CN103823948B - 一种机场水泥混凝土道面板防翘曲变形设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机场水泥混凝土道面板防翘曲变形设计方法，所施工机场道面由多块道面板拼装而成，道面板为矩形水泥混凝土板，该方法包括步骤：一、自由翘曲曲率高度w_qj确定；二、相邻板间相互作用下的翘曲高度w_nj确定：三、自重作用下的翘曲高度w_sj确定；四、翘曲变形量计算：根据公式w_j＝w_qj+w_sj+w_nj，计算出道面板的翘曲变形量w_j；五、道面板板厚确定：求解出当w_j＝c时道面板板厚h的取值并记作h_c；其中，c为翘曲变形阈值且c＝0或c_s，c_s为预先设计的道面板的最大允许翘曲变形量；根据计算得出的h_c，确定道面板的设计板厚h_s，其中h_s≥h_c。本发明方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，能解决水泥混凝土道面板在温度作用下产生的翘曲变形问题。

Description

一种机场水泥混凝土道面板防翘曲变形设计方法

技术领域

本发明属于水泥混凝土道面板设计技术领域，尤其是涉及一种机场水泥混凝土道面板防翘曲变形设计方法。

背景技术

水泥混凝土道面板在环境气温和太阳辐射等因素作用下，道面板内部的温度会呈非均匀性分布。当道面板顶面的温度低于板底的温度时，道面板的四周便会向上翘起，形成四周高中间低的“锅”形变形。如长期在呈非均匀性分布的温度作用下，道面板便形成永久的翘曲变形。而道面板的永久翘曲变形会使道面平整度出现恶化，道面板板角的翘起会使板与基层之间脱空，造成断角、断边损坏。

目前，道面板翘曲对道面造成的危害的研究主要集中在翘曲应力的计算方面，所采用的计算方法主要有：威斯特卡德计算方法、有限元计算方法等。上述方法主要解决的是温度翘曲应力的计算问题，用于解决道面结构设计时温度与荷载应力的相互作用问题，但这些方法无法进行翘曲变形计算，因而不能有效解决水泥混凝土道面板在温度作用下产生的翘曲变形问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种机场水泥混凝土道面板防翘曲变形设计方法，其方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，能有效解决水泥混凝土道面板在温度作用下产生的翘曲变形问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种机场水泥混凝土道面板防翘曲变形设计方法，所施工机场道面由布设在同一平面上的多块道面板拼装而成，所述道面板为矩形水泥混凝土板，多块所述道面板的尺寸均相同，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、自由翘曲曲率高度w_qj确定：

首先，根据公式计算得出道面板的自由翘曲曲率半径R，式(1)中ΔT＝T_g×h，其中T_g为所施工机场道面的温度梯度且其单位为℃/m，h为道面板的板厚且其单位为m；

之后，结合计算得出的道面板的自由翘曲曲率半径R，并根据公式w_qj＝R-Rcosθ_a+R-Rcosθ_b(2)，计算得出道面板的自由翘曲曲率高度w_qj，式(2)中其中a和b分别为道面板的设计长度和设计宽度且其单位均为m，α为道面板所采用水泥混凝土的热膨胀系数且其单位为1/℃；

步骤二、相邻板间相互作用下的翘曲高度w_nj确定：

首先，根据公式和对道面板长度和宽度方向上的弯矩M_x和M_y分别进行计算；式(3)中和式(4)中E为道面板所采用水泥混凝土的弹性模量且其单位为Mpa，γ为道面板所采用水泥混凝土的容重且其单位为MN/m³，ΔT_s为所施工机场道面所处区域的气温年较差且其单位为℃；

之后，结合计算得出的弯矩M_x和M_y，并根据公式(5)，计算得出相邻板间相互作用下道面板的翘曲高度w_nj；

步骤三、自重作用下的翘曲高度w_sj确定：根据公式(6)，计算得出自重作用下道面板的翘曲高度w_sj；式(6)中q为道面板所采用水泥混凝土自重作用下的荷载集度且q＝γh；

步骤四、翘曲变形量计算：结合步骤一中所确定的自由翘曲曲率高度w_qj、步骤二中所确定的相邻板间相互作用下道面板的翘曲高度w_nj和步骤三中所确定的自重作用下道面板的翘曲高度w_sj，且根据公式w_j＝w_qj+w_sj+w_nj(7)，计算得出道面板的翘曲变形量w_j；

步骤五、道面板板厚确定：首先，根据步骤四中所述的公式(7)，求解出当w_j＝c时道面板的板厚h的取值，并记作h_c；其中，c为翘曲变形阈值且c＝0或c_s，c_s为预先设计的道面板的最大允许翘曲变形量；之后，根据计算得出的h_c，对道面板的设计板厚h_s进行确定，其中h_s≥h_c。

上述一种机场水泥混凝土道面板防翘曲变形设计方法，其特征是：步骤一中所述的T_g为所施工机场道面的最大温度梯度值。

上述一种机场水泥混凝土道面板防翘曲变形设计方法，其特征是：步骤一中所述的T_g为所施工机场道面所处区域的温度梯度，且其根据所施工机场道面所处区域的气象资料或实测气温数据进行确定。

上述一种机场水泥混凝土道面板防翘曲变形设计方法，其特征是：步骤一中对自由翘曲曲率高度w_qj进行确定之前，先根据所施工机场道面的长度和宽度，对所需采用道面板的数量以及长度a和宽度b进行确定，并对道面板所采用水泥混凝土的弹性模量E、热膨胀系数α和容重γ进行确定；同时，还需对所施工机场道面所处区域的环境参数进行确定，所确定的环境参数包括温度梯度T_g和气温年较差ΔT_s。

上述一种机场水泥混凝土道面板防翘曲变形设计方法，其特征是：步骤一中对自由翘曲曲率高度w_qj进行确定之前，先通过与数据处理器相接的参数设置单元设定初始参数，并建立道面板防翘曲变形计算模型；

所设定的初始参数包括翘曲变形阈值c以及道面板的结构参数、材料性能参数和环境参数；其中所述结构参数包括道面板的长度a和宽度b，材料性能参数包括道面板所采用水泥混凝土的弹性模量E、热膨胀系数α和容重γ，环境参数包括所施工机场道面所处区域的温度梯度T_g和气温年较差ΔT_s；

所建立的道面板防翘曲变形计算模型为采用所述数据处理器将步骤一中的公式(2)、步骤二中的公式(5)和步骤三中的公式(6)均代入步骤四中的公式(7)后，所获得的数学模型；步骤五中进行道面板板厚确定时，所述数据处理器结合所设定的初始参数，并利用所建立的道面板防翘曲变形计算模型计算得出h_c。

上述一种机场水泥混凝土道面板防翘曲变形设计方法，其特征是：步骤一至步骤五中，均采用所述数据处理器进行运算处理；步骤一中的公式(2)为自由翘曲曲率高度w_qj与板厚h的函数关系式，步骤二中的公式(5)为相邻板间相互作用下的翘曲高度w_nj与板厚h的函数关系式，步骤三中的公式(6)为自重作用下的翘曲高度w_sj与板厚h的函数关系式；步骤四中，结合所设定的初始参数，采用所述数据处理器且利用所建立的道面板防翘曲变形计算模型，换算出道面板的翘曲变形量w_j与板厚h的函数关系式；步骤五中进行道面板板厚确定时，采用所述数据处理器且根据换算出的道面板的翘曲变形量w_j与板厚h的函数关系式，计算得出h_c。

上述一种机场水泥混凝土道面板防翘曲变形设计方法，其特征是：所施工机场道面中相邻两块所述道面板之间通过连接件进行连接，多块所述道面板均铺装在基础上。

上述一种机场水泥混凝土道面板防翘曲变形设计方法，其特征是：所施工机场道面沿纵向延伸方向由前至后分为多个道面节段，每个所述道面节段均由沿所施工机场道面的宽度方向由左至右布设的多块所述道面板拼装而成，左右相邻两块所述道面板之间通过连接件进行连接。

上述一种机场水泥混凝土道面板防翘曲变形设计方法，其特征是：所述道面板为正方形水泥混凝土板。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、方法简单、实现方便且实现方便。

2、投入成本低且使用操作简便。

3、简化了机场水泥混凝土道面板防翘曲变形设计过程，大幅度缩短了防翘曲变形设计周期，有效减少了防翘曲变形设计成本。

4、采用数据处理器便可直接完成道面板板厚的设计过程，不仅计算过程简单，计算量小，并且计算结果准确，其对因温度作用、自重、相邻板之间的相互作用等对道面板翘曲变形产生的影响进行了全面、综合考虑，因而能真实反映道面板翘曲变形状况。

5、使用效果好且实用价值高，有效解决了道面板翘曲变形问题，为研究道面板永久翘曲变形的机理和计算提供了依据，克服了以往道面板在温度作用下只能计算应力的局限；实现了道面板翘曲变形的计算，为分析道面板产生翘曲变形的内在因素和外部条件提供了有力手段，并实现了道面结构设计由强度控制向强度和变形共同控制的根本性转变，为实现道面结构设计方法的更新换代奠定了基础。实际对机场水泥混凝土道面板结构进行设计时，除了满足按设计飞机作用的荷载要求外，只需满足按照本发明计算得出的道面板在温度作用不产生翘曲变形的最小板厚，便能有效防止道面板翘曲变形。

综上所述，本发明方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，能有效解决水泥混凝土道面板在温度作用下产生的翘曲变形问题。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的方法流程框图。

图2为机场水泥混凝土道面板的弯曲变形示意图。

附图标记说明:

1—道面板； 2—连接件； 3—基础。

具体实施方式

如图1所示的一种机场水泥混凝土道面板防翘曲变形设计方法，所施工机场道面由布设在同一平面上的多块道面板1拼装而成，所述道面板1为矩形水泥混凝土板，多块所述道面板1的尺寸均相同，详见图2；该防翘曲变形设计方法包括以下步骤：

步骤一、自由翘曲曲率高度w_qj确定：

首先，根据公式计算得出道面板1的自由翘曲曲率半径R，式(1)中ΔT＝T_g×h，其中T_g为所施工机场道面的温度梯度且其单位为℃/m，h为道面板1的板厚且其单位为m。

之后，结合计算得出的道面板1的自由翘曲曲率半径R，并根据公式w_qj＝R-Rcosθ_a+R-Rcosθ_b(2)，计算得出道面板1的自由翘曲曲率高度w_qj，式(2)中其中a和b分别为道面板1的设计长度和设计宽度且其单位均为m，α为道面板1所采用水泥混凝土的热膨胀系数且其单位为1/℃。

其中，水泥混凝土也称普通混凝土，是以水泥为胶凝材料，以砂、石为骨料，加水拌制成。

步骤二、相邻板间相互作用下的翘曲高度w_nj确定：

首先，根据公式和对道面板1长度和宽度方向上的弯矩M_x和M_y分别进行计算；式(3)中和式(4)中E为道面板1所采用水泥混凝土的弹性模量且其单位为Mpa，γ为道面板1所采用水泥混凝土的容重且其单位为MN/m³，ΔT_s为所施工机场道面所处区域的气温年较差且其单位为℃。

其中，气温年较差为一年中最高月平均气温与最低月平均气温之差。

之后，结合计算得出的弯矩M_x和M_y，并根据公式(5)，计算得出相邻板间相互作用下道面板1的翘曲高度w_nj。

本步骤中，I_x和I_y分别为道面板1长度和宽度方向上的截面惯性矩。

步骤三、自重作用下的翘曲高度w_sj确定：根据公式(6)，计算得出自重作用下道面板1的翘曲高度w_sj；式(6)中q为道面板1所采用水泥混凝土自重作用下的荷载集度且q＝γh。

步骤四、翘曲变形量计算：结合步骤一中所确定的自由翘曲曲率高度w_qj、步骤二中所确定的相邻板间相互作用下道面板1的翘曲高度w_nj和步骤三中所确定的自重作用下道面板1的翘曲高度w_sj，且根据公式w_j＝w_qj+w_sj+w_nj(7)，计算得出道面板1的翘曲变形量w_j。

步骤五、道面板板厚确定：首先，根据步骤四中所述的公式(7)，求解出当w_j＝c时道面板1的板厚h的取值，并记作h_c；其中，c为翘曲变形阈值且c＝0或c_s，c_s为预先设计的道面板1的最大允许翘曲变形量；之后，根据计算得出的h_c，对道面板1的设计板厚h_s进行确定，其中h_s≥h_c。

其中，h_c为道面板1不出现翘曲变形的最小板厚。实际对道面板1的板厚进行设计时，除了满足按设计飞机作用的荷载要求外，还需要满足道面板1在温度作用不产生翘曲变形的最小板厚，即板厚不小于0.25m。

本实施例中，步骤一中所述的T_g为所施工机场道面的最大温度梯度值。

本实施例中，步骤一中所述的T_g为所施工机场道面所处区域的温度梯度，且其根据所施工机场道面所处区域的气象资料或实测气温数据进行确定。

本实施例中，步骤一中对自由翘曲曲率高度w_qj进行确定之前，先根据所施工机场道面的长度和宽度，对所需采用道面板1的数量以及长度a和宽度b进行确定，并对道面板1所采用水泥混凝土的弹性模量E、热膨胀系数α和容重γ进行确定；同时，还需对所施工机场道面所处区域的环境参数进行确定，所确定的环境参数包括温度梯度T_g和气温年较差ΔT_s。

本实施例中，步骤一中对自由翘曲曲率高度w_qj进行确定之前，先通过与数据处理器相接的参数设置单元设定初始参数，并建立道面板防翘曲变形计算模型。

所设定的初始参数包括翘曲变形阈值c以及道面板1的结构参数、材料性能参数和环境参数；其中所述结构参数包括道面板1的长度a和宽度b，材料性能参数包括道面板1所采用水泥混凝土的弹性模量E、热膨胀系数α和容重γ，环境参数包括所施工机场道面所处区域的温度梯度T_g和气温年较差ΔT_s。

所建立的道面板防翘曲变形计算模型为采用所述数据处理器将步骤一中的公式(2)、步骤二中的公式(5)和步骤三中的公式(6)均代入步骤四中的公式(7)后，所获得的数学模型；步骤五中进行道面板板厚确定时，所述数据处理器结合所设定的初始参数，并利用所建立的道面板防翘曲变形计算模型计算得出h_c。

本实施例中，步骤一至步骤五中，均采用所述数据处理器进行运算处理；步骤一中的公式(2)为自由翘曲曲率高度w_qj与板厚h的函数关系式，步骤二中的公式(5)为相邻板间相互作用下的翘曲高度w_nj与板厚h的函数关系式，步骤三中的公式(6)为自重作用下的翘曲高度w_sj与板厚h的函数关系式。步骤四中，结合所设定的初始参数，采用所述数据处理器且利用所建立的道面板防翘曲变形计算模型，换算出道面板1的翘曲变形量w_j与板厚h的函数关系式。步骤五中进行道面板板厚确定时，采用所述数据处理器且根据换算出的道面板1的翘曲变形量w_j与板厚h的函数关系式，计算得出h_c。

结合图2，所施工机场道面中相邻两块所述道面板1之间通过连接件2进行连接，多块所述道面板1均铺装在基础3上。

本实施例中，所施工机场道面沿纵向延伸方向由前至后分为多个道面节段，每个所述道面节段均由沿所施工机场道面的宽度方向由左至右布设的多块所述道面板1拼装而成，左右相邻两块所述道面板1之间通过连接件2进行连接。

本实施例中，所述道面板1为正方形水泥混凝土板。

本实施例中，采用所述参数设置单元设定初始参数时，所施工机场道面所处区域即该地区的最大温度梯度T_g＝110℃/m，气温年较差ΔT_s为32℃；所述道面板1所采用水泥混凝土的弹性模量E＝28000Mpa，热膨胀系数α＝1×10^-5/℃，容重γ＝0.024MN/m³，道面板1的长度a和宽度b均为5m。为了保证所述道面板1不出现永久翘曲变形，按照步骤一中至步骤五中所述的方法，计算得出道面板1不出现翘曲变形的最小板厚且其为0.25m，即h_c＝0.25m。

因此，在对道面板1的板厚进行设计时，除了满足按设计飞机作用的荷载要求外，还需要满足道面板1在温度作用不产生翘曲变形的最小板厚，即板厚不小于0.25m。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种机场水泥混凝土道面板防翘曲变形设计方法，所施工机场道面由布设在同一平面上的多块道面板(1)拼装而成，所述道面板(1)为矩形水泥混凝土板，多块所述道面板(1)的尺寸均相同，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、自由翘曲曲率高度w_qj确定：

首先，根据公式计算得出道面板(1)的自由翘曲曲率半径R，式(1)中ΔT＝T_g×h，其中T_g为所施工机场道面的温度梯度且其单位为℃/m，h为道面板(1)的板厚且其单位为m；

之后，结合计算得出的道面板(1)的自由翘曲曲率半径R，并根据公式w_qj＝R-R cosθ_a+R-R cosθ_b (2)，计算得出道面板(1)的自由翘曲曲率高度w_qj，式(2)中其中a和b分别为道面板(1)的设计长度和设计宽度且其单位均为m，α为道面板(1)所采用水泥混凝土的热膨胀系数且其单位为1/℃；

步骤二、相邻板间相互作用下的翘曲高度w_nj确定：

首先，根据公式和对道面板(1)长度和宽度方向上的弯矩M_x和M_y分别进行计算；式(3)中和式(4)中E为道面板(1)所采用水泥混凝土的弹性模量且其单位为Mpa，γ为道面板(1)所采用水泥混凝土的容重且其单位为MN/m³，ΔT_s为所施工机场道面所处区域的气温年较差且其单位为℃；

之后，结合计算得出的弯矩M_x和M_y，并根据公式(5)，计算得出相邻板间相互作用下道面板(1)的翘曲高度w_nj；

步骤三、自重作用下的翘曲高度w_sj确定：根据公式(6)，计算得出自重作用下道面板(1)的翘曲高度w_sj；式(6)中q为道面板(1)所采用水泥混凝土自重作用下的荷载集度且q＝γh；

步骤四、翘曲变形量计算：结合步骤一中所确定的自由翘曲曲率高度w_qj、步骤二中所确定的相邻板间相互作用下道面板(1)的翘曲高度w_nj和步骤三中所确定的自重作用下道面板(1)的翘曲高度w_sj，且根据公式w_j＝w_qj+w_sj+w_nj (7)，计算得出道面板(1)的翘曲变形量w_j；

步骤五、道面板板厚确定：首先，根据步骤四中所述的公式(7)，求解出当w_j＝c时道面板(1)的板厚h的取值，并记作h_c；其中，c为翘曲变形阈值且c＝0或c_s，c_s为预先设计的道面板(1)的最大允许翘曲变形量；之后，根据计算得出的h_c，对道面板(1)的设计板厚h_s进行确定，其中h_s≥h_c。

2.按照权利要求1所述的一种机场水泥混凝土道面板防翘曲变形设计方法，其特征在于：步骤一中所述的T_g为所施工机场道面所处区域的温度梯度，且其根据所施工机场道面所处区域的气象资料或实测气温数据进行确定。

3.按照权利要求1或2所述的一种机场水泥混凝土道面板防翘曲变形设计方法，其特征在于：步骤一中对自由翘曲曲率高度w_qj进行确定之前，先根据所施工机场道面的长度和宽度，对所需采用道面板(1)的数量以及长度a和宽度b进行确定，并对道面板(1)所采用水泥混凝土的弹性模量E、热膨胀系数α和容重γ进行确定；同时，还需对所施工机场道面所处区域的环境参数进行确定，所确定的环境参数包括温度梯度T_g和气温年较差ΔT_s。

4.按照权利要求1或2所述的一种机场水泥混凝土道面板防翘曲变形设计方法，其特征在于：步骤一中对自由翘曲曲率高度w_qj进行确定之前，先通过与数据处理器相接的参数设置单元设定初始参数，并建立道面板防翘曲变形计算模型；

所设定的初始参数包括翘曲变形阈值c以及道面板(1)的结构参数、材料性能参数和环境参数；其中所述结构参数包括道面板(1)的长度a和宽度b，材料性能参数包括道面板(1)所采用水泥混凝土的弹性模量E、热膨胀系数α和容重γ，环境参数包括所施工机场道面所处区域的温度梯度T_g和气温年较差ΔT_s；

所建立的道面板防翘曲变形计算模型为采用所述数据处理器将步骤一中的公式(2)、步骤二中的公式(5)和步骤三中的公式(6)均代入步骤四中的公式(7)后，所获得的数学模型；步骤五中进行道面板板厚确定时，所述数据处理器结合所设定的初始参数，并利用所建立的道面板防翘曲变形计算模型计算得出h_c。

5.按照权利要求4所述的一种机场水泥混凝土道面板防翘曲变形设计方法，其特征在于：步骤一至步骤五中，均采用所述数据处理器进行运算处理；步骤一中的公式(2)为自由翘曲曲率高度w_qj与板厚h的函数关系式，步骤二中的公式(5)为相邻板间相互作用下的翘曲高度w_nj与板厚h的函数关系式，步骤三中的公式(6)为自重作用下的翘曲高度w_sj与板厚h的函数关系式；步骤四中，结合所设定的初始参数，采用所述数据处理器且利用所建立的道面板防翘曲变形计算模型，换算出道面板(1)的翘曲变形量w_j与板厚h的函数关系式；步骤五中进行道面板板厚确定时，采用所述数据处理器且根据换算出的道面板(1)的翘曲变形量w_j与板厚h的函数关系式，计算得出h_c。

6.按照权利要求1或2所述的一种机场水泥混凝土道面板防翘曲变形设计方法，其特征在于：所施工机场道面中相邻两块所述道面板(1)之间通过连接件(2)进行连接，多块所述道面板(1)均铺装在基础(3)上。

7.按照权利要求1或2所述的一种机场水泥混凝土道面板防翘曲变形设计方法，其特征在于：所施工机场道面沿纵向延伸方向由前至后分为多个道面节段，每个所述道面节段均由沿所施工机场道面的宽度方向由左至右布设的多块所述道面板(1)拼装而成，左右相邻两块所述道面板(1)之间通过连接件(2)进行连接。

8.按照权利要求1或2所述的一种机场水泥混凝土道面板防翘曲变形设计方法，其特征在于：所述道面板(1)为正方形水泥混凝土板。