本發(fā)明涉及道面主動除冰雪，具體是一種組合式導(dǎo)熱水泥砼的裝配式除冰雪道面及其設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、高原高寒機(jī)場直接關(guān)系著區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會運行和人員物資運輸需要，而冰雪氣候則嚴(yán)重制約了高原高寒機(jī)場的安全和高效運營。一方面，氣象觀測表明，高原高寒地區(qū)惡劣的暴雪冰凍等極端氣候呈現(xiàn)逐年增多趨勢，極端天氣造成的突發(fā)性、高強(qiáng)度積雪凝冰事件，極易造成道面抗滑功能失效、飛機(jī)起降風(fēng)險加劇甚至造成安全事故；另一方面，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國60％以上的機(jī)場位于嚴(yán)寒地區(qū)或寒冷地區(qū)降雪帶，其中很大一部分處在高原高寒地區(qū)，每年最長降雪期達(dá)6個月，若不能有效融雪除冰，則導(dǎo)致機(jī)場存在大量的時間無法正常運行。因此，為保證高原高寒環(huán)境飛機(jī)在冰雪氣候，特別是突發(fā)極端天氣時的有效運行，快速有力的機(jī)場道面主動除冰雪技術(shù)至關(guān)重要。

2、目前，國內(nèi)外仍缺乏有效的高原高寒機(jī)場道面除冰雪技術(shù)，現(xiàn)有各類方法在面向高原高寒環(huán)境的應(yīng)用需求時存在不同程度的短板。例如，公告號cn108395878b、名稱為一種機(jī)場專用的高效綠色融雪劑的中國發(fā)明專利和公開號cn113105867a、名稱為一種機(jī)場道面除冰液及其制備方法和應(yīng)用的中國發(fā)明專利，分別開發(fā)了機(jī)場專用的融雪劑和除冰液，盡管可實現(xiàn)道面除冰雪目的，但是這類技術(shù)形式采用降低道面冰點的原理存在最低冰點的制約，在面臨高原高寒環(huán)境經(jīng)常性發(fā)生的極端低溫時融冰雪見效慢或者使用效果受限，并且融化冰雪后形成的水膜一般無法徹底排出，容易在降溫時形成二次凝結(jié)的暗冰，導(dǎo)致道面抗滑能力不足，造成飛機(jī)起降環(huán)節(jié)的不安全隱患；公開號cn114657931a、名稱為一種多功能除雪車的中國發(fā)明專利，提供了一種采用機(jī)械除冰雪方式為主的除雪車裝備，但是除雪車作業(yè)時需要將跑道關(guān)閉，對機(jī)場的正常通航有一定影響，另外在大雪及以上的氣象條件下，跑道除雪車隊的車輛數(shù)較多，車隊轉(zhuǎn)場等活動將會對飛機(jī)的滑行安全帶來直接威脅；公告號cn108914743b、名稱為熱管加熱與流體加熱復(fù)合式道面融雪系統(tǒng)的運行控制方法的中國發(fā)明專利，提出了采用熱管加熱和流體加熱形式的融雪道面，一定程度上可以避免上述問題，但是該技術(shù)中涉及的熱管加熱和流體加熱方法均以地?zé)嶙鳛闊嵩?，建設(shè)過程中必須架設(shè)特種鉆機(jī)設(shè)備，對道面基層和下部土基進(jìn)行大量的精確定位和深層鉆孔作業(yè)，然后吊設(shè)埋置熱導(dǎo)管/取熱管、注漿回灌、硬化固定，最后支模、攤鋪和養(yǎng)生，并且流體加熱技術(shù)還需要建造許多熱泵機(jī)組，整體技術(shù)的專業(yè)性強(qiáng)、施工復(fù)雜度高、建設(shè)周期長，對工程單位的施工能力和設(shè)備配置有特定要求，全系統(tǒng)建設(shè)、運營和維護(hù)的成本投入較大，此外熱管加熱和流體加熱型融雪道面內(nèi)部結(jié)構(gòu)或管路損壞/失效后，維修不便、更換難度大。

3、綜上所述，現(xiàn)有的各類機(jī)場道面除冰雪技術(shù)還存在極端條件可用性不夠、融冰化雪效率不足、建設(shè)復(fù)雜度及成本高、施工質(zhì)量控制和維修更換難等各類問題，難以匹配常規(guī)和極端冰雪氣象條件下高原高寒機(jī)場全天候安全保通要求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有機(jī)場道面在極端條件下除冰雪技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種組合式導(dǎo)熱水泥砼的裝配式除冰雪道面及其設(shè)計方法，其優(yōu)化設(shè)計道面結(jié)構(gòu)形式，通過裝配式除冰雪面層的無機(jī)電熱管-碳纖維線纜組合導(dǎo)熱水泥混凝土實現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)化型機(jī)場道面除冰雪模式，達(dá)到快速有力且低成本地主動除冰雪以滿足高原高寒機(jī)場道面的全天候通航需要，施工技術(shù)難度低，維修更換方便。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取下述技術(shù)方案：

3、一種組合式導(dǎo)熱水泥砼的裝配式除冰雪道面，包括從下至上依次設(shè)置的下部土基、基層、復(fù)合功能層以及裝配式除冰雪面層；

4、所述復(fù)合功能層從下至上依次由慢裂灑布型乳化瀝青透層、密實砂粒式瀝青混合料隔離層和環(huán)氧改性乳化瀝青黏結(jié)層組成；

5、所述裝配式除冰雪面層由若干預(yù)制道面板單元通過連接構(gòu)件拼接成整體并通過電能供給控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，單個預(yù)制道面板單元包括導(dǎo)熱水泥混凝土道面板基體以及埋設(shè)在其內(nèi)部的兩層帶肋鋼筋網(wǎng)片與綁扎固定在上層帶肋鋼筋網(wǎng)片表面的無機(jī)電熱管陣列和碳纖維線纜陣列，所述無機(jī)電熱管陣列的單根無機(jī)電熱管和所述碳纖維線纜陣列的單段碳纖維線纜通過內(nèi)部導(dǎo)線并聯(lián)，所述內(nèi)部導(dǎo)線兩端接出位置安裝連接線防水接頭，所述電能供給控制系統(tǒng)設(shè)置配電箱與供電設(shè)施連接，所述配電箱連接設(shè)置外部導(dǎo)線，所述外部導(dǎo)線通過連接線防水接頭與內(nèi)部導(dǎo)線接通，為裝配式除冰雪面層的無機(jī)電熱管陣列和碳纖維線纜陣列進(jìn)行供電和開關(guān)控制。

6、進(jìn)一步的，所述慢裂灑布型乳化瀝青透層采用陽離子乳化瀝青pc-2，瀝青含量為50％～60％，灑布量為0.8～1.2kg/m2；所述密實砂粒式瀝青混合料隔離層采用礦質(zhì)集料公稱最大粒徑為4.75mm的連續(xù)級配瀝青混合料，厚度為30～40mm，瀝青為70-a型或者90-a型基質(zhì)石油瀝青；所述環(huán)氧改性乳化瀝青黏結(jié)層采用70#基質(zhì)瀝青、乳化劑、固含量≥60％的水性環(huán)氧樹脂和固含量≥50％的固化劑制備而成。

7、進(jìn)一步的，所述導(dǎo)熱水泥混凝土道面板基體的導(dǎo)熱系數(shù)為10～25w/m·k，彎拉強(qiáng)度不小于6mpa，由磁鐵礦骨料、常規(guī)骨料、鋼纖維、水泥、水和外加劑拌制澆筑成型，其四周與兩層帶肋鋼筋網(wǎng)片的鋼筋端部對應(yīng)位置預(yù)制矩形凹槽。

8、進(jìn)一步的，所述兩層帶肋鋼筋網(wǎng)片均由橫縱布置的條狀方環(huán)型帶肋鋼筋在交叉點焊接而成，且條狀方環(huán)型帶肋鋼筋的兩端伸至對應(yīng)的矩形凹槽內(nèi)。

9、進(jìn)一步的，所述連接構(gòu)件包括上頂面定位板、下底面定位板、緊固螺栓和水泥基灌漿料，所述上頂面定位板與所述下底面定位板分別設(shè)置在兩層帶肋鋼筋網(wǎng)片對應(yīng)的條狀方環(huán)型帶肋鋼筋端部上下兩側(cè)，通過四個所述緊固螺栓將相鄰兩塊預(yù)制道面板單元連接在一起，所述水泥基灌漿料填充矩形凹槽。

10、進(jìn)一步的，所述無機(jī)電熱管陣列由若干根平行排布的無機(jī)電熱管組成，單根無機(jī)電熱管的內(nèi)部充滿混合型無機(jī)元素作為傳熱介質(zhì)；所述碳纖維線纜陣列由若干段平行排布的碳纖維線纜組成，單段碳纖維線纜的內(nèi)部為碳纖維導(dǎo)體且外表包裹鐵氟龍絕緣層和聚氟乙烯保護(hù)層；單段碳纖維線纜呈u型并圍繞單根無機(jī)電熱管周圍布置。

11、一種組合式導(dǎo)熱水泥砼的裝配式除冰雪道面的設(shè)計方法，包括以下步驟：

12、步驟一：采集裝配式除冰雪道面使用區(qū)域的航空器設(shè)計參數(shù)、自然環(huán)境極端特征參數(shù)和設(shè)計使用年限，所述航空器設(shè)計參數(shù)包括航空器設(shè)計交通量、航空器荷載類型及航空器接地荷載，所述自然環(huán)境極端特征參數(shù)包括使用區(qū)域50年內(nèi)極寒天氣數(shù)據(jù)及板底-板頂最大溫度梯度；

13、步驟二：確定基層和復(fù)合功能層的厚度，同時擬定裝配式除冰雪面層的厚度，并確定下部土基、基層、復(fù)合功能層和裝配式除冰雪面層在內(nèi)的各結(jié)構(gòu)層材料的性質(zhì)參數(shù)，包括力學(xué)性質(zhì)參數(shù)和熱物理性質(zhì)參數(shù)，所述力學(xué)性質(zhì)參數(shù)包括反應(yīng)模量、彈性模量、泊松比和密度，所述熱物理性質(zhì)參數(shù)包括導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和線膨脹系數(shù)；

14、步驟三：通過有限單元法建立裝配式除冰雪道面的三維數(shù)值仿真模型，其中，各結(jié)構(gòu)層的相鄰層間設(shè)置為完全黏結(jié)，相鄰導(dǎo)熱水泥混凝土道面板基體的板間連接點處設(shè)置為完全黏結(jié)，底面邊界設(shè)置為溫克勒地基約束，四周邊界設(shè)置為固定約束，溫克勒地基約束確定公式如下：

15、q(x,y)＝kw(x,y)?(1)

16、式中，q(x,y)為下部土基在點(x,y)處的地基反力，k為下部土基的反應(yīng)模量，w(x,y)為下部土基在點(x,y)處的位移；

17、步驟四：根據(jù)裝配式除冰雪道面的三維數(shù)值仿真模型，施加各類型航空器荷載，模擬計算得到航空器第i類荷載作用下的道面板內(nèi)部荷載應(yīng)力的最大值σpi，計算公式如下：

18、σpi＝max(σpi,1，σpi,2，σpi,3)?(2)

19、式中，σpi,1為航空器第i類荷載在道面板的板中作用時內(nèi)部荷載應(yīng)力的最大值，σpi,2為航空器第i類荷載在道面板的板邊作用時內(nèi)部荷載應(yīng)力的最大值，σpi,3為航空器第i類荷載在道面板的板角作用時內(nèi)部荷載應(yīng)力的最大值；

20、步驟五：根據(jù)航空器設(shè)計交通量計算航空器第i類荷載的累計作用次數(shù)npi，根據(jù)航空器第i類荷載作用下的道面板內(nèi)部荷載應(yīng)力的最大值σpi計算對應(yīng)的容許作用次數(shù)npi，計算公式分別如下：

21、

22、式中，ni為使用初期航空器第i類荷載作用次數(shù)，g為設(shè)計使用年限內(nèi)航空器交通量年均增長率，t為設(shè)計使用年限，j為航空器類型的序號，k為航空器類型的總量，ni,j為使用初期第j類航空器第i類荷載作用次數(shù)，ff為道面板導(dǎo)熱水泥混凝土的彎拉強(qiáng)度設(shè)計值；

23、步驟六：基于得到的航空器第i類荷載的累計作用次數(shù)npi和航空器第i類荷載作用下對應(yīng)的容許作用次數(shù)npi，依據(jù)正常使用狀態(tài)疲勞破壞模式進(jìn)行臨界安全性判別，若臨界安全性判別滿足要求則確定裝配式除冰雪面層的基準(zhǔn)設(shè)計厚度，否則返回步驟二重新擬定裝配式除冰雪面層的厚度，該模式的臨界安全性判別計算公式如下：

24、

25、式中，m為航空器荷載類型的總量；

26、步驟七：基于確定的裝配式除冰雪面層的基準(zhǔn)設(shè)計厚度，建立考慮導(dǎo)熱水泥混凝土道面板基體、無機(jī)電熱管陣列及碳纖維線纜陣列的單個預(yù)制道面板單元的三維數(shù)值仿真模型，其中，相鄰兩段碳纖維線纜之間的最近距離l和相鄰兩根無機(jī)電熱管之間的最近距離l，確定公式如下：

27、

28、式中，pcfc為碳纖維線纜的額定加熱功率，pehp為無機(jī)電熱管的額定加熱功率，d為導(dǎo)熱水泥混凝土集料公稱最大粒徑；

29、步驟八：根據(jù)導(dǎo)熱水泥混凝土集料公稱最大粒徑d確定無機(jī)電熱管陣列及碳纖維線纜陣列的最小埋設(shè)深度hmin，基于步驟七設(shè)定多組預(yù)制道面板單元的無機(jī)電熱管陣列及碳纖維線纜陣列的埋設(shè)深度h，滿足h≥hmin，建立不同埋設(shè)深度預(yù)制道面板單元的三維數(shù)值仿真模型；

30、步驟九：根據(jù)不同埋設(shè)深度預(yù)制道面板單元的三維數(shù)值仿真模型，模擬計算得到航空器各類型最大荷載在道面板的板中、板邊和板角作用時面層內(nèi)部的最大荷載應(yīng)力值σp,max，計算50年內(nèi)極寒天氣數(shù)據(jù)-不同加熱溫度組合作用和板底-板頂最大溫度梯度作用時面層內(nèi)部的最大溫度應(yīng)力值σt,max；

31、步驟十：繪制以埋設(shè)深度和加熱溫度為自變量，以最大荷載應(yīng)力值σp,max與最大溫度應(yīng)力值σt,max之和為函數(shù)的曲面，依據(jù)極限使用狀態(tài)最大拉應(yīng)力破壞模式進(jìn)行臨界安全性判別，確定裝配式除冰雪道面滿足安全性要求的無機(jī)電熱管陣列及碳纖維線纜陣列的設(shè)計埋設(shè)深度最小值，該模式的臨界安全性判別計算公式如下：

32、γ(σp,max+σt,max)≤ff?(7)

33、式中，γ為設(shè)計可靠度調(diào)整系數(shù)。

34、進(jìn)一步的，所述設(shè)計可靠度調(diào)整系數(shù)γ取為1.0～1.2。

35、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

36、一、開發(fā)無機(jī)電熱管-碳纖維線纜組合導(dǎo)熱水泥混凝土的電熱轉(zhuǎn)化型機(jī)場道面除冰雪模式，解決高原高寒機(jī)場極端或者突發(fā)冰雪氣象條件下道面除冰雪及時、高效、有力、可控和能源來源便捷的需求。

37、①無機(jī)電熱管-碳纖維線纜可以實現(xiàn)將電能快速轉(zhuǎn)化為熱能，組合添加一定比例磁鐵礦骨料和鋼纖維的導(dǎo)熱水泥混凝土后保證傳熱效率，將能量來源便捷的電能轉(zhuǎn)化為熱能并高效傳遞至道面以快速融化冰雪，且通過持續(xù)供能，可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)溫度，相較于融雪劑和除冰液等存在最低使用溫度(通常高于極端環(huán)境的出現(xiàn)溫度)的限制，適用溫度域的范圍更廣，契合高原高寒環(huán)境需要；

38、②無機(jī)電熱管和碳纖維線纜相比，無機(jī)電熱管加熱速率更高，但道面溫度均勻性略顯不足，碳纖維線纜升溫均勻性更佳，但是加熱速率相對較低，通過兩者交叉布設(shè)和組合，在極端/突發(fā)性的冰雪或者溫度環(huán)境下協(xié)同工作，一方面保證除冰雪效能，另一方面保證道面溫度均勻性，防止道面溫差引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷；

39、③無機(jī)電熱管和碳纖維線纜設(shè)置為由不同內(nèi)部導(dǎo)線連接，可以獨立控制，在不同降雪/凝冰強(qiáng)度下，可按照除冰雪效果、經(jīng)濟(jì)性和安全性的多重需求獨立開啟，實現(xiàn)按需控制、優(yōu)化調(diào)節(jié)、節(jié)約成本；

40、④相較于融雪劑、除冰液和除雪車等傳統(tǒng)方式清除不干凈、融水后會發(fā)生再次凝冰以及損傷道面表面構(gòu)造的問題，無機(jī)電熱管-碳纖維線纜可實現(xiàn)道面冰雪的徹底清除，確保道面無二次凝冰或者暗冰現(xiàn)象，保持高原高寒機(jī)場道面抗滑構(gòu)造和全天候通航需要，避免道面的安全性隱患；

41、⑤所采用的電能轉(zhuǎn)化熱能的形式其能量來源廣泛、有可替代性，可以采用輸電線路直接供電，也可以利用高原高寒地區(qū)充足的光照資源，以太陽能作為供電模式，且電能供能可幫助系統(tǒng)更為輕便，相較于現(xiàn)有重力式熱管技術(shù)和流體加熱熱管技術(shù)，可以避免建設(shè)取熱井、換熱泵機(jī)等設(shè)施，降低除冰雪系統(tǒng)的復(fù)雜度，增強(qiáng)穩(wěn)定性和可控性；

42、⑥根據(jù)正常使用狀態(tài)疲勞破壞模式和極限使用狀態(tài)最大拉應(yīng)力破壞模式，給出了同時考慮荷載和溫度效應(yīng)的無機(jī)電熱管-碳纖維線纜組合導(dǎo)熱水泥混凝土的裝配式除冰雪道面設(shè)計方法，實現(xiàn)設(shè)計過程的有據(jù)可依，方便工程技術(shù)人員在實際工程中應(yīng)用。

43、二、采取將無機(jī)電熱管-碳纖維線纜并聯(lián)且集中埋設(shè)到導(dǎo)熱水泥混凝土道面板基體內(nèi)部的構(gòu)型，提升道面結(jié)構(gòu)建設(shè)質(zhì)量，降低建設(shè)難度和對特種設(shè)備的要求，便于過程施工，方便后期結(jié)構(gòu)損壞時快速維修和更換。

44、①把無機(jī)電熱管-碳纖維線纜的加熱單元和導(dǎo)熱混凝土集成為裝配式的預(yù)制道面板單元，基于配套設(shè)計的預(yù)制模板，可采用工廠大批量、重復(fù)性預(yù)制的方式保證道面板結(jié)構(gòu)層產(chǎn)品的質(zhì)量(加熱單元定位精度高、導(dǎo)熱混凝土質(zhì)量可控)和生產(chǎn)效率，縮短現(xiàn)場鋪筑施工的時間和流程，并且提前預(yù)制能便于優(yōu)化施工組織設(shè)計，將預(yù)制道面板單元運輸至現(xiàn)場吊裝即可完成建設(shè)，相較于現(xiàn)有的重力式熱管技術(shù)和流體加熱熱管技術(shù)，無需特種鉆孔設(shè)備鉆取深取熱井或者建設(shè)許多熱泵機(jī)組，降低建設(shè)的技術(shù)難度；

45、②無機(jī)電熱管和碳纖維線纜采用并聯(lián)形式與內(nèi)部導(dǎo)線連接，可以避免單根無機(jī)電熱管或碳纖維線纜局部失效對全系統(tǒng)可用性的影響，每個預(yù)制道面板單元也是獨立的模塊，當(dāng)單個預(yù)制道面板單元損壞后，對全系統(tǒng)運行影響較小，而且可快速取出進(jìn)行更換，提升除冰雪系統(tǒng)穩(wěn)健性和可靠性；

46、③預(yù)制道面板單元設(shè)計了帶肋鋼筋網(wǎng)片，可以增強(qiáng)道面板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而且?guī)Ю咪摻罹W(wǎng)片的端部伸出道面板基體的矩形凹槽，便于通過連接構(gòu)件實現(xiàn)預(yù)制道面板單元之間的牢固連接，通過帶肋鋼筋網(wǎng)片傳遞道面荷載，受力更加均勻，避免傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)楔入連接或者傳力構(gòu)件板邊連接出現(xiàn)的連接部位應(yīng)力集中，易于損壞的問題，此外，帶肋鋼筋網(wǎng)片可作為無機(jī)電熱管和碳纖維線纜布設(shè)定位的支撐，便于無機(jī)電熱管和碳纖維線纜的安裝和位置精度控制；

47、④設(shè)計了慢裂灑布型乳化瀝青透層、密實砂粒式瀝青混合料隔離層、環(huán)氧改性乳化瀝青黏結(jié)層組成柔性復(fù)合功能層，可以實現(xiàn)基層的防水密封，保護(hù)基層結(jié)構(gòu)，還能起到對裝配式除冰雪面層找平作用，提高預(yù)制道面板單元裝配的平整度可控性和施工便利性，而且有助于緩沖預(yù)制道面板單元板底的應(yīng)力集中現(xiàn)象，優(yōu)化道面結(jié)構(gòu)受力體系。