机场道面受热环境下反射裂缝形成机理分析

江圣泽，徐 轩

（1.中国民航飞行学院，四川 广汉618307；2.深圳市市政工程总公司，广东 深圳518000）

引言

目前我国民用机场跑道以水泥混凝土道面为主，当机场的航班客运量增加，水泥道面由于主起落架的不断作用而导致强度下降产生破损。为了继续维护机场的安全运行，部分机场会对损坏较大的水泥混凝土道面进行盖被。通常采用沥青混凝土作为材料在原有道面的基础上进行摊铺。反射裂缝是沥青混凝土面层在投入运营后产生较多的病害，它主要沿着原水泥混凝土道面板块间施工缝分布，是一种由面层内部逐渐向上开裂发展而来的裂缝。机场在夏季高温运行期间，道面材料会受热膨胀，此时若飞机滑行时从施工缝上部的沥青混凝土面层滑过，则会加剧反射裂缝的发展。反射裂缝导致沥青混凝土加铺层开裂，使水沿缝下渗，在荷载和温度的反复作用下，新铺道面将发生破坏，危及飞行安全[1]。因此在飞机荷载作用下，有必要对此种高温膨胀状态下的复合道面结构进行分析，探究反射裂缝形成的机理。

1 有限元模型及参数

1.1 模型设置

在原水泥混凝土道面上铺筑沥青混凝土加铺层，受到温度和荷载应力的共同作用。这两种应力随着加铺层的厚度，当地的气候条件等因素的不同所起的作用[2]。目前，机场复合道面防反射裂缝的方法是设置应力吸收夹层[3]或是在沥青混凝土层与旧水泥混凝土道面之间铺设土工布[4]。机场复合道面兼顾刚性路面和柔性路面的特点[5]。结合国内某机场复合道面结构，模型设置为两块5m×5m 的水泥混凝土板，中间覆盖一层厚度为0.09m 的AC-20 沥青混凝土层，最上部为0.06m 的SMA 改性沥青混凝土层（见图1），水泥混凝土板与沥青面层间不加设应力吸收材料，各层材料参数见表1。

表1 材料参数表

1.2 荷载施加

夏季高温天气易使沥青面层在太阳光照射下吸收大量的热量，部分地区的道面温度作用下会达到60℃。按照实际机场道面的受热状况，使用ANSYS 软件对模型进行热分析。为进一步模拟主起落架产生的作用，分别对模型上表面进行两种荷载布置。第一种荷载施加于下部混凝土板的临界荷位对应处（见图2），第二种荷载施加于下部混凝土板缝对应的中间位置处（见图3）。

由于该机场的道面可无限制运行B737-800，对A321 需进行限制运行，故取这两种机型在最大起飞重量下的主起落架荷载对道面进行分析，各参数见表2。

图1 三维有限元模型图

图2 荷载施加位置-1 示意图

图3 荷载施加位置-2 示意图

1.3 边界条件及网格划分

根据《民用机场道面评价管理技术规范》规定利用评价机型评估机场的最大起飞重量时，采用的有限元模型应为板边自由状态下[6]。板体在受热膨胀后，处于四边不自由状态[7]，因此设置边界条件时，保持模型的上表面为自由状态，模型四周约束水平方向的运动。根据温克勒地基上的弹性板理论，板底的基顶反应模量取120MN/m3，对板底施加弹性支撑。

考虑到计算效率和误差，一般对荷载作用区域的网格密度进行细化，以荷载作用区域为中心渐变增加网格的大小，以减少单元的数量，节约计算成本[8]。整体模型共40050 个节点，11748 个单元。

2 模型计算与分析

2.1 计算结果分析

复合道面受荷载和温度耦合作用，当沥青层底产生的主应力大于材料的容许拉应力时，容易产生反射裂缝[9]。结合机场的实际运行情况，计算了两种机型作用下沿板缝分布的横向应力、位移以及沿单轮中线分布的纵向位移。

B737-800 在最大起飞重量下的单轮轮印尺寸取长为0.49m，宽为0.3m 的矩形面，A321 在最大起飞重量下的单轮轮印尺寸取长为0.53m，宽为0.32m 的矩形面。两种机型主起落架在荷载位置-1 处造成的表面应力分布见图4 和图5。

由于受热膨胀，处于四边不自由状态下的板体周围产生应力，B737-800 和A321 起落架作用下最大应力值分别为1.08MPa 和0.85MPa；位于主起落架作用区域的最大应力值分别为0.7MPa 和0.58MPa；模型中央横向2500mm 处的应力值分别为0.03MPa 和0.09MPa。对比发现，B737-800 产生的主轮作用区和板边的应力值要大于A321，但是A321 在横向中心位置处的应力数值要大于B737-800。

计算得到了两种机型产生的沿横向板缝对应处沥青混凝土表面产生的竖向位移，B737-800 和A321 作用下产生的整体最大变形分别为0.21mm 和0.22mm，主起落架作用区域的最大位移约为0.06mm。沿单轮中心线分布的纵向位移，B737-800 和A321 产生的最大位移为0.28mm，纵向5000mm 处的最大位移为0.06mm。

表3 为作用在荷载位置-1 时的沥青面层底部沿板缝横向分布的应力计算数值，B737-800 和A321 在沥青混凝土底层周边产生的最大应力为1.15MPa，主起落架附近区域产生的最大应力值为0.44MPa 和0.48MPa。

分别以两种机型的最大起飞重量对板块接缝位置对应的沥青面层施加作用，通过对此种荷载下的计算，得到荷载位置-2 沥青混凝土面层纵向分布的位移、应力结果。

图6 为B737-800 荷载位置-2 处的横向应力分布图，图7 为A321 荷载位置-2 处的横向应力分布图。图中，B737-800 和A321 的受力区域的最大应力值分别为1.71MPa 和1.12MPa；板体边缘产生的最大应力值为0.78MPa 和0.58MPa；模型中横向2500mm 处产生的应力值为0.06MPa 和0.02MPa。从数据看，B737-800 产生的应力数值要略大于A321 产生的应力数值。

表3 为作用在荷载位置-2 时的沥青面层底部沿板缝横向分布的应力计算数值，B737-800 和A321 在沥青混凝土底层周边产生的最大应力分别为1.19MPa 和1.18MPa，主起落架附近区域产生的最大应力值为1.02MPa 和1.09MPa。

根据两架飞机对应的接缝位置产生的竖向位移分布结果，B737-800 和A321 产生的最大变形值为0.22mm。当主起落架作用在模型表面的中间位置时，板体产生的总体变形要大于处于荷载位置-1 时的变形。

提取主起落架在两种荷载位置时沿单轮中心线纵向分布的位移结果，两种机型产生的最大变形位移为0.27mm。荷载位置-1 时的A321 和B737-800 在纵向距离5000mm 处的最大位移值为0.065mm。荷载位置-2 时的A321 在纵向5000mm 处产生的位移为0.1mm，B737-800 产生的相应位移为0.12mm。

表2 主起落架参数表

图4 B737-800 荷载位置-1 横向应力分布图

图5 A321 荷载位置-1 横向应力分布图

表3 荷载位置-1 沥青混凝土层底应力

2.2 形成机理分析

根据计算结果将两种机型各位置作用下的应力、位移的数值结果进行对比。图8、9 为B737-800 在荷载位置-1 与荷载位置-2 产生的沿板缝横向分布的竖向位移与应力对比图。

图10、11 为A321 机型在不同荷载位置处产生的沿板缝横向分布的竖向位移与应力分布对比图。当主起落架作用在荷载位置-2 时，水泥混凝土板接缝对应的沥青混凝土上表面靠近轮胎周围处应力值和位移数值大于荷载位置-1 时产生的结果。而模型的两侧靠近板边的位移值相差不大，荷载位置-1 作用下产生的应力值要大于荷载位置-2 的结果。在相关位置，沥青混凝土底层产生的应力值要大于荷载位置-1 时的应力数值。

通过观察图12、图13 两种机型沿单轮中线分布的横向位移分布对比结果，可知在纵向距离5000mm 处，荷载位置-1 产生的应力小于荷载位置-2 的应力。飞机向前滑行的过程中（见图14）板块对应的接缝位置附近会产生相应的应力变形，当滑行至与接缝对应的位置时图15中产生的最大应力值向反方向偏移。

当荷载作用在旧道面裂缝或接缝一侧，旧道面在这个荷载作用下，板缝两侧的道面板产生相对的竖向位移[10]。当荷载作用在旧道面的裂缝或接缝上，道面结构横向中心位置处的应力和位移会随着机轮的靠近而增大，这种作用会使得沥青混凝土层在不断的剪切变形下从内部产生裂缝并且继续向表层拓展形成反射裂缝。

图6 B737-800 荷载位置-2 横向应力分布图

图7 A321 荷载位置-2 横向应力分布图

表4 荷载位置-2 沥青混凝土层底应力

3 结论

本文分别计算了B737-800 和A321 在不同荷载位置下对道面产生的位移和应力。通过对比两种机型的数据结果得出以下结论：

（1）道面板在两种机型作用在两种不同荷载位置时，由于材料受热出现膨胀，板体周边会产生一定的应力。主起落架作用区域的横向应力最大，荷载位置-2 情况下的应力值大于荷载位置-1 情况下的应力值。

（2）两种机型作用区域在荷载位置-2 下的横向位移要大于荷载位置-1 下的竖向位移，说明当主起落架压过模型中间位置时的竖向位移最大，其余部位产生的竖向位移变化规律基本一致。

（3）观察两种机型单轮中心线整体模型的纵向位移，荷载位置-2 情况下纵向5000mm 处的位移要大于荷载位置-1 产生的位移。当道面结构受热膨胀后，沥青混凝土层在剪切-弯拉-剪切的持续作用下便容易产生反射裂缝。

图8 B737-800 沿板缝表面竖向位移对比图

图10 A321 沿板缝表面竖向位移对比图

图11 A321 沿板缝表面应力对比图

图13 A321 表面纵向为分布对比图

图14 机轮靠近接缝处示意图

图15 机轮通过接缝处示意图