機(jī)場瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)探討

魏曉宇

（上海民航新時(shí)代機(jī)場設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200335）

機(jī)場瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)探討

魏曉宇

（上海民航新時(shí)代機(jī)場設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200335）

在機(jī)場建設(shè)中，道面設(shè)計(jì)質(zhì)量好壞直接關(guān)系到飛行安全。分析機(jī)場道面設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上對機(jī)場道面設(shè)計(jì)的主要方法以及機(jī)場瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)的要點(diǎn)進(jìn)行了深入探討。

機(jī)場；瀝青混凝土；道面設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)方法

0　引言

飛機(jī)是人們出行的主要交通方式之一，尤其隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，選擇飛機(jī)出行的人數(shù)在不斷攀升，促使很多城市都在修建新的機(jī)場或者對原有機(jī)場的規(guī)模進(jìn)行擴(kuò)展。在機(jī)場建設(shè)中，道面設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要的建設(shè)組成部分，它是主要供飛機(jī)飛行前準(zhǔn)備、起飛、著陸滑行和飛行后維護(hù)保養(yǎng)的重要場地，可見其建設(shè)質(zhì)量好壞具有非常重要的影響［1，2］。目前我國仍然有很多機(jī)場在采用傳統(tǒng)的水泥混凝土道面設(shè)計(jì)方法，顯然已經(jīng)不能滿足不斷增多的飛機(jī)交通量。圖1展示了某機(jī)場一年之內(nèi)機(jī)場檢測中道面病害分布。

圖1　某機(jī)場道面病害分布圖

1　機(jī)場道面設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

機(jī)場道面主要是供飛機(jī)飛行前準(zhǔn)備、起飛、著陸滑行和飛行后維護(hù)保養(yǎng)的場地，修建的主要目的是為各種規(guī)定型號(hào)的飛機(jī)提供經(jīng)濟(jì)、安全、耐久以及適用的良好道面結(jié)構(gòu)物。在道面設(shè)計(jì)中，瀝青混凝土道面由于具有舒適、減震、抗滑和平整等一系列突出的特征，使得其在國際上很多軍用和民用機(jī)場中獲得了廣泛的使用。縱觀我國的瀝青混凝土道面機(jī)場跑道比例，僅為百分之十幾，和國際上的發(fā)達(dá)國家之間相差甚遠(yuǎn)，而且多為采用水泥混凝土道面，結(jié)構(gòu)類型非常單一［3］。

2　機(jī)場道面設(shè)計(jì)主要方法

2.1CBR經(jīng)驗(yàn)法

根據(jù)對當(dāng)前國際和國內(nèi)常用機(jī)場道面設(shè)計(jì)方法分析，其主要可以分為經(jīng)驗(yàn)方法和力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)方法兩種。其中前者采用最為廣泛的主要為CBR法，在該種方法中，CBR值作為路基土和路面材料的參數(shù)性能指標(biāo)，以土基的抗剪強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，控制土基變形以及道面輪轍等損壞模式，然后根據(jù)足尺實(shí)驗(yàn)與對現(xiàn)有道面的調(diào)查，對“CBR-輪載作用次數(shù)-路面結(jié)構(gòu)層厚度”三方面的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系進(jìn)行構(gòu)建。利用不同飛機(jī)起落架構(gòu)型的關(guān)系曲線，按當(dāng)量飛機(jī)年作用次數(shù)和土基的CBR值確定道面的總厚度及其結(jié)構(gòu)層的厚度［4］。

2.2力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法

過去常采用的力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法主要是以彈性層狀體系理論作為理論模型，在該理論模型之中，其主要的設(shè)計(jì)參數(shù)為泊松比和彈性模量，而主要的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)為瀝青層底面的水平拉應(yīng)變和土基頂面的豎向壓應(yīng)變分別控制土基的永久變形和瀝青混凝土的疲勞開裂兩種主要的損壞模式。隨著當(dāng)前道面設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)與有限元分析相結(jié)合也取得了很多的試驗(yàn)成果，開始應(yīng)用于機(jī)場瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)的實(shí)踐，取得了良好的應(yīng)用效果。在該種理論中，將道面結(jié)構(gòu)離散成許多小單元，通過數(shù)值模擬計(jì)算求解傳統(tǒng)彈性層狀體系方法無法考慮的材料非線性、幾何非線形等復(fù)雜特性是進(jìn)行有限元分析的主要思想。

2.3設(shè)計(jì)方法對比

通過上文的分析，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前應(yīng)用的機(jī)場混凝土道面設(shè)計(jì)的主要方法為經(jīng)驗(yàn)法、力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法兩種，其中前者主要應(yīng)用的CBR經(jīng)驗(yàn)法目前相關(guān)的設(shè)計(jì)理論與技術(shù)已經(jīng)相對成熟，而且在設(shè)計(jì)過程中不需要設(shè)計(jì)過多的參數(shù)，簡單明了，是目前國內(nèi)外民用機(jī)場應(yīng)用的主要機(jī)場混凝土道面設(shè)計(jì)方法。隨著當(dāng)前很多機(jī)場的運(yùn)行負(fù)荷增大，CBR只能用來表征土基的抗剪強(qiáng)度，僅與道面的土基破壞這一損壞模式對應(yīng)，并不能表征道面的疲勞開裂和溫度開裂以及結(jié)構(gòu)的其他各種損壞，其相關(guān)的不足之處也開始顯現(xiàn)。傳統(tǒng)使用的力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法可以很好地避免CBR經(jīng)驗(yàn)法的不足，能夠表征由于荷載和溫度引起的結(jié)構(gòu)層疲勞開裂，并直接計(jì)算基層穩(wěn)定材料的厚度。

3　當(dāng)前機(jī)場瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)的要點(diǎn)分析

3.1混合交通組成

所謂飛機(jī)混合交通的組成，即由各種型號(hào)的飛機(jī)組成了機(jī)場的道面交通，而由于各種機(jī)型飛機(jī)的起落架幾何構(gòu)型差別比較大，道面所受到的力也有著較大的差別，在對機(jī)場瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)時(shí)需要仔細(xì)考慮。當(dāng)前在很多機(jī)場道面設(shè)計(jì)的方法中都對飛機(jī)混合交通組成采用了不同的考慮方法，比如，在美國FAA彈性層狀體系設(shè)計(jì)方法中，就對飛機(jī)混合交通組成按照以下兩個(gè)步驟進(jìn)行考慮：

（1）對不同機(jī)型對機(jī)場道面造成的損壞效應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)計(jì)算；

（2）在Miner準(zhǔn)則的依據(jù)下對道面的累積疲勞損壞效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，在表示混合交通的影響中，以“累積損壞因子”作為主要的影響指標(biāo)（注：累積損壞因子Cumulative Damage Factor，CDF）。

3.2多輪起落架荷載

由于不同型號(hào)的飛機(jī)其主起落架通常是由多個(gè)機(jī)輪組成，多輪荷載對道面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的力學(xué)響應(yīng)量與單輪荷載產(chǎn)生的有較大差別，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮多輪荷載的當(dāng)量單輪化。圖2為飛機(jī)的受力分析示意圖。

圖2　飛機(jī)受力分析示意圖

在我國的機(jī)場瀝青混凝土道面的設(shè)計(jì)中主要采用土基頂面的彎沉等效原則的規(guī)范，通過該等效原則將多輪荷載轉(zhuǎn)換成當(dāng)量單輪荷載。所謂多輪荷載當(dāng)量單輪化是指假定當(dāng)量單輪與多輪裝置所有機(jī)輪具有相同的接觸面積，在道面結(jié)構(gòu)一定深度處，兩者產(chǎn)生等效的力學(xué)響應(yīng)量。不過該種理論根據(jù)實(shí)踐分析，還具有一定的不足，需要在實(shí)踐中不斷完善。

3.3輪跡橫向分布

在實(shí)際情況下，當(dāng)飛機(jī)在機(jī)場道面上運(yùn)行時(shí)，其中心線與跑道或者滑行道中心線有著一定的橫向偏離，而機(jī)場道面橫斷面上各點(diǎn)實(shí)際受到的輪荷重復(fù)作用次數(shù)并不等于設(shè)計(jì)飛機(jī)的實(shí)際運(yùn)行次數(shù)。因此，在對機(jī)場瀝青混凝土道面的實(shí)際設(shè)計(jì)中需要對飛機(jī)輪荷的輪跡橫向作用分布進(jìn)行仔細(xì)考慮，從而取得更加經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、合理的道面厚度設(shè)計(jì)。

3.4環(huán)境氣候因素

通常情況下，機(jī)場道面都是大面積直接暴露在大氣環(huán)境之下，環(huán)境中的干濕、冷熱和凍融都對道面產(chǎn)生著一定的作用，因此，環(huán)境氣候的影響因素在機(jī)場瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)中就不能不予以考慮。目前很多國內(nèi)外機(jī)場在道面設(shè)計(jì)中都運(yùn)用了凍深的影響，對道面最小的防凍厚度進(jìn)行了明確，但對道面大氣降雨、濕度、溫度等因素的考慮并不全面。根據(jù)實(shí)踐可知，溫度年變化和日變化對道面結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生的反復(fù)拉應(yīng)力不可忽視，這些都需要在未來的設(shè)計(jì)實(shí)踐中不斷完善。

4　結(jié)　語

綜上所述，要采取積極措施促使瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)質(zhì)量的提升，筆者建議，面對著亟待完善的設(shè)計(jì)理論，未來我國可以從以下方面進(jìn)行改進(jìn)：一是基于兩種傳統(tǒng)基本設(shè)計(jì)方法對設(shè)計(jì)基本理論進(jìn)行完善；二是對半剛性基層的損壞模式進(jìn)行深入研究；三是完善設(shè)計(jì)指標(biāo)和參數(shù)體系，使其更具有參考價(jià)值；四是在實(shí)踐中不斷探尋更為可靠的設(shè)計(jì)方式。只有這樣，才能切實(shí)提升我國在瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)中的水平，為我國飛機(jī)交通的運(yùn)行安全提供必要的安全保障。

［1］尹向東.機(jī)場跑道水泥道面加鋪瀝青混凝土防反射裂縫方法概論［J］.四川建筑科學(xué)研究，2014（5）:238-240.

［2］王文林，李約漢.提高機(jī)場瀝青混凝土道面施工質(zhì)量探討［J］.建筑技術(shù)開發(fā)，2013（8）:46-48，78.

［3］孫九龍.機(jī)場瀝青混凝土道面施工質(zhì)量控制技術(shù)［J］.山西建筑，2015（10）:205-206.

［4］文小龍，徐云，張立松，等.機(jī)場瀝青混凝土道面病害機(jī)理及防護(hù)技術(shù)［J］.四川建筑，2015（2）:240-241，243.

U416.217

B

1009-7716（2016）07-0082-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.024

2016-01-21

魏曉宇（1982-），男，江蘇揚(yáng)州人，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)場飛行區(qū)場道。