通航机场跑道道面承载能力分析

刘文芝，邓月秋，何洁茹

（内蒙古工业大学 航空学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

机场跑道是飞机载荷的主要承载区域，ICAO 规定，起飞重量超过5 700 kg 的飞机，用飞机等级序号ACN 和道面等级序号PCN 的方法来确定飞机压强和跑道强度间的关系；若PCN 大于ACN 值，则这类跑道可无限使用，特殊情况下，如果ACN 超过PCN 的5%～10%时，仍可使用，但跑道使用寿命会缩短[1]。

目前，根据承载机型的不同，机场跑道道面材料主要有刚性水泥混凝土和非刚性沥青道面，采用哪种材料的道面，一方面取决于其承载强度，另一方面还需考虑其承载变形问题。虽然通航机场运行的飞机机型一般为中小型飞机，但随使用时间的推移，道面的裂纹、破损和局部沉降等问题依然存在，对飞机和人员的安全产生威胁。因此，在跑道承载机型一定的前提下，道面材料承载能力的影响问题，是保证飞行和机场运行安全的关键。

基于以上问题，本文以飞行区指标Ⅱ为B 的通用航空机场跑道道面承载能力问题为算例，在A 类通航飞机总体设计[2]的基础上，最大承载起飞重量为9 975 kg，考虑机轮间距以及机轮与道面间的摩擦，建立飞机与刚性和柔性两种材料的道面摩擦接触有限元计算模型；采用CAE 方法，直观地分析了两种材料的跑道道面，在飞机载荷作用下，不均匀下沉和承载能力问题。

1 水泥混凝土道面的承载能力分析

结合MH/T 5004—2010《民用机场水泥混凝土道面设计规范》[3]设置道面结构及相关参数。道面干燥时，机轮与道面间的静摩擦因数为0.4～0.8，取0.6。

1.1 有限元计算模型

前起落架机轮与主起落架机轮分别与跑道表面接触。根据机体和跑道参数，建立飞机与道面摩擦接触有限元计算模型，如图1 所示。

图1 飞机与道面摩擦接触有限元计算模型

1.2 道面承载强度

在飞机载荷作用下，水泥混凝土干燥道面的Z、X和Y 方向的应力计算结果如图2-图4 所示。

图2 Z 方向的应力

图3 X 方向的应力

图4 Y 方向的应力

由图2-图4 可知，在飞机最大重量载荷作用下，后主起落架机轮对道面的压力大于前起落架机轮的压力。Z、X 和Y 方向的应力极值分别为2.16、1.44 和1.49 MPa；在垂直跑道面的Z 方向，应力最大，产生在机轮作用面的中心位置。由于摩擦的存在，X 和Y 方向的应力极值，分别产生在机轮压缩变形趋势方向。

对于飞行区指标Ⅱ为B 的机场，满足水泥混凝土道面4.5 MPa 的强度要求。因此，该水泥混凝土道面，满足强度要求。

1.3 道面沉降

1.3.1 沉降区域

在飞机载荷作用下，水泥混凝土干燥道面的Z、X 和Y 方向的变形作用区域的计算结果，如图5-图7 所示。

图5 Z 方向的变形作用区域

图6 X 方向的变形作用区域

由图5-图7 可知，在飞机载荷作用下，水泥混凝土干燥道面沿垂向Z 方向主要向深度方向延伸；在机轮变形和机体载荷共同作用下，沿道面宽度X 方向，道面变形有一定扩展；而沿道面长度Y 方向，道面变形扩展最为严重，前起落架和主起落架的作用下，变形区域级别连通。因此，跑道道面如果出现强度不足，其裂纹主要向长度方向扩展。

1.3.2 沉降量

在飞机载荷作用下，水泥混凝土干燥道面的Z、X和Y 方向的沉降情况的计算结果，放大后的显示，如图8-图10 所示。

图8 Z 方向的沉降

图9 X 方向的沉降

图10 Y 方向的沉降

由图8-图10 可知，在飞机载荷作用下，水泥混凝土干燥道面沿Z、X 和Y 方向沉降极值分别为0.164×10-5、0.223×10-6和0.189×10-6mm；最大沉降变形产生在垂直道面的Z 方向。

水泥混凝土干燥道面，跑道三个方向的沉降很小，同时强度满足要求，因此，正常承载情况下，不会有微裂纹的产生；道面第二层会受机体载荷一定程度的影响，其余层强度支撑作用很好。

2 沥青道面承载能力分析

结合MH/T 5010—2017《民用机场沥青道面设计规范》[4]设置道面结构及相关参数。道面干燥时，机轮与道面间的静摩擦因数为0.4～0.8，取0.7。

2.1 道面强度

在飞机载荷作用下，沥青混凝土干燥道面的Z、X和Y 方向的应力计算结果，如图11-图13 所示。

图11 Z 方向的应力

图12 X 方向的应力

图13 Y 方向的应力

由图10-图13 可知，与水泥混凝土道面相比，在飞机载荷作用下，沥青混凝土的较软的材料和较大的变形，使得在飞机最大重量载荷作用下，Z、X 和Y 方向的应力极值分布并不相同；由于沥青道面较软，且层数多，三个方向的应力极值逐渐减小；垂直道面的Z 方向，前起落架和主起落架机轮对道面承载能力影响皆大，最大应力为0.131 MPa，满足道面材料0.44 MPa 许用应力要求。

2.2 道面沉降

在飞机载荷作用下，沥青混凝土干燥道面的Z、X和Y 方向的变形和沉降计算结果，放大显示，如图14-图16 所示。

图14 Z 方向沉降

图15 X 方向沉降

图16 Y 方向沉降

由图14-图16 可知，在飞机载荷作用下，与水泥混凝土干燥道面相比，沥青混凝土沿Z、X 和Y 方向的沉降大于水泥混凝土道面，其变形极值分别为0.296×10-4、0.318×10-5和0.348×10-5mm；最大沉降变形产生在垂直道面的Z 方向。

与水泥混凝土道面相比，沥青道面的最大沉降是其18.048 倍；其沉降深度影响和变形范围更大，其余层强度支撑作用很好。

3 结束语

对飞行区指标Ⅱ为B 的通航机场，以水泥混凝土道面和沥青道面为算例，建立了飞机与道面间的摩擦接触有限元计算模型，对两种材料跑道道面的强度和不均匀下沉的情况，用CAE 方法进行了对比分析，简单直观易于理解；计算中未考虑地区环境温度、湿度以及飞机着陆冲击力等对跑道道面材料性能的影响。计算结果表明，在静载荷作用下，水泥混凝土干燥道面主要失效形式是强度，而沥青混凝土道面的主要失效形式是变形。