民航机场水泥混凝土道面设计

民航机场水泥混凝土道面设计

民航机场水泥混凝土道面设计 1. 道面结构层组合设计 2 、 板厚设计（重点） 3 、分块设计 4 、接缝设计 5 、水泥混凝土加铺层设计 民用机场刚性道面设计内容： 根据机型、交通量大小、土基土质条件、水文地质情况、材料供应等情况，并结合当地自然环境等因素，初步确定面层、基层、垫层及土基等结构层类型、材料、厚度等，并进行技术经济分析比较。 见 《 民用机场飞行区水泥混凝土道面面层施工技术规范 》( MH5006-2002) 将水泥混凝土道面分割成有限尺寸板，以减小混凝土内部的温度应力，防止混凝土道面出现断裂。 分块原则： 1 ）正方形或接近正方形，矩形板的长宽比 1.25 ： 1 ～ 1 ： 1 ，板宽 4-6m 。 2 ）平面尺寸种类不宜过多，以减少模板种类，便于施工。 3 ）规则板的尺寸应与跑道、滑行道、停机坪等尺寸协调。 4 ）双面坡跑道的中心线应与纵缝重合，切忌将跑道中心线位于板中。 5 ）滑行道、联络道上的板，应保证使用该机场主要飞机的主轮位于板的中部 6 ）分块接缝宜采用 “ 井 ” 字形。 把独立的板块用适当形式的接缝联结为一个整体，使板间提供足够的传递荷载的能力，从而提高道面的整体强度。 按功能划分：缩缝、胀缝、传力杆缝和拉杆接缝。 按接缝形式：企口缝、平缝和假缝。 道面出现严重缺陷、功能下降；或随着交通量增加，当初设计的加道面强度不能满足使用要求时，需要进行加铺。 内容 一、道面结构层组合设计 二、普通混凝土板厚计算 三、分块设计 四、接缝设计 五、水泥混凝土加铺层设计 六、其他设计方法简介及进展 面 层 基 层 垫 层 压 实 土 基 道面结构层 指根据机型、交通量大小、土基土质条件、水文地质情况、材料供应等情况，并结合当地自然环境等因素，初步确定面层、基层、垫层及土基等结构层类型、材料、厚度等，并进行技术经济分析比较 一、土基 要求土基干燥、密实、有足够的承载强度及水稳定性。 路基干燥状态？ 密实程度衡量？ 承载强度衡量？ 表 4-2 土基干湿类型划分 土基干湿类型 砂质土 粘质土 粉质土 干燥 中湿 潮湿 过湿 稠度 表 4-3 道床最小强度要求 填挖类型 土基顶面 以下深度（ m ） 填料最小强度（ CBR ） (%) 飞行区指标 Ⅱ A 、 B C 、 D 、 E 、 F 填方 0 ～ 0.3 6 8 0.3 ～ 0.8 4 5 挖方及零填 0 ～ 0.3 6 8 0.3 ～ 0.8 / 4 表 4-4 道床最小压实度要求 填挖类型 土基顶面 以下深度（ m ） 压实度（ % ） 飞行区指标 Ⅱ A 、 B C 、 D 、 E 、 F 填方 0 ～ 0.3 95 96 0.3 ～ 0.8 95 96 挖方及零填 0 ～ 0.3 94 96 0.3 ～ 0.8 / 94 表 4-5 土基填方压实度标准 土基顶面以下深度 压实度（ % ） 飞行区指标 Ⅱ A 、 B C 、 D 、 E 、 F 0.8 ～ 4.0 94 95 4.0 以下 92 93 二、垫层 什么情况下设垫层？ 水、温或土质状况不良的地区 ； 表 4-6 最小防冻层厚度 土基干湿类型 土基土质 当地最大冻深（ m ） 0.50 ～ 1.00 1.01 ～ 1.50 1.51 ～ 2.00 >2.00 中湿地段 低、中、高液限粘土 0.30 ～ 0.50 0.40 ～ 0.60 0.50 ～ 0.70 0.60 ～ 0.95 粉土，粉质低、中液限粘土 0.40 ～ 0.65 0.50 ～ 0.80 0.60 ～ 0.95 0.70 ～ 1.20 潮湿地段 低、中、高液限粘土 0.40 ～ 0.65 0.50 ～ 0.80 0.60 ～ 1.10 0.75 ～ 1.30 粉土，粉质低、中液限粘土 0.50 ～ 0.80 0.60 ～ 0.90 0.80 ～ 1.20 0.90 ～ 1.50 最小防冻层厚度与土基干湿类型、土质及当地最大冻深有关 道面结构总厚度 不满足最小防冻层厚度。 垫层材料： 可采用颗粒材料（砂、砂砾、碎石、炉渣、山皮石、混渣、分解稳定的钢渣等），也可采用石灰、粉煤灰稳定土或水泥稳定土等。 压实度：比基层要求稍低。 三、水泥混凝土道面板 ------ 机轮荷载主要靠道面板承受及扩散，主要受力构件。 材料要求： 高强度、抗腐蚀、耐磨、抗冻（寒冷地区年最低月平均气温 0 ～ -10℃ 的地区，道面混凝土抗冻标号应不低于 F200 ；年最低月平均气温小于 -10℃ 的地区，道面混凝土抗冻标号应不低于 F300 ）； 厚度要求： 新建道面水泥混凝土板的厚度，飞行区指标 Ⅱ 为 A 、 B 时不应小于 200mm ，飞行区指标 Ⅱ 为 C 、 D 、 E 、 F 时不应小于 240mm 。 施工要求：纹理、刻槽 五、道肩 ------ 保护飞机发动机；保护道面板、车辆交通、防止杂草遮掩灯。 跑道横断面图 内容 一、道面结构层组合设计 二、普通混凝土板厚计算 三、分块设计 四、接缝设计 五、水泥混凝土加铺层设计 六、其他设计方法简介及进展 要点： 1 、 临界荷位 ：主起落架机轮位于半无限大板自由边的边缘（在板底产生的弯拉应力最大）。 2 、采用“ 板边弯矩影响图 ”计算多轮荷载产生的荷载应力； 3 、接缝传荷系数采用 0.25 （考虑实际道面接缝情况，近似认为 25% 的荷载传到邻板上）； 4 、根据混凝土的疲劳方程分别确定各种飞机容许作用次数 N ei ，设计的板厚应使各机型叠加的 疲劳程度比等于 1 左右。 一、设计参数 二、新修道面厚度计算 三、道面减薄 四、板厚设计例题 1. 设计荷载 2. 设计年限 3. 累计作用次数 4. 土基反应模量 k 0 5. 基层顶面反应模量 k j 6. 水泥混凝土设计强度 f cm 、弯拉弹性模量 E c 及泊松比 u c 一、设计参数 设计飞机主起落架上的轮载 1. 设计荷载 - 飞机主起落架上的轮载（ KN ）； - 飞机重量（ KN ）； - 主起落架荷载分配系数； - 主起落架个数； - 一个主起落架的轮子数 2. 设计年限 水泥混凝土道面设计寿命宜为 30 年，也可按特定使用要求确定。 3. 累计作用次数 n e — 设计年限内某机型累计作用次数； W T — 飞机主起落架一个轮印宽度 (mm) ； n w — 一个主起落架的轮子数 T— 通行宽度 (m) ，是指飞机主起落架 75% 轮迹所占的宽度，可取 2.3m ； N s — 设计年限内该飞机年均运行次数，根据调查和预测确定； t — 设计年限，水泥混凝土道面的设计年限宜采用 30 年，也可按特定使用要求确定。 4. 土基反应模量 k 0 试验方法 测试设备：承载板直径 D=76cm 。 k 值与承载板直径也有关， D 越小， k 越大，但当 D≧76cm 时， k 趋于稳定。 测试方法：采用一次加载法分级逐级加载，得到 P- l 曲线。 K 0 取值：软基，取 l =1.27mm ；坚硬地基，取 P=0.07MPa 时的值。 不利季节修正： 5. 基层顶面反应模量 k j 可根据土基反应模量 k 0 和基层当量厚度 h je 查图确定。 基层当量厚度 h je 由基层各材料层厚度乘以其当量系数相加而得。 材料名称 当量系数 材料名称 当量系数 天然砂砾 0.6 ～ 0.9 石灰粉煤灰碎（砾）石 1.2 ～ 1.4 混石 0.6 ～ 0.8 水泥砂砾 1.2 ～ 1.4 级配碎（砾）石 0.8 ～ 1.0 水泥碎石 1.3 ～ 1.5 干压碎石（填隙碎石） 0.9 ～ 1.1 沥青碎石 1.3 ～ 1.5 石灰土 0.9 ～ 1.3 沥青混凝土 1.6 ～ 1.8 二灰土 1.0 ～ 1.3 贫混凝土 1.6 ～ 1.8 石灰碎（砾）石土 1.1 ～ 1.3 碾压混凝土 1.8 ～ 2.0 6. 水泥混凝土设计强度 f cm 、弯拉弹性模量 E c 及泊松比 u c 设计强度 ƒ cm (MPa) 4.5 5.0 5.5 弯拉弹性模量 Ec(MPa) 36000 37000 38000 水泥混凝土弯拉弹性模量 飞行区指标 Ⅱ 为 A 、 B 的机场，其水泥混凝土设计强度不应低于 4.5MPa ； 飞行区指标 Ⅱ 为 C 、 D 、 E 、 F 的机场，其水泥混凝土设计强度不应低于 5.0MPa 。 准备数据： 1 、交通调查及预测。确定机型（ m 种）及相应的年均运行次数 Ns ； 2 、土基模量 k0→ 基顶模量 kj 。 拟定板厚 h 第 1 种机型 ne1 板边弯矩影响图→ Me1 →σe1 → σp1 第 2 种机型 ne2 板边弯矩影响图→ Me2 →σe2 → σp2 第 m 种机型 ne 板边弯矩影响图→ Me2 →σe2 → σp2 NO OK h 二、新修道面厚度计算 1 、临界荷位 临界荷位为飞机荷载在半无限大弹性地基板内产生最大弯拉应力时的荷载位置，一般为机轮位于板缝处且与板缝相切或成垂直的位置，具体要通过计算确定。 2 、轮印计算 L T — 轮印长度 (mm) ； W T— 轮印宽度 (mm) ； P t — 主起落架上的轮载 (kN) ； q — 飞机主起落架轮胎压力 (MPa) 。 3 、混凝土道面板刚度半径 － Winkler 地基板的相对刚度半径 4 、板边弯矩及应力计算 －板边弯矩影响图法 根据板边弯矩影像图中比例尺，在透明质上绘制一个轮印： 按照上述比例尺将一个起落架按照比例（轮距）绘制在透明质上： 0 点 板边弯矩影响图 1951 年 G. 皮克特和 G.K. 雷将 H.M.S. 韦斯特加德和 A.H.A. 霍格的理论公式 , 制成 24 张影响图 ，其中最有用的为板边弯矩影响图和板中弯矩影响图。 将带有轮印的透明纸 0 点与板边弯矩影响图 0 点叠合，数轮印覆盖格数 N b ： 板 边 弯 矩 板边应力 考虑接缝传荷能力的影响 5 、根据各机型的计算应力计算容许作用次数 6 、板厚验算 三、道面减薄 跑道端部、平行滑行道以及其它主要滑行道可采用相同的混凝土板厚度。 跑道宽度不小于 45m 并且设有平行滑行道时，跑道中段（距离跑道两端入口的距离不小于 800m 的范围）的混凝土板可减薄至跑道端部混凝土板厚度的 0.9 倍。 跑道宽度不小于 45m 并且设有平行滑行道时，跑道横断面两侧的混凝土板经技术经济比较可适当减薄，并满足以下要求： (1) 距跑道中心线 0.3 倍跑道宽度范围内不应减薄； (2) 在有滑行道或者规划滑行道穿越处，减薄后的混凝土板厚度不应小于相连接的滑行道混凝土板厚度； (3) 两侧混凝土板减薄后的厚度不应小于同一横断面处中部混凝土板厚度的 0.8 倍； (4) 两侧混凝土板的减薄应采用一块或两块过渡板，不应突变，并且减薄后基层顶面应有坡向跑道外侧的横坡。 四、板厚设计例题 内容 一、道面结构层组合设计 二、普通混凝土板厚计算 三、分块设计 四、接缝设计 五、水泥混凝土加铺层设计 六、其他设计方法简介及进展 1 、基本要求 水泥混凝土板宜具有矩形。矩形板的平面尺寸变化宜尽量减少。 位于边、角及弯道处的非矩形板，其短边长不宜小于 1m ，板角不宜成锐角或大于 180° 的角。 分块裂缝不应错缝，在道面交接、交叉处出现错缝时，应采取胀缝或平缝隔开。 滑行道的分块宜使主要飞机的主起落架在板的中部通过。 双面坡跑道的中心线应与纵缝重合，切忌将跑道中心线位于板中。 2 、板的平面尺寸 板的平面尺寸应根据当地气温、板厚、所采用的集料和施工工艺确定。矩形板板宽宜取 4 ～ 5m ，板宽与板长之比以 1:1 ～ 1:1.25 为宜。板长不宜小于 3m 。厚度小于 250mm 的板，板长不宜超过 5m ；厚度等于或大于 250mm 的板，板长不宜超过 6m 。 当遇到下列情况时应采用钢筋混凝土板。 (1) 板的平面尺寸超过了上述规定的尺寸； (2) 板下埋有排水管沟或其他设施，使板内可能产生应力集中而造成板的破坏； (3) 预计基础可能产生不均匀沉陷或在不良地质条件的地段。 3 、道肩分块 当采用现浇水泥混凝土作道肩面层时，其分块应视道肩宽度以及相邻道面板的分块尺寸而定，尺寸以 1.5 ～ 3m 为宜。分块宜接近或为正方形。 一、道面结构层组合设计 二、普通混凝土板厚计算 三、分块设计 四、接缝设计 五、水泥混凝土加铺层设计 六、其他设计方法简介及进展 内容 接缝的作用 隔离（避免不规则断裂、施工）； 连接（将板块连接成一个整体，共同受力）； 密封（防止漏水） 按照方向分：纵缝 (longitudinal joint) 、横缝 (transverse joint) 按照功能：施工缝 (construction joint) 、胀缝 (expansion joint) 、缩缝 (contraction joints) 。 接缝传荷方式：骨料嵌锁 (aggregate interlocking) 缝、销键 (artificial shear key) 缝 - 企口、传力杆 (dowel bar) 、拉杆。 接缝种类 (1) 纵向施工缝（企口缝） 接缝构造 飞行区指标 Ⅱ 为 C 、 D 、 E 的机场：其跑道中间三条纵向施工缝、滑行道中间三条纵向施工缝 飞行区指标 Ⅱ 为 F 的机场（跑道宽度为 60m ）：其跑道中间五条纵向施工缝、滑行道中间三条纵向施工缝。 板厚中央设置拉杆；先铺筑混凝土板凸榫的一边，拆模后形成阳企口； 槽宽度可采用 8mm 。缝槽下部应设置直径不小于 10mm 的垫条，垫条可采用泡沫塑料或性能满足使用要求的其它材料 (2) 横向缩缝 1— 填缝料 ; 2— 垫条； 3— 下部锯缝 ; 4— 传力杆涂沥青端； 5— 传力杆 假缝 ，槽宽度可采用 8mm ，缝槽下部应设置直径不小于 10mm 的垫条 ； 在下列假缝内，宜在板厚中央加设传力杆： 1) 未设胀缝跑道及平行滑行道两端各 100mm 范围内的假缝； 2) 邻近道面自由端的三条假缝； 3) 紧邻胀缝的三条假缝； 4) 钢筋混凝土的假缝。 (3) 胀缝 道面与房屋、排水结构等固定构造物相接处，应设置胀缝。在道面交接、交叉及弯道处也可设置胀缝。 真缝 ，槽宽度可采用 20-25mm ，缝槽下部应设置涨缝板 ； 1— 传力杆； 2— 填缝料； 3— 胀缝板； 4— 传力杆涂沥青端； 5— 长 100mm 套筒（留 30mm 空隙填以泡沫塑料、纱头等）； 6— 主筋； 7— 箍筋； 8— 道面或其它构筑物 (4) 横向施工缝 结束施工、或因机械故障、停电及天气等原因中断混凝土混合料铺筑时 设置； 设在缩缝或胀缝处；设在缩缝处的横向施工缝，宜采用平缝加传力杆型 ；设在胀缝处的施工缝与涨缝相同。 严禁施工缝设在道面宽度的同一断面位置上 , 相邻板的横向施工缝应至少错开一至两块混凝土板。 施工方法：模板钻孔 →浇筑一半混凝土、振捣→安放传力杆→浇筑另一半混凝土 1— 传力杆涂沥青端； 2— 填缝料； 3— 传力杆 横向施工缝 (5) 交接平缩缝 在道面交接、交叉及弯道处不设胀缝时，应设置交接平缩缝。 1— 主筋； 2— 箍筋； 3— 填缝料 (6) 接缝倒角 (7) 道肩接缝 (8) 拉杆 拉杆为螺纹钢。 拉杆应垂直于混凝土板的中线、平行于道面表面并位于板厚的中央。拉杆间距以 500 ～ 900mm 为宜，最外边的拉杆距接缝或自由边的距离可采用 250 ～ 350mm 。 面积及长度计算确定。 拉杆钢筋面积 拉杆长度 (9) 传力杆 采用光圆钢筋 、应注意拉直、切口毛茬打光； 传力杆一端长度的一半再加 50mm 范围内表面应均匀涂刷一层沥青或加塑料套，沥青厚度为 1mm ，不宜过厚，并应在沥青表面洒一层滑石粉，以防传力杆沥青间相互粘结。胀缝处的传力杆，尚应在涂沥青一端加套筒，内留空隙，填以泡沫塑料、纱头等。套筒端应在相邻板中交错布置。 板厚（ mm ） 直径（ mm ） 最小长度（ mm ） 最大间距（ mm ） 210 ～ 250 25 450 300 260 ～ 300 30 500 300 310 ～ 350 32 500 350 360 ～ 400 35 500 350 410 ～ 450 38 550 400 460 ～ 500 40 600 400 传力杆尺寸及间距 接缝材料 (1) 胀缝板 胀缝板应采选用能适应混凝土板的膨胀和收缩、施工时不变形、耐久性良好的材料。可采用的材料有聚乙烯泡沫塑料板、泡沫橡胶板、泡沫树脂板等。 (2) 填缝料 要求：与混凝土表面粘结牢固、回弹性好、能适应混凝土板的胀缩、不溶于水、不透水、高温时不溢出、低温时不脆裂的耐久性材料。 宜用：硅酮类、聚硫类、聚（氨）脂类或复合改性的橡胶沥青灌缝胶等优质灌缝材料；不宜使用胶泥类、常规热沥青、沥青玛蹄脂和氯丁橡胶等材料，不得使用接缝板和预制嵌缝条。 设有倒角的接缝以及刻槽道面与槽相垂直的接缝，其填缝料表面宜低于道面表面 6 ～ 8mm ，其余接缝的填缝料表面宜低于道面表面 2 ～ 5mm 。 内容 一、道面结构层组合设计 二、普通混凝土板厚计算 三、分块设计 四、接缝设计 五、水泥混凝土加铺层设计 六、其他设计方法简介及进展 为什么加铺？ 1 、承载力不足； 2 、道面表面性能下降。 可能遇到的加铺情况？ “ 原水泥混凝土道面加铺水泥混凝土面层” “原沥青混凝土道面加铺水泥混凝土面层” “原水泥混凝土道面加铺沥青混凝土面层” “原沥青混凝土道面加铺沥青混凝土面层” 将原沥青混凝土道面看做基层或垫层，按照新建水泥混凝土道面的方法进行设计，但设计中采用的基顶反应模量不得超过 136MN/m3 。 隔离式加铺层 部分结合式或直接式加铺层 结合式或整体式加铺层 ？根据旧道面的状况等级确定！ 当旧混凝土道面的状况等级为良、中、差级，或接缝布置、道面坡度与加铺层不一致时，应采用隔离层加铺层（在原水泥混凝土道面上铺设油毡、沥青砂或沥青混凝土等稳定性好的整平层（分离层）后再铺混凝土加铺层，使新旧面层完全隔开 ）。 当旧混凝土道面的状况等级为优，且加铺层的接缝布置均与旧道面一致时，可采用部分结合式加铺层（旧混凝土道面板清理后直接在上面铺设混凝土加铺层，而不采取粘接措施 ） 。 结合式加铺层对原道面的结构状况要求最高，结合材料和施工工艺均难以达到要求，根据以往经验，不宜采用结合式加铺层结构形式。 流程图 道面调查 道面状况等级 PCI 确定（道面评价） 加铺形式的确定（部分结合式、隔离式），道面处理 依据加铺层混凝土强度等级，按照新道面计算道面板厚度 h f 加铺的厚度 部分结合式 隔离式 加铺的厚度 新、旧混凝土弯拉强度差值 : ≤0.7MPa >0.7MPa 时 ≤0.7MPa >0.7MPa 时 某支线机场拥有一条旧跑道，长 2500m ，宽 45m ，跑道两端各有长 400m 的水泥混凝土道面厚度 0.20m ，中间 1700m 长的道面厚度为 0.18m 。道面结构层次从上到下依次为： 18 ～ 20cm 厚抗折强度为 4.5MPa 的水泥混凝土面层、 2cm 后的碎石找平层、 20cm 厚的手摆块石基层。该跑道已经达到设计寿命，道面状况指数 PCI 为 60 ，拟进行水泥混凝土加铺，设计道面使用寿命为 30 年。使用该道面的机型为 B737-300 ，设计最大起飞重量 539.0KN 、最大着陆重量 507.09KN 。经交通量预估，设计年限内平均每天飞机航班为 5.5 架次。 采用的加铺层混凝土设计弯拉强度 f cm =5.0MPa ，混凝土弯拉弹性模量 E c =3.6×10 4 MPa ，混凝土泊松比 V c =0.15 。经测试，现有跑道基层顶面反应模量为 69MN/m3 。跑道通行宽度 T 取 11.4m 。 求：需要加铺的水泥混凝土厚度。 练习 内容 一、道面结构层组合设计 二、普通混凝土板厚计算 三、分块设计 四、接缝设计 五、水泥混凝土加铺层设计 六、其他设计方法简介及进展 要点： 1 、基于板边加载 2 、假设 25% 的板边传荷系数 3 、采用年起飞架次概念（ annual depature ） 4 、假设 20 年设计寿命 5 、采用设计飞机概念。 一、 FAA(Federal Aviation Administration) 方法 FAA 设计流程 确定设计（关键）机型→查图 当量起飞架次换算（起落架构型换算；单轮荷载换算 ） 按照设计机型进行道面厚度 h 计算 分块设计 Concrete flexural strength, f b Subgrade modulus, k Aircraft Gross weight, W Aircraft Annual Departure, N Pavement Thickness, t CF To From Type S D DT TT DDT S 1 0.8 0.5 0.3 - D 1.3 1 0.6 0.4 - DT 2 1.7 1 0.6 - TT 3.3 2.5 1.7 1 - DDT - 1.7 1 0.6 1 R 2 =CF×Forest Annual departure 要点： 基于板中加载，假设板边连续（即道面板为弹性地基上无限大薄板），又分两种方法。第一种是允许应力法（ working stress method ）；第二种叫疲劳分析方法 (Fatigue concept method) 。 二、 PCA(Portland Cement Association) 方法 （ 1 ）容许应力法 （ 2 ）疲劳分析法 AD i －为飞机的实际年起飞架次； LRF i －为 i 机型的通过荷载重复比例系数（ Pass To Load Repetation Ratio ) ，比如 LRF i =3.6 说明该型飞机通过 3.6 次才产生一次疲劳荷载，此值由飞机厂商提供。 LR i －服务期内 i 机型实际产生的疲劳应力次数； t 为开始设计时假定的道面板厚度； 抛弃设计曲线； 有限元方法。 FAA Rigid Pavement design(AC150/5320-6D) 三、 机场道面设计进展 中国民航大学开发