平整度劣化条件下机场复合道面力学特性分析

朱杰涛 马俊鹏

中国民航大学

1.道面结构模型建立

本文选取上海虹桥机场作为研究对象，应用ABAQUS有限元软件，结构层参数及层间结合系数见表1。模型选取四块水泥板，每块板的尺寸为5m×5m，接缝宽度为0.01m，总的尺寸为10.01m×10.01m。接缝传荷能力用虚拟材料来代替，弹模为50Mpa。边界条件设置：在飞机滑行方向和垂直滑行方向约束道面结构的水平位移。有限元模拟时，连续模型层间采用绑定设置；接触模型罚函数公式(Penalty)模拟，法向接触采用“硬”接触(Hard Contact)。机轮荷载参数见表2，荷载和接缝位置见图1。

2.受力分析

按照[1]动载系数求解公式，求解IRI=4时的综合动载系数为1.12，用有限元模拟劣化复合道面，提取数据进行受力分析如下。

2.1 水泥板应力分析

由于水泥板时主要的承重层，在复合道面劣化条件下，水泥板会受到较大的荷载冲击，所以本文提取水泥板最大主应力进行力学分析，数据如下。

由图3可知水泥板底拉应力全大于板顶压应力，其中何位4最大主应力值最大，最大拉应力为1.6Mpa，最大压应力为0.895Mpa，拉应力时压应力的1.8倍，并且上下板最大拉压应力差最大。说明当荷载作用在接缝边缘时是最不利的荷载位置。

图3 水泥板最大主应力

2.2 路表位移分析

路表位移表示道面整体刚度特性，所以提取机轮下道面位移进行分析。由图4可知，几种荷载作用下弯沉值走向一致，最大弯沉值产生在机轮下方。荷位1和何位4作用下路表反向弯沉值较大，道面容易产生翘曲，层间结合能力不足时，在外界荷载和温度作用下，容易产生开裂等各种病害，使用寿命急剧降低。

表1 复合道面结构层参数

表2 B737-800荷载参数

图1 机轮与接缝位置图

图4 路表弯沉值

2.3 层间剪应力分析

复合道面层间结合处是受力薄弱的环节，所以本文选取层间最大剪应力作为分析对象。提取各层间最大剪应力如下图5所示，由图可以得出最大剪应力产生在最上层底，依次第二第三加铺层底剪应力减小，且每层剪应力在不同荷位状态下变化很小，但水泥板顶最大剪应力由于接缝的存在最大剪应力值变化很大，水泥板顶最小剪应力产生在荷位6处值为1.237Mpa，最大值产生在何位4处值为1.959，增加了53.4%，所以荷位4是受力最不利情况。

图5 各层间最大剪应力

3.结论

水泥板底拉应力大于板顶压应力，荷位4是最不利情况，容易产生各种破坏。荷位1、4产生较大翘曲，最大翘曲值产生在板边处对板边产生较大破坏。最大剪应力产生在最上层沥青板底，第二层第三层剪应力依次减小，且各层剪应力在不同荷位状态下差值很小。水泥板顶剪应力在荷位4处产生最大值，所以在复合道面加铺设计时考虑不同荷位对道面受力影响。

[1]董倩，基于航空器滑行刚性道面位移场的跑道承载力研究[D].天津：中国民航大学，2013.