机场水泥混凝土道面剩余寿命检测要素探讨

汤俊杰，运 昊，范文哲

（广东建科交通工程质量检测中心有限公司 广州 510500）

0 引言

国家民用航空局日前公布的数据显示，2015～2019年，民航运输总周转量、旅客运输量、货邮运输量年均增长分别达到11.0%、10.7%和4.6%，民航旅客周转量在国家综合交通体系中的比重从24.2%提升至33.1%［2］。截至2021 年底，我国境内颁证运输机场达到241 个，比2012 年新增58 个，民用运输机场覆盖92%以上的地级市，航空服务覆盖全国88%的人口和93%的经济总量［3］。面对航空行业的迅速发展，航班数量和最大重量持续增加的情况下，机场道面承受的荷载也不断递增，部分机场道面的使用频率已超过设计的使用情况。机场道面运行状况、道面结构承载能力是机场日常运营工作关注的重点之一。

飞机起降次数更是日益增多，使机场道面承受荷载递增的同时，也加速了机场道面使用性能的恶化，严重影响到机场的正常运行。本文通过总结日常道面检测经验，对现有道面检测评价要素进行探讨，希望能促进我国机场道面的检测评价体系的发展。

1 道面剩余寿命主要影响因素分析

机场道面剩余寿命是评估机场道面的安全稳定性能的一个重要参数［4］，2001年以后，凌建明等人［5］根据中国民航机场道面设计方法，借鉴国外机场道面评价体系以及机场道面管理系统等方面的相关研究，提出逆设计法，建立国内首个机场道面剩余寿命预测模型。

按照《民用机场道面管理评价技术规范：MH∕T 5024—2019》［6］规定的计算方法，机场道面剩余寿命计算涉及航空交通规划、预测以及历史资料确定评价机型；同时通过现场测试并结合道面修建及维护历史资料确定道面结构参数，如道面板的弯拉弹性模量Er、基顶反应模量K和道面结构有效厚度he等；依据上述参数确定评价机型产生的板边计算应力；然后根据水泥混凝土的疲劳规律，对机型累计作用次数Ne进行估算。

机场水泥混凝土道面剩余使用年限的计算公式如下：

式中：Ys为道面剩余使用年限（年）；Ne为价机型剩余累计作用次数；T为通行宽度（m），跑道取11.4 m，滑行道和机坪取2.3 m；nw为评价机型主起落架的轮子数；Wt为价机型主起落架一个轮印的宽度；瓦价机型的年当量运行次数。

式⑴中除主要参数评价机型剩余累计作用次数Ne外，其他参数均可视为指定常数，Ne计算公式如下：

式中：fcm为水泥混凝土的弯拉强度，一般采用芯样强度代表值；frm为水泥混凝土的弯拉疲劳强度，取frm=σp（道面板边应力）；σp计算公式如下：

式中：σp为板边计算应力（MPa）；LT为应力折减率，根据弯沉比传递系数LTEδ推算；Me为板边弯矩（MN·m∕m）；he为水泥混凝土道面结构的有效厚度。

其中板面有效厚度he主要影响因素为芯样厚度及道面PCI；Me为板边弯矩，可采用影像图计算法或有限元计算法，主要影响因素为荷载大小、基底当量回弹模量、混凝土板弹性模量及刚度半径lp；

根据水泥混凝土的弹性模量Er计算公式：

式中：Er为水泥混凝土板的弹性模量（GPa）；μ为水泥混凝土材料的泊松比，取值为0.15；K为基层顶面的反应模量（MN∕m3）；l为道面结构的相对刚度半径（m）；he为道面结构的有效厚度（m）；fr为板面弯拉强度（MPa）。

由式⑷可知由弹性模量Er、有效厚度he和刚度半径l 可推出基顶反应模量K，由式⑸可知道面水泥混凝土板弹性模量Er可由弯拉强度fr推导。

综上，影响机场道面剩余寿命计算结果的参数中，主要影响因素为板面弯拉强度fr、刚度半径l及有效厚度he。各主要参数对剩余寿命的影响情况如表1所示。

表1 剩余寿命影响因素计算结果Tab.1 Calculation Results of Influencing Factors of Remaining Life

由表1计算结果可发现，水泥板弯拉强度、有效厚度及刚度半径对剩余寿命的预估值影响都非常大，在案例中，其它条件相同情况下，减少0.1 MPa 水泥板弯拉强度会减少3.57年剩余寿命，减少1 cm的有效厚度会减少6.96年的剩余寿命，减少1 cm相对刚度半径会增加1.23 年的剩余寿命，而一般机场设计使用寿命为30年，可证明相关参数对道面剩余寿命评估影响非常大。因此，在检测过程中，对相关数据的采集必须非常准确。

2 弯沉检测荷载级别研究

承载力检测评价分为有损试验和非破损试验两种方法。有损试验通过钻芯取样，通过劈裂强度及弯拉强度的试验经验对道面混凝土的弯拉强度进行计算，得出弯拉弹性模量，比较由计算得出的力学指标与设计值来评价道面承载能力；而非破损试验是通过重锤式弯沉仪（HWD）检测所得的道面弯沉数据，结合弹性地基板理论，再通过反演跑道地基及道面各结构层的模量来评价道面承载能力［6］。

文献［6］规定，相对刚度半径l可由弯沉盘面积指数Aw查图确定，超出取值部分可由回归公式计算，文献［1］中对FWD测试荷载最小级位的规定如表2所示。

表2 FWD弯沉测试荷载最小级别Tab.2 Minimum Level of FWD Deflection Test Load（kN）

以某4E 级机场检测数据为例，现场取芯厚度为0.413 m，芯样弯拉强度为5.15 MPa，计算水泥板弹性模量Er为35.511 GPa，在实际检测过程中采集数据如表3所示。

表3 现场不同荷载测试结果Tab.3 Test Results of Different Loads on Site

对比表3 中测算的水泥板弹性模量Er值，落锤冲击荷载为110 kN 对应的是82.01 GPa，250 kN 对应的是36.62 GPa，测试结果证明按照文献［1］中FWD测试荷载最小级位进行测试，由于荷载不足检测结果会与真实值偏差较大。因此，在实际检测过程中，建议荷载级位应以承载板中心弯沉d0不小于110 µm 进行控制，有条件时尽可能选用更大荷载级位。

3 道面板边应力计算方法

在道面板边应力计算中，主要有《民用机场水泥混凝土道面设计规范：MH∕T 5004—2010》［10］中采用的影响图计算法和有限元计算法。在计算原理上，影响图法是基于飞机荷载作用在半无限自由混凝土板上，而有限元法计算法模型为参考板面实际尺寸设置的边界约束有限尺寸板［8］，两种计算方法各有优点，有限元计算法Ansys、Abaqus软件有丰富的材料库，可自由定义板面大小、强度和约束条件，能按道面板实际情况设定参数，影响图计算法方便使用，能适应于一般水泥道面的板边应力计算。同条件下有限元计算法与影响图计算法计算结果如表4 所示，有限元计算结果出处如图1所示。

图1 有限元计算结果Fig.1 Finite Element Calculation Results

表4 有限元计算法与影响图计算法对比参数设定Tab.4 Comparison between Finite Element Calculation Method and Influence Diagram Calculation Method and Parameter Setting

由计算结果对比可知，同等条件下有限元计算结果与影像图计算结果差异百分比在5%以内，计算结果大致相符。影响图法作为传统道面板边应力计算方法具有普遍适用性；而有限元计算法可以根据实际情况设置道面大小、板边约束等情况，随着有限元软件的快速发展，无疑具有更大的发展空间。

4 结论

⑴在道面剩余寿命计算中，水泥板弯拉强度、有效厚度及刚度半径对剩余寿命的预估值影响都非常大，因此钻取芯样和弯沉盘数据采集的必须准确和具有代表性。

⑵通过比对测试证明文献［1］中规定的最小级位荷载不能满足反算一般道面水泥板弹性模量Er值的要求，在实际检测过程中建议荷载级位应以承载板中心弯沉d0不小于110 µm 进行控制，有条件时尽可能选用更大的荷载级位。

⑶通过模拟计算，同等条件下有限元计算结果与影像图计算结果的差异百分比在5%以内，计算结果大致相符。