中铁北京工程局集团有限公司机场工程分公司 北京 102300
摘要：温度应力的长期作用可造成水泥混凝土道面结构强度和刚度的下降，严重时会导致结构开裂，因此温度应力对水泥混凝土道面承载能力和使用寿命的影响不容忽视。目前，对混凝土道面温度应力的研究较多，理论计算已较为成熟和深入。但由于计算基本假定与实际情况存在一定的偏差，因而开展现场道面板温度变形试验研究是极为必要的。
本人于2016年，在学校导师的支持下，选取天津滨海国际机场机坪区道面板为试验研究对象，应用光纤光栅传感器测量路面及路基内部的温度场与温度应变。采用ABAQUS有限元软件对不同温度条件下道面结构温度变形响应开展仿真计算，并与实测结果进行对比，以获得有价值的分析结论。
研究结果表明：（1）试验实测的路面结构温度应变具有明显的滞回变化特征，单日最大变形水平达到120个微应变，滞回曲线规律与仿真结果较为一致；（2）对比板内相邻测点结果，距离板边接缝位置越远应变幅度越大，且在板跨中部达到最大值，两侧呈现近似对称分布特征；（3）采用二维平面分析模型可较好的模拟实际路面及路基内部的变温过程。所得温度应力结果与理论计算有较好的一致性，可用于工程实际分析。
关键词：机场场道；ABAQUS有限元；温度应力；航空运输量管控
引言
水泥混凝土具有刚度大、抗压能力强；抗弯拉强度高、使用寿命长；耐久性、耐磨性较好，可不设路缘石；耐腐蚀性强，施工机械化程度较高等优点。目前已被绝大多数高等级公路，机场所采用。温度应力是影响混凝土道面使用寿命的重要参数之一，尤其是机场跑道板厚设计中并没有考虑到温度应力的影响，在我国北方地区，昼夜温差较大，温度应力很可能会产生较大影响。混凝土板内的温度应力变化较为复杂，影响因素很多。
1试验过程
1.1试验设计
为了验证ABAQUS有限元软件模拟结果可靠性，试验采取FBG温度传感器及温度应力传感器分别采集温度及温度应力实测数据。试验板尺寸为4m 4m，试验前对该路段钻芯取样，发现混凝土板浇筑质量良好，板块基本完整，没有破损和断裂等病害，板厚约为0.27m，有利于试验后期的数值模拟和结果分析。
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（a）测点布置立体图 （b）测点布置剖面图
图1-1 测点布置示意图
为了达到试验目的，对测温点及测应变点布置如图1-1所示：我们在选取道面板后，为了避免传感器不可预知的损坏对试验造成影响，同时也为了研究板内不同深度的温度应变，我们埋设两组应变传感器。与此同时开一个纵向的测温度孔。应变的测点由每道槽的中点开始向两侧对称布置，各个测点间距为60cm，每道槽设5个测点。左侧的传感器串位置定在板面以下3cm处；右侧传感器串位于板面以下13cm（板中性轴以上）处。各个测点利用槽钢钢衬进行定位，选取槽钢钢衬的原因一方面是其较混凝土刚性较小，埋入地下后不影响混凝土的变形；另一方面槽钢能够与混凝土嵌固良好，可以协同混凝土共同变形。对于测温孔，测点深度布置在板面下3cm，18cm，33cm，48cm，63cm，78cm处。其中前两个传感器位于混凝土板内；18cm传感器位于碎石垫层内；其余3个传感器位于土基内。温度传感器利用简易的钢筋笼进行定位。
1.2数据采集
试验日期及相关信息如下表所示：
表1-1 数据采集情况
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2温度场结果分析
2.1 建立温度场模型
如图2-1所示：划分网格前如图2-1a所示，划分网格后如图2-1b所示。三层材料由上到下依次为：水泥混凝土面层（27cm），碎石垫层（15cm），土基（158cm）。
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（a）划分网格前 （b）划分网格后
图2-1 温度场模型
2.2 模型参数确定
表2-1 本设计结构层参数取值
注：水泥混凝土面层的弹性模量取值确定方法详见4.3，取值依据在此不一一列举，参考文件[5]、[15]、[16]中有参数选择的参考依据。
2.3 模拟结果与对比
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（a）路表温度最低时刻 （b）路表温度最高的时刻
图2-2 温度场模拟结果
得知温度场模拟结果后，利用温度场模拟的结果和实测结果对比验证模型参数选择的合理性。对比结果如图2-4所示，在此对部分特征性结果予以展示。
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图2-4 4月1日及2日模拟与实测对比
实验结果中最大误差出现在4月2日07：00，误差 ，由此可见温度场模拟的结果与实测结果基本吻合。为了消除试验结果的偶然性，也为了校核参数选择的合理性。在后面我们对4月22及23日实测结果进行模拟与比对所得结果与上述结果基本一致，因此我们得出如下结论：
①温度场模拟结果基本准确，误差在可以接受的范围内。
②温度场模拟所用到的参数取值合理，子程序中各个参数的取值方法是正确的。
③由于实测中测温点有限，测温孔只有一个，因此在进行应力场的模拟时，用ABAQUS有限元模拟得到的温度场直接导入应力场更加可靠，更符合实际情况。
3.应力场结果分析
为了便于说明问题，对传感器进行编号，如图3-1所示。由尾纤处向对侧编号，依次为1~5号传感器，3cm以及13cm传感器编号一致。
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图3-1 传感器编号示意图
3.1 ABAQUS有限元软件模拟应力场模型如下：
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图3-2 温度应力模型及边界条件
3.2 温度应变模拟参数确定
温度应力（应变）的模拟过程中的参数主要是弹性模量和线膨胀系数，两个参数确定如下：
（1）弹性模量
关于旧混凝土路面的弯拉强度标准值，旧混凝土路面的弯拉弹性模量通常可以根据混凝土的弯拉强度标准值，由以下升温经验公式计算确定。
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表3-2 混凝土线膨胀系数
图3-3 4月1日模拟与实测对比
由图可以看出实测结果和模拟结果拟合良好，在趋势上基本保持一致。综合分析各个传感器，可以认为温度应变的模拟结果较好的反映出实际情况。
模拟、实测滞回特性曲线对比如下图所示：
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图3-4 模拟结果滞回特性
根据模拟结果与实测结果的对比情况，可以看出模拟结果是合理的，实测结果呈现出比较明显的滞回特性。在没有阴影等特殊条件影响的时刻，实测结果和模拟结果相吻合，误差较小。也就是说，模拟结果在一定程度上可以真实的反映出实际情况。
3.4 温度应力模拟与理论计算结果对比
4月1日温度应力模拟与计算
4月1日温度应力模拟结果如图3-5所示。图中左部数值表示温度应力模拟结果。数值的正负表示受力状态，数值为正表现为拉应力，数值为负表现为压应力，由图可知模拟温度应力的最大值为1.59MPa，出现该应力值的时刻为13：30。
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图3-54月1日温度应力模拟结果
我们需要提取该时刻的温度信息以获得最大的温度梯度。提取最大温度梯度方法是调整温度场模拟结果的的中间点数，直至至少有两个点能与深度为零的点近似连成一条直线。如图3-6。
由此可见温度应力的理论计算结果和模拟的结果近乎完全一致，说明模拟过程中弹性模量的取值是非常合理的。
按照此对比方法得到4月2日，4月22日，4月23日模拟结果与计算结果误差4.36%，4.09%，3.43%，均在可以接受范围内，同时我们可以得出如下结论：
（1）温度场模拟和温度应力（应变）模拟方法是正确的，模拟参数的取值是合理的。
（2）温度应变随温度有明显的滞回特性，温度应变的模拟结果与实测结果基本吻合。
（3）温度应力的模拟在一定程度上能够较为准确的反映出实际情况，可以用模拟的方法对一些极端的天气情况进行仿真计算。
4. 极端天气条件下温度应力的模拟结果
由于试验时间有限，数据的季节性变化不能完全采集到。但是通过前面的分析谈论，可以通过模拟的方法对该块混凝土板进行极端天气条件下的模拟。所谓的极端天气应该包括极热环境（全年最高温），极冷环境（全年最低温），以及全年最大温差三种。下面我们以2015年全年气温为例，研究试验板内温度场及温度应力情况。查询天津地区2015年气象资料我们得知全年最高温、全年最低温、全年最大温差的日期以及气象信息如下表所示。值得注意的是全年最高温在8月份也有出现，但是8月份的温差要小于5月26日，考虑到混凝土板的最不利状态，选择5月26日进行温度场及温度应力的模拟。
表4-1 极端天气气象资料
（a）极热最大弯拉应力 （b）极冷最大弯拉应力
图4-1 温度应力模拟结果
分析此图可以看出试验板内最大的弯拉应力值为0.76MPa。结合混凝土板的承载能力设计要求，在无车辆荷载的作用下，若取混凝土板弯拉强度为4.5MPa，温度应力可降低近17%的承载能力。在机场道面混凝土板设计中及机场航空运输量管控中的影响不容忽视。
结语
ABAQUS有限元软件可以对不同地区，特别是高寒地区、高温地区、昼夜温差大的地区机场运营的吞吐量有重要指导意义，我们可以利用此有限元软件对机场道面的弯拉应力事先进行模拟，模拟后确定机场吞吐量、调整飞机着陆重量，从而减少其对跑道的损伤，减少道面维修成本，具有很大的经济价值。
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