平整度劣化條件下機(jī)場復(fù)合道面力學(xué)特性分析

朱杰濤 馬俊鵬

中國民航大學(xué)

1.道面結(jié)構(gòu)模型建立

本文選取上海虹橋機(jī)場作為研究對象，應(yīng)用ABAQUS有限元軟件，結(jié)構(gòu)層參數(shù)及層間結(jié)合系數(shù)見表1。模型選取四塊水泥板，每塊板的尺寸為5m×5m，接縫寬度為0.01m，總的尺寸為10.01m×10.01m。接縫傳荷能力用虛擬材料來代替，彈模為50Mpa。邊界條件設(shè)置：在飛機(jī)滑行方向和垂直滑行方向約束道面結(jié)構(gòu)的水平位移。有限元模擬時，連續(xù)模型層間采用綁定設(shè)置；接觸模型罰函數(shù)公式(Penalty)模擬，法向接觸采用“硬”接觸(Hard Contact)。機(jī)輪荷載參數(shù)見表2，荷載和接縫位置見圖1。

2.受力分析

按照[1]動載系數(shù)求解公式，求解IRI=4時的綜合動載系數(shù)為1.12，用有限元模擬劣化復(fù)合道面，提取數(shù)據(jù)進(jìn)行受力分析如下。

2.1 水泥板應(yīng)力分析

由于水泥板時主要的承重層，在復(fù)合道面劣化條件下，水泥板會受到較大的荷載沖擊，所以本文提取水泥板最大主應(yīng)力進(jìn)行力學(xué)分析，數(shù)據(jù)如下。

由圖3可知水泥板底拉應(yīng)力全大于板頂壓應(yīng)力，其中何位4最大主應(yīng)力值最大，最大拉應(yīng)力為1.6Mpa，最大壓應(yīng)力為0.895Mpa，拉應(yīng)力時壓應(yīng)力的1.8倍，并且上下板最大拉壓應(yīng)力差最大。說明當(dāng)荷載作用在接縫邊緣時是最不利的荷載位置。

圖3 水泥板最大主應(yīng)力

2.2 路表位移分析

路表位移表示道面整體剛度特性，所以提取機(jī)輪下道面位移進(jìn)行分析。由圖4可知，幾種荷載作用下彎沉值走向一致，最大彎沉值產(chǎn)生在機(jī)輪下方。荷位1和何位4作用下路表反向彎沉值較大，道面容易產(chǎn)生翹曲，層間結(jié)合能力不足時，在外界荷載和溫度作用下，容易產(chǎn)生開裂等各種病害，使用壽命急劇降低。

表1 復(fù)合道面結(jié)構(gòu)層參數(shù)

表2 B737-800荷載參數(shù)

圖1 機(jī)輪與接縫位置圖

圖4 路表彎沉值

2.3 層間剪應(yīng)力分析

復(fù)合道面層間結(jié)合處是受力薄弱的環(huán)節(jié)，所以本文選取層間最大剪應(yīng)力作為分析對象。提取各層間最大剪應(yīng)力如下圖5所示，由圖可以得出最大剪應(yīng)力產(chǎn)生在最上層底，依次第二第三加鋪層底剪應(yīng)力減小，且每層剪應(yīng)力在不同荷位狀態(tài)下變化很小，但水泥板頂最大剪應(yīng)力由于接縫的存在最大剪應(yīng)力值變化很大，水泥板頂最小剪應(yīng)力產(chǎn)生在荷位6處值為1.237Mpa，最大值產(chǎn)生在何位4處值為1.959，增加了53.4%，所以荷位4是受力最不利情況。

圖5 各層間最大剪應(yīng)力

3.結(jié)論

水泥板底拉應(yīng)力大于板頂壓應(yīng)力，荷位4是最不利情況，容易產(chǎn)生各種破壞。荷位1、4產(chǎn)生較大翹曲，最大翹曲值產(chǎn)生在板邊處對板邊產(chǎn)生較大破壞。最大剪應(yīng)力產(chǎn)生在最上層瀝青板底，第二層第三層剪應(yīng)力依次減小，且各層剪應(yīng)力在不同荷位狀態(tài)下差值很小。水泥板頂剪應(yīng)力在荷位4處產(chǎn)生最大值，所以在復(fù)合道面加鋪設(shè)計時考慮不同荷位對道面受力影響。

[1]董倩，基于航空器滑行剛性道面位移場的跑道承載力研究[D].天津：中國民航大學(xué)，2013.