机场道面是机场的核心组成部分，是飞机停靠、起飞、降落和维修等必要的组成部分^[1-2]，采用现浇水泥混凝土道面的方法建设周期长、受环境条件影响大，对于高原和偏远地区的机场建设不利^[3-4]。

预制预应力混凝土道面(Precast Prestressed Concrete Pavement，PPCP)是指在工厂的标准化条件下制作完成后运输至现场，在压实良好的基层上进行拼装而成的道面结构^[5]。相比于传统现浇水泥混凝土机场道面，PPCP具备以下优势：(1)由于预制道面板在工厂标准化条件下制作，混凝土的质量有很好的保证。(2)充分借鉴了预应力在桥梁结构上的力学特性^[6]，预应力技术可以进一步提高机场道面的承载能力和疲劳寿命，降低道面厚度，节省原材料^[7-9]。(3)铺筑完成后即可开放交通，不需要现场养护时间。(4)可以适应恶劣天气条件，由于不需要现场浇注和养护，PPCP具有良好的环境适应性。(5)施加的预应力将预制混凝土道面板拉紧，有效延缓了道面板之间接缝破坏，提高了耐久性^[10]。

PPCP在机场道面抢建和抢修中具有极大的优势和良好的应用前景，引起了国内外学者的广泛关注。美国主要采用预制装配式混凝土板进行高速公路快速修复的工程实例和示范，交通管理部门通过工程经验总结发布了相关的规范与指导手册。贾建强^[11-12]、杨博瀚^[13]、柴震林^[14]、钱振东^[15]、孙宝俊^[16]和严秋荣^[17]主要通过有限元模拟进行PPCP的参数敏感性分析，主要分析尺寸、预应力值、配筋设计、接缝传荷能力、接缝形式以及基层强度对PPCP承载能力和结构寿命的影响，得出了接缝传荷系数应大于0.7，地基反应模量大于80 MN/m³，跨矢比为3.5时圆形企口缝的受力状态最佳等结论，并依据弹性设计准则、疲劳设计准则提出了PPCP设计方法。娄奕红^[18]、田志昌^[19]和黄卫^[20-21]对PPCP的荷载应力进行了分析。李悌^[22]通过对PPCP的力学响应和疲劳破坏特性的分析，提出了基于可靠度的PPCP设计流程。Zhang^[23]利用小梁试件研究了装配式混凝土道面的黏结疲劳特性进行了试验研究。综上，目前PPCP的研究手段主要集中于有限元模拟、小梁或单板的荷载试验，缺乏可以实际反映PPCP结构特性的大尺寸试验研究，因此，本研究采用15块预制混凝土道面板进行室内试验段的铺筑，通过动态与静态加载试验，研究不同加载位置、不同荷载大小及频率对PPCP荷载应变特性的影响，为PPCP的设计提供试验依据和理论基础。

预制混凝土板的尺寸为1.5 m×1.5 m×0.25 m，混凝土的配比如表 1所示。混凝土板的制作过程主要分为支模、浇注、振捣、养护和拆模，浇注过程中，按设计位置预留出双向预应力筋的孔道，并绑扎固定，防止在浇注、振捣过程中预应力筋管道发生位移和弯曲。将预制混凝土板在室温条件下养护28 d，养护期间用土工布洒水覆盖养生。

试验段在原有水泥混凝土道面板上铺筑，首先，铺设5 cm厚的砂垫层，从而确保上部预制道面板的平整度，其次，在砂垫层上铺设一层2 mm厚的聚乙烯塑料薄膜，用来减小预制混凝土道面板与下部结构层之间的摩擦力，从而降低预应力的损失^[9]。前期准备工作完成后，即可进行第1块预制板的定位，其次，按照横缝方向预制的企口和凹口将其余预制板拼装成3×5的试验段，预制板吊装就位过程中将双向预应力筋穿入预留的预应力筋孔道。所有预制板吊装就位后进行预应力筋的张拉和锚固，张拉控制力的设计值为18.5 t，张拉按照先横缝方向，后纵缝方向的顺序进行。张拉分为初张拉和最终张拉，初张拉控制应力为设计值的70%，完成之后进行最终张拉，张拉控制力为设计值的105%^[13]。预制板纵缝方向为平缝，通过预应力和板块之间的摩擦传递荷载，横缝方向为企口缝，通过预应力、企口缝以及板块之间的摩擦传递荷载试验段的铺筑过程主要分为铺筑砂垫层、预制板就位与预应力筋的穿插和预应力筋的张拉与锚固。

拼装完成的PPCP试验段示意图如图 1所示。图中平行于飞机飞行方向的接缝为纵缝，垂直于飞机飞行方向的接缝为横缝。试验采用YX1200型道面电液伺服疲劳加载试验系统进行加载，该系统作动器的最大行程为200 mm，动态加载时频率可在1~10 Hz之间调整，反力架可提供最大200 kN的反力。加载时，利用直径为30 cm的刚性承载板下垫橡胶垫的方式模拟飞机机轮荷载^[24]。静态加载试验的荷载作用位置为PPCP结构的中线上5个不同的加载位置，即7号~9号预制板垂直于飞机飞行方向，由于PPCP结构具有对称性，因此，取一半的测点进行加载。在不同荷载作用位置加载前，按设计位置分别在板底和板顶粘贴应变片，如图 2所示。此外，在7号预制板的板厚方向以5 cm的间距粘贴5枚应变片，如图 3所示。荷载大小为80, 100, 130 kN和150 kN，动态加载时的频率为1~3 Hz。试验过程中，采集不同加载位置在不同荷载和频率下的应变。

图 1 PPCP试验段示意图 Fig. 1 Schematic diagram of PPCP specimen

图选项

图 2 荷载作用位置及应变片粘贴位置示意图 Fig. 2 Schematic diagrams of load position and strain gauges position

图选项

图 3 7号预制板沿厚度方向的应变片布置示意图(单位: cm) Fig. 3 Schematic diagram of strain gauges arrangement along thickness direction of precast panel No.7(unit: cm)

图选项

由于试验过程中板底与砂垫层的摩擦作用明显，导致大多数的板底应变片在试验过程中没有采集到数据，因此采用板顶和侧面的应变片的数据进行试验数据分析。

在荷载位置1加载时各应变测点的应变如图 4所示。从图 4中可以看出，1号, 2号和4号应变片表现为压应变，3号应变片表现出轻微的拉应变。随着荷载的增加，压应变也逐渐增加，但3号应变片的拉应变几乎不变且非常接近于0。在压应变中，2号应变片的拉应变最大，其次是1号应变片，4号应变片的压应变最小。1号与2号应变片的应变差异主要是因为PPCP结构纵缝方向预制板较多，需要克服的板底摩擦较大，从而使有效预应力减小，而横缝方向的预制板数量较少，有效预应力较大，使预制板之间的整体性增加，荷载能够有效传递，该方向产生的弯矩更大，因此2号应变片的压应变略大于1号应变片。同时，4号应变片由于存在良好的传荷，产生一定的压应变，而3号应变片所在位置接缝传荷能力较弱，因此其应变几乎为零。

图 4 加载位置1各测点的应变 Fig. 4 Strain of measuring points at loading position No.1

图选项

采用1~3 Hz的频率进行动态加载，采集动态加载期间的最大应变，以80 kN和150 kN为例进行分析，应变如图 5所示。

图 5 加载位置1各测点在不同加载频率下的应变 Fig. 5 Strain of measuring points at loading position No.1 with different loading frequencies

图选项

从图 5中可以看出，动态加载的应变与静态加载相比存在一定的差异，但是不同加载频率之间的差异不明显。以80 kN为例，当荷载频率为1 Hz时，1号和2号应变片的应变比静态时均增加了27%，荷载频率为2 Hz和3 Hz时，应变比1 Hz时增加了0%和5%。当荷载大小为150 kN，频率为1 Hz时，1号和2号应变片的应变比静态时分别增加了10%和8%，而当荷载频率增加至2 Hz和3 Hz时，应变分别增加了0%和3%。这说明荷载较小时，预制板的动态响应比静态响应变化明显，这个研究可以为道面的动载荷系数提供参考，目前统一的动载荷系数的设计是不够合理的，应该根据荷载的大小进行分级而设定不同的动载荷系数。对于7号预制板沿厚度方向布置的应变片，因距加载位置较远，未采集到应变。

在荷载位置2加载时各应变测点的应变如图 6所示。从图 6可以看出，在加载位置2，即纵缝中部加载时，1号和4号应变片的表现为压应变，2号应变片表现出轻微的拉应变，3号应变片的应变为0。距加载位置最近的4号应变片的压应变最大，当荷载为150 kN时，最大压应变达到402 με。从4号应变片的压应变到2号应变片的拉应变表明，预制道面板在飞机荷载作用下会出现拉压交替的应力状态。因此在道面设计过程中，应该考虑道面结构应力状态的变化问题，建立更加符合实际的道面疲劳方程，实现道面的优化设计。

图 6 加载位置2各测点的应变 Fig. 6 Strain of measuring points at loading position No.2

图选项

采用1~3 Hz的频率进行动态加载，采集动态加载期间的最大应变，以100 kN和150 kN为例进行分析，应变如图 7所示。

图 7 加载位置2各测点在不同加载频率下的应变 Fig. 7 Strain of measuring points at loading position No.2 with different loading frequencies

图选项

从图 7中可以看出，动态荷载对道面的应变响应主要集中在对4号应变片的影响上。通过计算发现，以荷载为100 kN为例，在4号应变片处，当加载频率为1 Hz时，其应变比静态加载时增大了0.6%；而加载频率从1 Hz增大到3 Hz时，其应变增大了3.5%。当荷载为150 kN，在4号应变片处，当加载频率为1 Hz时，其应变比静态加载时增大了1.2%；而频率从1 Hz增大到3 Hz时，其应变增大了4.9%。以上说明动态荷载对道面结构的应变分布有一定的影响。

在荷载位置3加载时各应变测点的应变如图 8所示。从图 8中可以看出，当荷载作用于加载位置3，即7号预制板纵缝中部时，1号和4号应变片表现为压应变，2号，3号和5号应变片表现为拉应变。其中，距加载位置最近的4号应变片的最大压应变为236 με。在7号预制板纵缝中部加载引起了7号预制板中心位置处沿纵缝方向的压应变和横缝方向的拉应变以及相邻板的拉应变。并且，7号预制板中心位置处横缝方向的拉应变最大，相邻板处的拉应变较小。该应力状态再次印证了预制板内拉压交替的应力状态，不仅飞机荷载的移动会引起板中一个位置应力状态的变化，而且由于预制板之间采用预应力钢绞线和企口缝连接，飞机荷载在相邻板的移动也会引起应力状态的变化。

图 8 加载位置3各测点的应变 Fig. 8 Strain of measuring points at loading position No.3

图选项

在位置3加载时，对7号预制板沿厚度方向的应变进行统计分析，如图 9所示。从图 9中可以看出，1~5号位置分别代表从板底到板顶等距分布的5个应变片，如图 3所示。在位置3处施加荷载，在板底为拉应变，在板顶为压应变，并且拉应变略大于压应变。在板中位置应变基本为0，应变基本呈线性变化，说明此时的受力状态符合小挠度薄板理论，中性面位于板厚的中部。动态荷载作用下，其变化规律基本一致。

图 9 在位置3加载时7号预制板沿厚度方向的应变分布 Fig. 9 Strain distribution on precast panel No.7 along thickness direction when loading at position No.3

图选项

在荷载位置4加载时各应变测点的应变如图 10所示。从图 10中可以看出，当荷载作用于位置4，即7号预制板中心位置时，加载位置处沿纵缝方向的压应变最大，沿横缝方向的压应变最小。7号预制板临空面中部沿横缝方向的拉应变较小，8号预制板在接缝处沿横缝方向的拉应变较大。在7号预制板中心位置处纵缝方向和横缝方向的压应变的差异主要是由于在横缝方向上，该板有临空面，而在纵缝方向上，两边都与预制板相连，因此在纵缝方向上有约束，相当于简支梁受力，故压应变较大，而横缝方向的临空面使预制板在该方向缺少约束，故压应变较小。

图 10 加载位置4各测点的应变 Fig. 10 Strain of measuring points at loading position No.4

图选项

在位置4加载时，对7号预制板沿厚度方向的应变进行统计分析，如图 11所示。从图 11中可以看出，在板底为拉应变，在板顶为压应变，并且拉应变略大于压应变。在板中位置应变基本为0，说明此时的受力状态符合小挠度薄板理论，中性面位于板厚的中部。动态荷载作用下，其变化规律基本一致。

图 11 在位置4加载时7号预制板沿厚度方向的应变分布 Fig. 11 Strain distribution on precast panel No.7 along thickness direction when loading at position No.4

图选项

在荷载位置5加载时各应变测点的应变如图 12所示。从图 12中可以看出，当荷载作用于位置5时，板中沿纵缝方向的压应变较大，而在与邻板的接缝处沿纵缝方向的压应变较小。荷载作用点处沿横缝方向的拉应变最小，板中沿横缝方向的拉应变较大，在邻板沿横缝方向的拉应变最大，这样的拉应变分布是符合悬臂梁的应力分布规律的。并且在横缝方向的压应变有一部分是由纵缝方向的拉应变引起的。

图 12 加载位置5各测点的应变 Fig. 12 Strain of measuring points at loading position No.5

图选项

在位置5加载时，对7号预制板沿厚度方向的应变进行统计分析，如图 13所示。从图 13中可以看出，在荷载位置5处施加荷载，板底为拉应变，板顶为压应变，并且板底的拉应变小于板顶的压应变。在板厚的中部应变不为0，说明此时的受力状态复杂，不符合小挠度薄板理论，中性面位于板厚的中部偏上位置，即中性面发生偏移。动态荷载作用下，其变化规律基本一致。

图 13 在位置5加载时7号预制板沿厚度方向的应变分布 Fig. 13 Strain distribution on precast panel No.7 along thickness direction when loading at position No.5

图选项

本研究通过铺筑PPCP室内试验段，对荷载作用位置、荷载大小和频率对预制预应力道面的荷载应变特性的影响规律进行了研究，得出的主要结论如下：

(1) PPCP在飞机移动荷载作用下会出现拉压交替的应力状态。由于预应力钢绞线和企口缝的连接，飞机荷载在相邻板的移动也会引起应力状态的变化。

(2) 在PPCP内侧板中心位置加载时，板顶应力分布主要取决于拼接方向板块数量和施加预应力大小。在预应力相同情况下，拼接方向板块数量越多，由于预应力的荷载传递作用，该方向的荷载分配给更多的板来承受，所以荷载作用位置处该方向应变较小。

(3) 在荷载相同的条件下，PPCP结构板边中部加载时最大压应变明显大于板中加载时的最大压应变，说明板边中部是PPCP结构的不利荷载位置，应尽量避免荷载作用于板边中部。相比于有利荷载位置，在不利的荷载位置处，动荷载相比于静荷载作用下的应变变化更大。

(4) 在PPCP纵向边板内侧纵缝中部和板块中心位置加载时，沿厚度方向的应变表现出明显的线性变化规律，即板顶受压，板底受拉，中性面应变基本为0，板底拉应变稍大于板顶压应变，符合小挠度薄板理论；在临空面纵缝中部加载时，此时挠度较大，板厚中部为拉应变，中性面发生上移，应变沿板厚方向无明显的线性变化规律，已不符合小挠度薄板理论。