多次加铺的机场道面结构合理性分析方法研究.pdf

第3 0 卷第6 期 2 0 1 2 年1 2 月 中国民航大学学报 J o U R N A L0 FC I V I LA V I A T I O NU N I V E R S I T YO FC H I N A V 0 1 3 0N o 6 D e e e m b e r2 0 1 2 多次加铺的机场道面结构合理性分析方法研究 罗勇，闫启琨 ( 上海民航新时代机场设计研究院有限公司，上海2 0 0 3 3 5 ) 摘要：依托上海虹桥机场东跑道第4 次加铺工程，针对机场道面多次加铺后存在的沥青面层过厚、老道面材料性 能严重老化等突出问题，以有限元数值分析方法为基础，建立了基于沥青面层疲劳开裂、水泥板疲劳开裂 和轮辙控制3 个指标的道面结构合理性分析方法。研究成果对完善中国沥青道面加铺设计方法和指导类 似工程的开展有重要意义。 关键词：机场；复合道面；加铺；轮辙；疲劳开裂；合理性 中图分类号：U 8 ；V 3 5 1 1 1文献标志码：A文章编号：1 6 7 4 5 5 9 0 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 0 7 5 0 5 A n a l y s i so fr a t i o n a l i t yf o ra i r p o r tp a v e m e n ts t r u c t u r ew i t hm u l t i p l eo v e r l a y L U OY o n g ，Y A NQ i k u n ( S h a n g h a iC A ACN e wE r aA i r p o r tD e s i g na n dR e s e a r c hI n s t i t u t eL t d ，S h a n g h a i2 0 0 3 3 5 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：R e l y i n go nS h a n g h a iH o n g q i a oA i r p o r tE a s tR u n w a yt h ef i m r t ho v e r l a yp r o j e c t ，c o n t r a r yt o t h ea i r p o r t p a v e m e n tw i t hm u l t i p l eo v e r l a ye x i s t i n go u t s t a n d i n gp r o b l e m st h a ta s p h a l tl a y e ri st o ot h i c k ，a n dt h em a t e r i a l p r o p e r t i e so fe x i s t i n gp a v e m e n ts e v e r e l ya g i n g ，b a s e d o nt h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d ， e s t a b l i s h e dp a v e m e n ts t r u c t u r er a t i o n a l i t y a n a l y s i sm e t h o db a s e do nt h r e ei n d e xo fa s p h a l ts u r f a c ef a t i g u e c r a c k i n g ，f a t i g u ec r a c k i n go ft h ec o n c r e t eS U l a e ea n dr u tc o n t r 0 1 T h er e s e a r c hh a v et h ei m p o r t a n tm e a n i n gf o r i m p r o v i n gd e s i g nm e t h o do fa s p h a l tp a v e m e n to v e r l a yi no urc o u n t r ya n dg u i d i n gs i m i l a rp r o j e c t st oc a r r yo u t K e yw o r d s ：a i r p o r t ；c o m p o s i t ep a v e m e n t ；o v e r l a y ；r u t ；f a t i g u ec r a c k i n g ；r a t i o n a l i t y 为了应对快速增长的航空交通量，提高跑道结构 承载能力和使用性能，延长跑道使用寿命，中国很多 繁忙机场自2 0 世纪9 0 年代以来相继对跑道进行了 沥青混凝土面层加铺。通常沥青混凝土加铺的设计使 用寿命在1 0 年左右，待达到使用寿命后需再次进行 改造。中国部分机场跑道已经历过数次加铺，以虹桥 机场东跑道为例，已分别在1 9 9 1 年、1 , 9 9 8 年、2 0 0 5 年 和2 0 11 年进行了4 次加铺。因此，跑道多次加铺将是 中国繁忙机场未来十余年将陆续面临的问题。 中国针对机场道面柔性加铺颁布过相应设计规 范，由于机场柔性道面应用较少，设计规范并不完善， 在实际设计过程当中大多是依据经验和国外的一些 设计方法。国际上机场道面加铺结构设计一般有3 种 方法：有效厚度法、挠度法和力学一经验法。加铺层设 计最常用的方法是有效厚度法，美国工程兵团提出了 在原有刚性道面上铺设沥青或柔性加铺层的经验公 式。国外机场道面加铺层结构设计方法以美国F A A 最 为典型。F A A 加铺层设计方法经历了一个由有效厚度 法一弹性层状体系法斗有限元方法的发展历程u 】。随 着诸如B 7 7 7 和A 3 8 0 等大型宽体飞机的出现，由于其 新型的起落架构形和轮胎布置形式，当采用传统的 F A A 设计方法确定道面结构厚度时，所得到的厚度值 往往过于保守。因此，F A A 提出了一种新的道面结构 分析方法弹性层状体系法 2 1 。 机场道面多次重复加铺与第一次加铺有显著的 差别，主要体现在以下几个方面。 1 ) 不停航施工难度大。多次加铺的机场多为最繁 忙机场，不仅无法关闭跑道停航施工，且夜问允许施 工时间短，一般仅有5 - 6h 。对改造方案的选择及施工 都带来很大的限制。 2 ) 多次加铺后沥青面层厚度大，道面在使用过程 中易出现轮辙病害。 收稿日期：2 0 1 2 0 3 1 0 ；修回日期：2 0 1 2 一0 6 2 5 作者简介：罗勇( 1 9 7 3 一) ，男，江西南昌人，高级工程师，本科，主要研究方向为机场道面设计理论 万方数据 一7 6 一 ：= 一 中国民航大学学报 3 ) 既有加铺层道面材料性能衰减严重，受不停航 施T 影响难以完全铣刨，既有沥青混凝土层的再利用 成为难题。 由于中国相关规范并不完善，未针对道面多次加 铺制定相应的设计方法，只能凭借经验或借鉴国外设 计方法。淡汁得到的道面结构是否合理更无从评价。 本文以虹桥机场东跑道第4 次加铺f T 程为例，分 别从沥青层疲劳开裂控制、水泥板疲劳开裂控制和轮 辙控制3 方面，探讨多次加铺道面结构设汁方案的合 理性。依据设计，虹桥机场第4 次加铺采用巾厚层加 铺形式，设计使用寿命为1 0 年，加铺厚度分别取1 0 c m 、1 2c a 和1 4c m ，通过结构合理性分析，以最终确 定加铺层厚度。道面结构示意图如图l 所示。 图l 道面结构示意图 F i g 1 P a v e m e n ts t r u c t u r ed i a g r a m 1 道面合理性评价思路 根据多次加铺道面的特点，本义认为有必要从以 下3 个方丽来评价道面结构方案的合理性。 1 1 沥青加铺层疲劳开裂控制 通常情况下，柔性道面或“白+ 黑”道面结构设计 中，沥青面层的拉应力可不作为控制指标。但是，一方 面考虑到多次加铺后道面沥青加铺层厚度较大，另一 方面考虑到既有沥青面层材料的性能较差，抗弯拉强 度较低。冈此，有必要对设计方案巾加铺层底部最大 拉应力的位置以及拉应力大小进行理论计算，在此基 础上进行沥青加铺层疲劳开裂的校核。 1 2 水泥板疲劳开裂控制 根据道面结构设计理论，对于“白+ 黑”复合道面 结构，道面的荷载扩散作用主要还是由复合道面中的 水泥混凝土板块承担，即水泥混凝土板块是道面结构 中的主要承重结构层。而对于多次加铺的道面，通常 其使用年限已大大超过了水泥混凝土板块的设计使 用寿命，材料性能衰减严重。因此，有必要对飞机轮载 作用下水泥混凝土板块是否会出现疲劳开裂来进行 校核。 1 3 轮辙控制 以虹桥机场东跑道为例，经过4 次加铺后，上面 层沥青混凝土层平均厚度为3 7c m ，最厚处超过5 0e m 。 如此厚的沥青混凝土面层在重型飞机高频率持续作 用下J | j 现轮辙病害的概率很大，而轮辙病害一旦出现 很难处治，因此在加铺设计中会重点考虑轮辙的防止 问题。 困内外并无机场新建或加铺沥青道面的轮辙控 制标准。但从道而使用角度对沥青道面轮辙病害作f 的相关规定，主要有以下几点。 1 ) 民用机场飞行区场地维护手册、民用机场 运行安全管理规定规定，“沥青混凝土道面必须完 整、平理、3m 范围内的高低差不得大于1 5m m ”； 2 ) 民用机场道面评价管理技术规范、美国 A S T M 规定，沥青混凝土道面轮辙肖用3m 直尺测试 间隙为6m m 。1 3m m 时，属于轻微损坏，小于6m m 不 属于病害。 根据以上规定，本次虹桥机场加铺设计中的轮辙 控制标准确定为：设计年限内预汁航空交通量作用下 加铺层轮辙总量不大于5m m 。 道面结构合理性分析技术流程如图2 所示： 图2 道面结构合理性分析技术流程图 F i g 2T e c h n i c a lf l o wc h a r to fp a v e m e n ts t 九I c t u r er a f i o n a l i t ya n a l y s i s 万方数据 第3 0 卷第6 期罗勇，闫启琨：多次加铺的机场道面结构合理性分析方法研究 一7 7 2 沥青面层疲劳开裂控制 沥青面层疲劳开裂控制的评价首先采用有限元 软件，计算设计机型作用下道面沥青面层内的荷载应 力。有限元模型采用K 地基模型理论，模型参数设置 如下。 2 1 道面结构参数 j 上面层为沥青混凝土，分为4 层，分别是1 9 9 1 年、1 9 9 8 年、2 0 0 5 年和2 0 1 1 年加铺层；下面层为水泥 混凝土道面。各结构层的详细参数如表1 所示。 表1 道面结构层参数 T a b 1P a r a m e t e r so fp a v e m e n ts t r u c t u r el a y e r s 结构层模量M P a泊松比厚度c m 上面层 2 0 11 年加铺层l6 0 00 3 51 0 1 2 1 4 2 0 0 5 年加铺层16 0 00 3 56 i 9 9 8 年加铺层 14 0 00 3 55 1 9 9 1 年加铺层l2 0 00 3 51 4 下面层水泥面层 3 00 0 00 1 53 8 基础K = 5 0 ( M N m 3 ) 2 2 荷载参数 计算模型荷载采用B 7 4 7 4 0 0 飞机主起落架荷 载。飞机起落架构型示意图如图3 所示 3 1 ，B 7 4 7 4 0 0 主 起落架荷载参数如表2 所示。 H ) 攀7 川习 由 事茸 由f ? 下石 3 6 兀1 1 I N ( 1 1 0 0 M ) 珥l N ( 1 1 2 M 型j _ I ：曼i 且1 4 1 1 2 1 一( ( 啊P 1 f A f J ) 占可事一J 也 ，由 5 8 I N ( I 4 7 M ) ( T Y P I C A L ) 图3B 7 4 7 - 4 0 0 机型起落架构型示意图 F i g 3 B 7 4 7 - 4 0 0a i r c r a f tl a n d i n gg e a rc o n f i g u r a t i o nd i a g r a m 表2 飞机荷载参数 T a b 2P a r a m e t e r so f a i r c r a f tl o a d 主要参数B 7 4 7 4 0 0 I N M ) 最大起飞重量k N 主起落架个数n d 个 机轮数n w 个 主起落架荷载分配系数P 主起落架单轮荷载P 肌N 胎压，M P a 轮印尺寸，( m x m ) 轴足巨I l l 同轴轮距，m 2 3 有限元模型 有限元模型示意图如图4 所示。通过将荷载加载 到道面有限元模型当中，计算得到各种工况条件下沥 青加铺层的最大弯拉应力。 图4 有限元模型示意图 F i g 4 F i n i t ee l e m e n tm o d e ld i a g r a m 蘸； 蘸 图5 沥青面层最大拉应力计算云图 F i g 5 C l o u dc h a r to fa s p h a l ts u r f a c em a x i m u ml e n s es t r e s s 分别针对加铺厚度1 0c r r l 、1 2c m 和1 4c m ，计算 得到沥青面层最大拉应力，结果如表3 所示。 表3 不同加铺厚度的沥青面层最大拉应力 T a b _ 3M a x i m u mt e n s i l es t r e s so f a s p h a l t 酬t r f a c eu n d e rd i f f e r e n t o v e r l a yt h i c k n e s s 通过分析可以得出以下结论： 1 ) 加铺层内的最大水平拉应力随深度的增加迅 速减小。当深度大于5c m 时，最大水平拉应力普遍小 于0 1M P a ，当深度大于1 0c m 时，最大水平拉应力普 遍小于0 0 5M P a ，属于较低水平； 2 ) 沥青面层最大拉应力出现在道面上面层，这是 道面结构受力的有利模式。因为道面上面层都是新加 铺，新建道面，沥青混凝土性能好，有利于承受拉应力。 3 ) 轮载作用部位沥青层底为压应力，这也是有利 的受力模式。通常在轮载作用区域为最不利部位，是 道面最大拉应力最可能出现的位置。 4 ) 随着加铺层厚度增大，沥青层受到的最大拉应 | 萋4 4|耋一眦三| 万方数据 一7 8 一 中国民航大学学报 力变大，虽然1 0C 1 2 1 、1 2c l n 、1 4c m 三种加铺厚度下拉 应力级位都较小，但加铺厚度为1 4c m 时，沥青层最大 拉应力比加铺层厚度为1 0c m 时增大约4 5 ，而1 2 c m 和1 0e l T l 两种厚度对应的最大拉应力相差较小。 沥青面层最大拉应力远小于沥青混凝土材料的 弯拉强度，因此三种加铺厚度都能满足加铺设计使用 寿命的要求。从最大拉应力来看，加铺厚度为1 0C 1 T I 和 1 2c m 时沥青面层受力较为有利。 3 水泥板疲劳开裂控制 水泥板疲劳开裂控制的分析方法与沥青面层疲 劳开裂控制方法相似。首先采用有限元软件，计算设 计机型作用下水泥板内的荷载应力。模型与第3 节相 同，计算得到不同工况条件下水泥板内最大弯拉应 力，如表4 所示。其中O “ e 为有限元直接计算得到的最 大弯拉应力，盯。为计算应力，是考虑接缝传荷能力的 应力折减作用计算得到的。两者关系如式1 所示。可 以看出，随着沥青加铺层厚度增大，水泥板块受到的 最大拉应力减小。这是因为较厚的沥青层对水泥板起 到了更好的保护作用。 = ( 1 一L 丁) 叮。 ( 1 ) 式中：盯。为板边计算应力( M P a ) ；O - e 为板边应力 ( M P a ) ；L T 为应力折减率，一般取0 2 5 。 表4 不同加铺厚度的水泥板最大拉应力 T a b 4M a x i m u mt e n s i l es t r e s so fc o n c r e t es u l f a c eu n d e rd i f f e r e n t o v e r l a yt h i c k n e s s 依据水泥混凝土材料疲劳方程式( 2 ) 4 ，可以得到 不同加铺厚度对应的使用寿命。其中疋。= 5 0M P a ，将 代人式中的厶，求得M 。批即为道面剩余累积作用 次数，依据民用机场道面评价管理技术规范( M H T 5 0 2 4 2 0 0 9 ) 5 】，通过对航空交通量的预测，可以将他 反算得到道面使用寿命。 f o o = 。( 0 8 8 5 0 0 6 3 1 9 N o ) ( 2 ) 计算结果表明，三种加铺厚度对应的道面使用寿 命都大于1 0 年。 4 轮辙控制 2 0 0 0 年，K a l o u s h 和W i t c z a k 利用大量的重复荷载 永久变形试验和1 9 8 9 年L e a h y ，R B 的原始试验数据， 回归了以下方程，由于应用效果较好，现已被A A S H T 0 2 0 0 2 设计指南采用。本文对跑道道面的轮辙预估 即采用该方法删。 l o g 詈5 4 + 凰g r + c l 。g ( 3 ) 式中：A = 一3 7 4 9 3 8 ；B = 2 0 2 7 5 5 ；C = 0 4 6 2 6 ；占。为荷载 重复作用次产生的累积塑性应变；毋为沥青材料的 弹性应变；T 为道面温度；为荷载重复作用次数。 计算得到各沥青亚层的塑性应变s 。后，再用下式 得到总轮辙量。 R D = 乞R D 。= 乞h i e p 。 ( 4 ) 式中：R D 为轮辙变形量溉。为荷载重复作用次在第 i 亚层产生的累积塑性应变；h i 为第i 亚层厚度。 依据上述公式中，要计算得到设计使用年限内道 面的累计轮辙量，首先是计算各亚层弹性应变，代人 式( 3 ) 中，即可以计算得到次作用后的各亚层累积 塑性应变8 。再将各亚层累积塑性应变岛代入式( 4 ) 中，计算得到整个道面厚度内累计轮辙量。 在计算过程中需要注意以下几点： i ) 计算参数0 采用有限元软件通过数值模拟得 到，数值模型与第3 节相同。 2 ) 在式( 3 ) 所示的轮辙预估方程中，道面温度是 一个重要的参数。由于不同季节道面温度相差很大， 会对轮辙预估产生明显影响。因此，本文将一年划分 为1 2 个月，按月计算累计轮辙量，再累加得到整年的 轮辙量。计算时将年航空交通量按1 2 个月平均分配。 在分析道面温度时，本文依据孙立军等【1 0 】对沥青 路面内温度分布的研究成果，分别应用式( 5 ) 和式( 6 ) 计算道面沥青层内部不同深度的最高温度和最低温 度，再取其平均值，得到沥青层各深度的平均温度。 瓦。；= m l + m 2 瓦。+ m 3 T o H + ( m 4 H + m 毋2 + m 6 H 3 ) + m 7 L ( 5 ) 式中：瓦为道面某深度日最高温度( ) ；T o 。为日最 高温度( ) ；日为道面深度( c m ) ；焉为历年月平均气 温( ) ；m ，观，为回归系数。 瓦。= n 1 + n 2 T o + ( m # - I + ，n 4 月4 ) + n 5 T m( 6 ) 式中：瓦。，。为道面某深度日最低温度( ) ；T o 为日最 低温度( ) ；H 为道面深度( c m ) ；T m 为历年月平均气 万方数据 第3 0 卷第6 期罗勇，闰启琨：多次加铺的机场道面结构合理性分析方法研究 一7 9 一 温( ) ；n ，n ，为回归系数。 式( 5 ) 和式( 6 ) 中的回归系数m 和n 分别见表5 和表6 。 表5 式( 3 ) 中的回归系数 T a b 5 R e g r e s s i o nc o e f f i c i e n ti nf o r m u l a ( 3 ) 表6 式( 4 中的回妇系数 T a b 6 R e g r e s s i o nc o e f f i c i e n ti nf o r m u l a 【4 ) n 1H 2n 3n 4n 5 一3 3 9 9 0 7 2 10 3 7 70 0 10 4 8 8 针对虹桥机场加铺设计方案，依据上述方法，采 用B 7 4 7 4 0 0 为评价机型，分别选取8 、1 0 、1 2 和1 5 年 共4 种评价年限，计算了加铺厚度分别为l O 、1 2 和 1 4c n l 的轮辙量预估结果，如表7 所示。从计算结果可 以看出，按最大轮辙量5I T l l 2 1 为控制标准，设计使用寿 命取1 0 年，加铺层厚度宜为1 2c m 。 表7 加铺层轮辙量预估结果 T a b 7 E x p e c t e dr e s u l t so f o v e r l a yr u t ( r a m ) 加铺厚度c m 设计年限 i 01 21 4 84 5 24 3 7 4 4 0 1 0 5 0 248 54 8 7 1 25 4 65 2 7 5 ，3 0 1 56 0 55 ，8 55 8 8 5 结语 1 ) 基于沥青面层疲劳开裂控制、水泥板疲劳开裂 控制和轮辙控制为指标，提出了机场道面多次加铺的 道面结构合理性评价方法。 2 ) 针对多次加铺复合道面的既有沥青面层和水 泥板材料性能严重老化的特点，提出了沥青面层和水 泥板应力计算方法及疲劳开裂控制的评价方法。 3 ) 依据国内外对道面轮辙的相关规定，首次提出 了新建道面结构设计时的轮辙控制标准，为5m m 。 4 ) 以有限元软件为分析平台，借鉴K a l o u s h 和 W i t c z a k 轮辙预估模型及孙立军对沥青道面温度场研 究成果，提出了新建沥青道面的轮辙预估方法。 5 ) 以虹桥机场东跑道第4 次加铺为例，通过对设 计结构的合理性分析，认为加铺厚度1 2C 1 T I 最佳。 参考文献： 1 U n i f i e dF a c i l i t i e sC r i t e r i a ( U F C ) P a v e m e n tD e s i g n f o r A i r f i e l d s ( U F C 3 2 6 0 0 2 ) U SA r m yC o r p so fE n g i n e e r s ( P r e p a r i n gA c t i v i t y ) ， N a v a lF a c i l i t i e sE n g i n e e r i n gC o m m a n d ，A i rF o r c eC i v i lE n g i n e e rS u p p o r tA g e n c y P 2 0 0 1 ，6 2 】 U SD e p a r t m e n to fT r a n s p o r t a t i o n ，F e d e r a lA v i a t i o nA d m i n i s t r a t i o n A i r p o r tP a v e m e n tD e s i g nF o rT h eB o e i n g7 7 7A i r p l a n e ，A CN o ：1 5 0 5 3 2 0 - t 6 P 】，U SD e p a r t m e n to f T r a n s p o r t a t i o n ，F e d e r a lA v i a t i o nA d m i n i s t r a t i o n ，1 9 9 5 ，1 0 3 B o e i n gC o m