苏尔好
（上海华东民航机场建设监理有限公司，上海200335）
[摘要]接缝病害是机场水泥混凝土道面的常见病害，对运行安全和道面美观都有显著影响。以浦东机场第三跑道工程为依托，提出了接缝倒角技术。通过采用有限元软件进行数值模拟，揭示了接缝倒角技术的作用机理。对浦东机场第三跑道投入运行1年的监测数据表明：接缝倒角可有效减少接缝病害的产生，同时不会影响道面的摩擦系数，且接缝倒角带来的经济效益显著大于增加的工程成本。
[关键词]机场；水泥混凝土道面；接缝倒角；有限元分析
[中图分类号]U416. 216 [文章编号]1002-8498(2016)11-0058-03
0 引言
机场水泥混凝土道面以强度高、日常养护量小、使用年限长、取材方便等优点而成为中国机场主要采用的道面类型。据统计，我国水泥混凝土道面占87%。但接缝位置作为道面结构最薄弱的部位，常出现拱起、错台、唧泥、接缝破碎、接缝断裂、接缝剥落等病害，严重影响了道面的运行安全和使用寿命（见图1）。资料显示，机场水泥混凝土道面病害中，与接缝相关的病害通常占总量的60%以上。
对接缝病害产生的区域位置规律进行统计，得出以下3个部位的道面接缝病害出现频率最大：①主要轮迹带范围；②联络道端部；③胀缝。
从接缝病害产生时间来看，道面使用早期（2年以内）最容易集中出现接缝病害。其主要原因是接缝处为道面最薄弱部位，在施工、养护、切缝时易造成内部损伤，经荷载作用后很快就出现破损。
针对这一问题，科研人员通过自主创新提出接缝倒角理论，并自主研发了集扩缝与倒角施工一体化设备，成功应用于浦东机场第三跑道建设中。通过将接缝断面由直角打磨成圆弧形，不仅大大降低了接缝病害的数量，还可提升道面的美观性。
1接缝倒角的技术原理
传统接缝槽口一般为直角形状（见图2a）。对于直角形状的接缝槽口，在槽口直角尖端处的混凝土受飞机轮载和温度梯度的作用，会产生明显的应力集中现象。而且在切缝施工过程中，不可避免地会对接缝边角造成损伤。因此，接缝处的水泥混凝土是道面最薄弱部位，也是病害最多的部位。
为了缓解接缝槽口处的混凝土破碎，最早由国外进行了相关探索，将槽口的直角进行倒角，使得接缝槽口与道面表面以圆弧或斜线过渡，如图2b，2c所示。图中还标明了不同的槽口形状可能发生的破坏模式。
为了验证不同槽口形式的优劣，项目组采用有限元方法，通过数值模拟，分析了不同槽口形式下接缝处混凝土的受力模式。圆弧形槽口的接缝有限元模型如图3所示。
共分析了4种槽口形式：直角、斜角、圆角、椭圆角。其中，斜角切缝分为边长4，6mm两种情况，圆角切缝分为半径4，6mm两种情况，共为6种工况。分析工况如图4所示，分析结论如下。
1)从接缝处混凝土的受力状况看，不同槽口形式有显著区别。圆角槽口受力模式最佳，椭圆次之，直角最差。
2)圆角槽口有半径4，6mm两种尺寸，两种尺寸受力状况较为接近，其中6mm略好。从施工角度，6mm尺寸更大，更宜控制施工变异性，因此6mm尺寸最佳。
3)圆角槽口与直角槽口最显著的区别为：在轮载作用下，直角槽口的混凝土呈受拉状态，而圆角槽口的混凝土呈受压状态。混凝土材料具有高抗压、低抗拉的受力特性。因此，圆角槽口的受力模式更优。
2接缝倒角技术的应用效果
接缝倒角技术在我国首次应用是在浦东机场第三跑道。为了科学评价接缝倒角技术的应用效果，相关人员对跑道投入使用的第1年进行了相关监测，具体情况如下。
2.1 对接缝病害的防治效果
统计了浦东机场第三跑道在投入使用第1年的所有接缝病害数量，共28处。而浦东机场第二跑道在投入使用第1年内接缝病害数量为187处。从绝对数量来看，下降了85%。分析原因，一方面，通过多年的技术进步，施工工艺和质量有了一定程度的提高，但水泥混凝土施工工艺已相当成熟，这方面影响有限；另一方面，则是由于接缝倒角技术的应用。因此，接缝倒角对减少道面接缝病害的效果非常显著。
2.2 对道面摩擦系数的影响
在最早讨论是否应用接缝倒角技术时，机场方较为担心是否会影响道面摩擦系数。因为抗滑性能是影响道面使用安全的关键指标，我国对道面摩擦系数有严格规定。道面摩擦系数<0.3时需关闭跑道。而接缝倒角后接缝处看起来更加光滑，是否会对道面摩擦系数产生显著影响不得而知。
浦东机场第三跑道运行第1年的摩擦系数测试结果如图5所示。从多次测试数据来看，道面摩擦系数一直在0.6以上，完全能够满足机场的运行安全需要。
2.3经济性分析
接缝倒角是一项新的工艺，相对于传统的直角接缝更加复杂，也会增加工程造价。而接缝倒角可以减少道面接缝的数量，从而降低维护成本。从经济角度来考虑，如果成本增加太多，会对工艺的推广带来障碍。为此，项目组对接缝倒角的经济性进行了系统分析。
1)成本增加 工程成本主要有施工机具费（切缝机、锯片）、人工费、其他费用（水电、燃油等）。新型倒角工艺与传统直角切缝工艺的工程成本费用分析如表1所示。由表1中数据可知，直角切缝工艺的工程成本为9元/m，而圆形倒角切缝的工程成本为11. 41元/m，成本增加了2.41元/m。总施工长度为5万m，增加的工程费用总计为12. 05万元。
2)维护成本减少根据对我国30年机场水泥混凝土道面的损坏状态调查统计结果发现，道面在使用过程中发生损坏的接缝数量占接缝总数的30%左右。国内外的工程经验表明，采取倒角措施后，接缝损坏量可降低50%~70%。因此，保守估计，浦东机场第三跑道采用倒角工艺，道面接缝损坏率将降低15%左右。跑道横缝长5万m，每条横缝长5m，共1万条横缝。相应地减少接缝损坏维修量1 500处。按上海某机场实际维护费用考虑，每处病害维护费用在200元左右，因此可减少维护成本30万元左右。
3)间接经济效益和社会效益 跑道道面出现接缝病害须及时修复。对于类似于浦东国际机场的繁忙机场，航班密度大，维护时间短。若通航时间内道面出现损坏，会直接影响飞机的通行安全，严重时甚至要关闭跑道。一旦出现这种情况，会造成航班延误等一系列问题。接缝倒角技术能大大减少接缝病害的发生概率，将这种风险降到最低。因此，切缝倒角工艺还具有显著的间接经济效益和社会效益。
3结语
1)接缝病害是机场水泥混凝土道面常见病害，通过接缝倒角可有效减少接缝病害的产生。
2)采用有限元软件数值模拟，分析了直角、斜角、圆角、椭圆角4种槽口形式的接缝受力状态。其中，以圆角槽口受力模式最佳，椭圆次之，直角最差。
3)采用接缝倒角工艺后，浦东机场第三跑道运行第1年接缝病害数量下降85%，表明接缝倒角可有效缓解接缝病害的产生。
4)通过对浦东机场第三跑道摩擦系数的监测表明，接缝倒角不会降低道面摩擦系数。
5)通过对接缝倒角工艺的经济性分析表明，接缝倒角降低的道面维护成本显著大于工程造价增加的成本，且可产生显著的间接经济效益和社会效益。
6)从经济、技术上考虑，接缝倒角是一种先进的、适用的新型施工工艺，具有很好的推广意义。
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