机场沥青加铺结构组合设计

陈金章，国 洋

(1.中交通力建设股份有限公司勘察设计院，陕西 西安 710075； 2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

0 引 言

随着客流量的增大和大型重载飞机的出现，机场沥青加铺道面的轮辙问题已经引起业内的普遍关注。通过对机场道面病害进行调查后发现，轮辙主要出现在飞机低速行驶的平行滑行道和联络道，且在高温、重载、低速三相耦合作用下尤为严重。目前，国内外已有许多学者针对沥青道面轮辙问题展开研究，如蔡靖等对温度场下的机场柔性道面转弯区轮辙规律研究[1]；翁兴中对机场道面起飞段沥青薄盖被层应力状态进行了研究，结果表明夏季炎热季节容易发生剪切破坏[2]。然而，很少有学者从加铺结构组合设计的角度思考局部区域轮辙病害集中的问题。

国内机场进行加铺结构设计时，一般采用经验法或力学-经验法，对飞行区各部分结构稳定性差异考虑不足，整个机场道面大多采用统一加铺结构，或仅有2 cm的厚度差异[3-4]。但飞机在不同行驶区域行驶状况差别较大，跑道上的起降速度可达50～80 m·s-1；平行滑行道和联络道上的行驶速度则相对较低，甚至处在停滞状态。当整个机场道面采用统一加铺结构，滑行道和联络道上的荷载作用时间相比跑道上荷载作用时间将增大10倍甚至几十倍，导致滑行道和联络道比跑道更容易发生永久变形[5]，因此，结合飞机在各个区域的行驶状态差异进行加铺结构设计是非常有必要的。本文应用ABAQUS有限元结构分析软件，分析移动荷载作用下道面力学响应，对机场白改黑工程平滑道加铺结构组合设计进行研究和探讨。

1 设计参数

1.1 道面结构及材料参数

中国机场加铺结构组合大多采用SMA+AC。现选取某具有代表性的机场加铺结构，整个机场道面厚度最大相差为2 cm。材料厚度及参数见表1，假设飞机型号为B747-400。

1.2 模型建立

采用ABAQUS有限元平台进行力学分析。旧水泥混凝土路面板采用的平面尺寸为(长×宽)5 m×5 m，接缝宽1 cm，面层板与半刚性基层采用三维8节点减缩积分单元C3D8R模拟。 采用Foundation弹性基础代替土基 。ABAQUS中定义滑行方向对称边界UX=URY=URZ=0,垂直滑行方向对称边界UY=URX=URZ=0。

1.3 计算指标及位置确定

轮辙首先发生压密变形，特别在高温环境下，故选压应力σz及压应变εz作为计算指标。沥青混合料侧向流动是稳流动轮辙发生及发展的另一主要原因，故同时选取剪应力τxz及剪应变εxz作为计算指标。各指标的作用位置见表2。

表1 西北某机场加铺结构计算参数

表2 计算指标及位置

2 加铺结构力学响应分析

为得到平行滑行道和跑道两种不同道面的受力特点，分析大型飞机在不同荷载、温度、行驶速度、下面层材料模量变化时应力、应变变化规律。本文假定飞机在滑行道上的速度为5 m·s-1，在跑道上的速度为50 m·s-1，模拟轴载在150～300 kN、温度在30 ℃～60 ℃、加铺层模量在1 500～2 700 MPa时，道面的应力、应变随速度的变化规律。

2.1 速度-轴载影响分析

荷载在150～270 kN时应力、应变随速度的变化如图1～4所示。

图1 不同荷载下剪应力(τxz)随速度的变化

图2 不同荷载下剪应变(εxz)随速度的变化

图3 不同荷载下压应力(σz)随速度的变化

图4 不同荷载下压应变(εxz)随速度的变化

从图1～4可见：相同轴载作用下，最大剪应力(变)随速度的增加而减小，50 m·s-1时平均剪应力、剪应变分别较5 m·s-1时下降低5.8%、3.9%；压应力(变)随速度呈现先增大后减小的变化趋势，当速度较高时，变化趋于稳定。

同时，加铺层最大剪应力(变)及压应力(变)均随着轮载的增大线性增大。可见，当重载飞机在平行滑行道和联络道处于低速慢行时，道面所受的剪应力(变)较大，导致这部分道面在较短的时间发生较大的永久变形。

2.2 速度-温度影响分析

温度在30 ℃～60 ℃时应力、应变随速度的变化如图5～8所示。

图5 不同温度下剪应力(τxz)随速度的变化

图6 不同温度下剪应变(εxz)随速度的变化

图7 不同温度下压应力(σz)随速度的变化

图8 不同温度下压应变(εz)随速度的变化

从图5～8可以看出：相同温度时，速度的变化对应力的影响较大，当速度较低时，剪应力和压应力的变化较为平缓。随着速度的增大，剪应力明显减小，压应力明显增大；剪应变逐渐减小，但较小幅度不大，压应变依旧呈现先增大后减小的趋势；速度在10～50 m·s-1时，每增加10 m·s-1，压应变平均增大1.5%，剪应变平均降低0.9%。

同时，随温度升高，加铺层应变显著增大，抵抗变形能力降低明显，特别是温度高于50 ℃，应变急剧增大。当温度达到60 ℃时，平行滑行道和联络道上剪应力和压应力将是30 ℃时的2.64倍和2.99倍。可见在高温地区，平行滑行道和联络道更容易发生永久变形。

2.3 速度-模量影响分析

由于下面层模量随结构和材料的变化而变化，故本文分析下面层模量在1 500～2 700 MPa时，加铺层应力、应变随速度的变化， 结果如图9～12所示。

图9 不同模量下剪应力(τxz)随速度的变化

图10 不同模量下剪应变(εxz)随速度的变化

图11 不同模量下压应力(σz)随速度的变化

图12 不同模量下压应变(εz)随速度的变化

从图9～12可以看出：相同模量下，最大剪应力和剪应变均随速度增加而显著降低，速度为50 m·s-1时，平均剪应力、剪应变分别较5 m·s-1时降低6.4%、5.0%；压应力和压应变增大显著。

同时，随着下面层模量增大，剪应力(变)逐渐减小，且降低幅度越来越小。下面层模量从1 500 MPa增大到2 700 MPa，剪应力和剪应变平均降低1.0和1.5倍。压应力(变)随着模量的增大而逐渐降低，且降幅逐渐减小。模量从1 500 MPa增大到2 700 MPa时，压应力和压应变平均降低1.0、2.1倍。可见，适当提高下面层模量可以减小剪应力和剪应变，有助于改善轮辙病害。

3 合理结构推荐

由上述分析可以看出，在重载和高温的作用下，低速行驶区处于极限受力状态，会迅速产生永久变形。现有机场道面大多采用统一加铺结构，但平行滑行道和联络道的受力远远大于跑道。尤其是重载飞机增多、夏季高温季节时，滑行道和联络道将处于这种极限不利状态，导致早期轮辙破坏迅速发生并发展。相反，飞机在跑道上面高速行驶，降低了轮辙病害发生和发展的几率[6]。因此，现有的机场加铺结构设计并不能满足大型飞机荷载与高温环境的综合作用。

通过改变模量对应力应变的影响可知，在不同速度下，模量增加，剪应力增大，剪应变大幅度减小，压应力和压应变也逐渐减小，并且增加的幅度越来越小。由此认为，可以通过合理的设置下面层模量改善面层在高温、重载、低速行驶耦合作用下的极限不利受力状态。为推荐合理加铺结构材料，本文采用SMA-13、AC-20及HMAC这3种不同模量的沥青混合料，按照模量递增，组合为4种结构形式进行轮辙变化规律分析。结构组合形式见表3。

表3 路面结构组合

利用ANSYS模拟不同结构组合下轮辙随速度的变化规律，结果如图13所示。

图13 不同组合结构下轮辙深度随速度的变化规律

由图13可见：组合结构1采用SMA+AC，是国内机场普遍采用的组合形式，其抗轮辙性能最差。以组合结构1为基准，不同结构组合下平行滑行道和联络道、跑道上轮辙深度变化幅度如表4所示。

表4 不同结构组合下的轮辙变化

由表4可知，随着模量的增大，轮辙深度逐渐减小，适当提高面层模量能显著提高加铺层整体抗变形能力；组合4采用双层HMAC形式，改善效果最明显。

同时，在不同的飞行区域，轮辙深度变化幅度也具有明显差别。《民用机场道面评价管理技术规范》(MH/T5024—2009)中对轮辙损坏程度的规定如表5所示。当采用SMA+AC结构时，跑道上轮辙损坏程度为轻微，满足使用年限要求；然而，在结构组合为1、2、3时，平行滑行道和联络道的轮辙损坏程度均为严重，只有采用双层HMAC结构时轮辙损坏程度降为中等，说明现有的SMA+AC并不适用在平行滑行道和联络道。

表5 轮辙损害程度判别标准

因此，在机场道面设计时，跑道上推荐使用现常用加铺结构组合形式为SMA+AC，但平行滑行道和联络道应适当提高混合料模量至2 100～2 700 MP。推荐使用双层HMAC结构，同时降低材料的温度敏感性，从而缓解飞机荷载在低速慢行状态下剪应力增大对结构的不利影响，提高其抗变形能力和加铺结构的整体强度。

4 结 语

对不同荷载、温度、模量下加铺层最大剪应力、剪应变、压应力、压应变随速度的变化曲线进行分析，得到以下结论。

(1)现有的机场加铺结构设计时整个机场道面采用相同的加铺结构或仅有2 cm的厚度差异，并不能满足大型飞机荷载与环境的综合作用.

(2)在高温、重载条件下，飞机在平行滑行道及联络道上处于低速行驶，道面处于极限不利状态而迅速产生早期轮辙破坏，而高速行驶状态在很大程度上降低跑道上轮辙变形的发生及发展。

(3)在机场道面设计时，跑道上推荐使用组合为SMA+AC结构；平行滑行道和联络道推荐选用双层HMAC结构。

参考文献：

[1] 蔡 靖,李 岳,孙钦刚.温度场下的机场柔性道面转弯区轮辙规律研究[J].西南交通大学学报,2017,52(1):186-194.

[2] 翁兴中.机场道面加铺沥青面层的荷载应力分析[J].中国公路学报,1994,7(4):20-25.

[3] 汤 豆.基于典型病害的机场旧水泥混凝土道面沥青加铺结构研究[D].西安：长安大学,2016.

[4] 林小平.复杂条件下机场跑道沥青加铺层结构设计理论与方法[D].上海：同济大学,2007.

[5] 杨旭东.湿热地区水泥混凝土路面沥青加铺层结构与材料研究[D].西安：长安大学,2012.

[6] 马 翔,倪富健,顾兴宇.复合式机场道面结构设计方法[J].交通运输工程学报,2010,10(2):36-40.