程十分困難，與道面快速維護(hù)的要求尚有差距。因此需要研究新型的傳力機(jī)制，如“U形”傳力桿、齒輪推進(jìn)式傳力桿等?！癠形”傳力桿示意如圖8所示，在道面板四周預(yù)先均布1/4圓的預(yù)留孔，當(dāng)相鄰板拼裝在一起后，用半圓形即“U形”傳力桿將相鄰板連接在一起，然后再在接縫處嵌入膨脹密封膠，此種傳力機(jī)制構(gòu)造簡(jiǎn)單，道面板拆裝施工將非常便捷。齒輪推進(jìn)式傳力機(jī)制如圖9所示，在道面板中部預(yù)留孔洞，然后將帶齒條的傳力桿放入預(yù)留孔洞中，當(dāng)相鄰板拼裝在一起后，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)在板中放置帶有齒輪的豎向螺旋桿，利用螺旋傳動(dòng)的原理，將帶齒條的傳力桿送至相鄰道面板中，從而將道面板連成一個(gè)整體。采用齒輪推進(jìn)式傳力桿也將使道面板的拆裝、更換十分方便。

圖8 “U形”傳力桿示意

圖9 齒輪推進(jìn)式傳力機(jī)制

關(guān)于新型傳力機(jī)制的構(gòu)造參數(shù)，例如間距、傳力桿直徑、長(zhǎng)度等相關(guān)參數(shù)的確定，仍需開(kāi)展深入的理論與技術(shù)研究。

4 結(jié)論

1) 裝配式道面能夠滿足民航機(jī)場(chǎng)快速修復(fù)和快速建設(shè)的要求，雖然目前的研究成果與實(shí)際應(yīng)用推廣間仍有差距，但長(zhǎng)期來(lái)看裝配式道面具有廣闊的發(fā)展前景。

2) 普通鋼筋混凝土裝配式道面具有承載力高、溫度穩(wěn)定性好、平整度宜控制、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，是最適宜在民航機(jī)場(chǎng)推廣的裝配式道面體系。

3) 為促進(jìn)普通鋼筋混凝土裝配式道面的應(yīng)用和發(fā)展，仍需要在道面結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、調(diào)平灌漿層的力學(xué)響應(yīng)、新型傳力機(jī)制等方面加強(qiáng)研究。