机场道面结构可靠度设计参数分析

机场道面结构可靠度设计参数分析摘要：文章通过对机场道面结构主要设计参数进行分析，经概率分布和假设检验，发现板厚和混凝土弯拉强度符合正态分布；混凝土弯拉弹性模量和基层顶面的当量回弹模量符合对数正态分布。随后对结构参数的变异性进行分析，将结构参数的变异水平划分为两个等级，并列出参数在各等级中的变化范围。同时还分析了道面板厚度与设计可靠度的关系和主要设计参数的变异性对设计可靠度的敏感性。关键词：机场道面；可靠度；参数分析；变异性；敏感性中图分类号：TU279.7+1文献标识码：A文章编号：前言水泥混凝土道面是机场道面的一种重要形式，是属于不确定型的，一般来说，不管道面材料类型如何，在规定的安全性、舒适性和耐久性条件下，为了满足机场的使用性能，就必须同时考虑所用道面结构在不同荷载和环境条件下涉及设计因素方面的性能，这些因素通常包括：设计年限、交通量、基层材料、施工质量和时间、材料来源和特性、材料强度、自然条件等。事实上这些设计参数都有一定幅度的变异，因而很难选定他们的设计值，若取他们各自的平均值，则设计可靠度只有50%，通常不能满足要求。为安全起见，设计者们常采用较保守值，但若每个参数都采用保守值，那么最后的设计就太保守了。若任意选择这些参数值，则得到变化幅度很大的不同设计。严格地讲，涉及道面设计、施工和养护的每一个可测定的参数都具有一定程度的变异性。以可靠性理论为基础的设计方法已取代原先所采用的定值设计方法，它引进的概率论提供了处理不确定因素的方法。因此，为进一步完善机场道面可靠性设计方法理论，对机场水泥混凝土道面参数进行研究具有十分重要的意义。一、道面结构参数数据测试方法涉及道面设计的每一个参数都具有一定程度的变异性，本文只研究那些对设计起决定作用并有显著变异性的参数进行分析，即：板厚(h)，混凝土弯拉强度(MR)，混凝土弯拉弹性模量(Ec)，基层顶面的当量回弹模量(Es)，并假定它们是相互独立的。1、板厚目前板厚的实测方法尚不统一，一般施工单位采用尺量板边或模板高度检查板厚的方法并不十分科学，不能反映整个道面宽度内的板厚情况。在板厚数据测试中，采用钻孔法或水准测厚法测定道面板的厚度。钻孔法：即用钻孔机在道面上钻取直径为15cm芯样。在芯样上量取最高、最低和中间3个点高度，取其平均值作为道面板的厚度。水准测厚法在基层顶面整平立模时，测得基层顶面的标高，待混凝土板浇筑成型后，复测面板顶面（与基层顶面为同一测位）的标高，两次标高之差，即为面板的厚度。由于基层顶层的不平整，面板厚度的不均匀主要集中在板中部，因而，水准点测点应选择在道面板纵向中线位置，测点间距取为道面板板宽。2、弯拉强度和弯拉弹性模量对于新建机场，搜集工地实验室在标准养护条件下混凝土试件28d龄期的弯拉强度，并以一个机场作为一个样本来进行参数变异性分析。对于旧机场，利用钻孔机在道面上钻取芯样，将钻取直径为15cm的芯样加工成15cm高的标准试件。当试件高度达不到15cm时，再加工成大于10.5cm高的圆柱体试件。试件高度达不到10.5cm时，应弃之。对道面钻取的芯样进行水泥混凝土劈拉试验测定混凝土试件的劈拉强度，对于样芯高度不足15cm或样芯有缺陷时，应加工成高度10.5cm以上的试件，此时试件的劈拉强度应乘以1.3的修正系数。由于在道面上钻芯取样的时间超过了混凝土90d的龄期，可以认为计算出来的混凝土弯拉强度Rw的分布认为是混凝土龄期为90d强度的分布。3、基层顶面回弹模量目前基层顶面回弹模量的测定方法有两种：承载板法和JG弯沉测试车法。承载板法可以直接测出基层顶面回弹模量，但工作量大。JG弯沉测试车可以测出基层顶面的反应模量，通过公式可以换算得到基层顶面回弹模量。弯沉测试车定可测得移动荷载作用下水泥混凝上板的弯沉曲线。测试时，可以用飞机(牵引)加载和载重汽车加载。荷载以12m/s的速度均速通过测点附近，由激光器产生的激光束射在测点上，光电记录仪可记录下动弯沉曲线。在移动荷载作用下动弯沉的计算模型如图1所示。图1移动荷载作用下动弯沉的计算模型二、道面结构参数的分布规律1、板厚分布特性造成水泥混凝土板厚度变异的原因很多。基层顶面高程和混凝土道面板顶面高程的施工误差会造成道面板厚度的变异，模板的误差和变形，基层的不平整度均造成板的变异。依照前述的统计原则和程序，对采集到的数据分别进行了假设检验，并对每个样本的平均值、标准差和变异系数等统计参数进行了计算。由于测试板厚包括水准测厚和钻孔测厚，因此对所取得的板中测量和钻孔取样分别进行概率分布检验。以东南沿海某翻修军用机场为例，将利用水准法所测得的板中厚度和钻孔法测得的道面厚度数据进行分析，分别得到如图2和3所示的频率直方图。经k-s和x2检验，板厚均服从正态分布。图2道面板板中水准测量频率直方图图3道面板厚度钻孔取样频率直方图2、弯拉强度和弯拉弹性模量与机场道面设计相关的强度包括混凝土弯拉强度和弯拉弹性模量。在现在的数据资料中，弯拉强度数据主要通过搜集施工单位实验室28d龄期小梁试件的弯拉强度；另一种是通过测定钻孔法得到的芯样的劈拉强度，由经验公式换算得到道面板的弯拉强度，此时得到的弯拉强度可以认为是混凝土90d龄期的弯拉强度。弯拉弹性模量实测数据很少，由于弯拉弹性模量和弯拉强度存在相关性，因此可以认为弯拉弹性模量和弯拉强度同分布，对于同一机场样本而言，可以近似认为Cv(Rw)=Cv(Ec)。同样以东南沿海某翻建军用机场为例，将同一机场搜集的实验室28d龄期小梁试件的弯拉强度和采用钻孔法测得的弯拉强度，经k-s检验和x2检验，可得水泥混凝土抗弯拉强度频率直方图如图4和图5所示，图4水泥混凝土28d龄期弯拉强度频率直方图图5水泥混凝土长龄期弯拉强度频率直方图弯拉弹性模量可由下列公式(1)、（2）、（3）3计算得出：卵石混凝土：(1)碎卵石混凝土：(2)碎石混凝土：(3)最后对同一机场计算所得的混凝土弯拉弹性模量进行分析，经k-s检验和x2检验，可得水泥混凝土抗弯拉模量频率直方图如图6和图7所示。图6水泥混凝土28d龄期弯拉弹性模量频率直方图图7水泥混凝土长龄期弯拉弹性模量频率直方图3、基层顶面回弹模量基层顶面回弹模量可以由承载板法直接测出，或由弯沉测试车测得基层顶面反应模量，再由公式换算得到基层顶面回弹模量。为了研究地基顶面回弹模量的概率分布，在某机场进行了