机场沥青混凝土道面设计的力学—经验法

　

(中国民航大学机场学院　天津　300300)

引言

机场沥青道面损坏的主要类型有轮辙、龟裂和纵横向裂缝，其中前两种属于结构性损坏。现有的设计方法中虽主要分析了道面结构的受力和变形特性，但远没有有效解决其结构设计中无法控制发生结构性损坏的突出问题。

一、美国联邦航空局LEDFAA

美国FAA开发的LEDFAA系列程序中，道面轮辙损坏通过土基顶面的最大竖向压应变与荷载反复作用次数的关系来表征。对于给定的土基顶面竖向应变值，确定道面损坏前所能承受的飞机覆盖次数的损坏模式方程为:

(1)

式中:C-道面在损坏前所能承受的覆盖次数；ESG-土基回弹模量；εv-土基顶面的竖向压应变

该模型中的土基模量反映了土基的损坏效应。对于给定的应变值，随着土基模量的下降，道面在损坏前所能承受的覆盖次数也呈下降趋势，这样设置是为了模拟当土基强度下降时，道面结构通常会产生塑性变形增加效应。

LEDFAA1.3中采用分段方程的形式来表征轮辙损坏模型:

根据NAPTF的现场轮辙足尺试验数据，回归了轮辙预估模型:

logN=A+bεv(3)

式中:N-疲劳损坏时的作用次数;A-材料常数;b-材料损坏指数;εv-土基顶面压应变

二、FAA力学—经验法

美国联邦航空局FAA针对新一代大型飞机，建立了以弹性层状体系为理论基础、以飞机荷载作用下沥青层底的水平拉应变以及土基顶面的竖向压应变作为设计控制指标的力学—经验法，并且开发了设计软件LEDFAA，该软件以FAA自行开发的弹性层状体系分析软件LEAF，作为道面结构力学响应的核心计算程序，具体沥青道面厚度设计流程见图1。

图1　FAA沥青道面设计流程图

设计过程中，对于多轮起落架荷载，采用叠加原理进行计算，通过该程序获得设计指标对应的力学响应量，然后代入使用性能预估方程进行计算，而则采用上述新的覆盖次数的概念确定，通过几轮试算最终达到标准0.95

三、设计指标的累积损伤

根据Miner定律，不同飞机荷载对道面产生的疲劳损伤可以线性叠加。按照该定律针对各种飞机不同的设计参数，分别计算得到其对道面的疲劳损伤程度，然后把不同飞机的疲劳损伤程度进行线性累加，得到一个累积损伤因子CDF(cumulative damage factor)，根据CDF是否接近1来判定道面是否达到疲劳损坏状态,这一概念就称为累积损伤原理。

累积损伤因子CDF是道面在各种机型作用下已经使用疲劳寿命的表征，可通过各种机型的线性叠加得到，参见式(3-1)：

(3-1)

式中：ni—第i种飞机的预期重复作用次数；k—使用飞机的总数；Ni—第i种飞机的允许重复作用次数，由设计指标的损坏预估方程决定；

道面结构设计采用CDF作为指标时，以CDF的大小来判定结构设计的合理性，CDF与设计控制损坏标准的对应关系如下：

当CDF=1时，道面在到达预期的设计使用年限时达到损坏标准；

当CDF<1时，道面在到达预期的设计使用年限时，尚未达到损坏标准，还有剩余的使用寿命；

当CDF>1时，道面在未到预期设计使用年限时就提前达到损坏标准，寿命不足。

在道面结构设计中可以把CDF控制在0.95～1.05的范围内作为设计准则，也可以根据可靠度的概念，动态地制定CDF的可接受标准。

四、结论

新一代大型飞机起飞重量大、起落架构型复杂、机轮多，在其复杂起落架构型多轮荷载的长期作用下，对机场道面结构设计提出了新的要求。

基于道面结构力学响应的力学—经验法已成为新一代机场道面设计方法发展的趋势，本论文提出的设计方法新体系即采用力学—经验法，针对柔性基层沥青道面疲劳开裂和轮辙变形的控制设计，采用基于累积损伤的设计方法，建立了道面结构设计流程和详细步骤，力学—经验法已成为世界各国积极发展的研究方向。