機(jī)場(chǎng)瀝青加鋪結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)

陳金章，國(guó) 洋

(1.中交通力建設(shè)股份有限公司勘察設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710075； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引 言

隨著客流量的增大和大型重載飛機(jī)的出現(xiàn)，機(jī)場(chǎng)瀝青加鋪道面的輪轍問(wèn)題已經(jīng)引起業(yè)內(nèi)的普遍關(guān)注。通過(guò)對(duì)機(jī)場(chǎng)道面病害進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，輪轍主要出現(xiàn)在飛機(jī)低速行駛的平行滑行道和聯(lián)絡(luò)道，且在高溫、重載、低速三相耦合作用下尤為嚴(yán)重。目前，國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者針對(duì)瀝青道面輪轍問(wèn)題展開(kāi)研究，如蔡靖等對(duì)溫度場(chǎng)下的機(jī)場(chǎng)柔性道面轉(zhuǎn)彎區(qū)輪轍規(guī)律研究[1]；翁興中對(duì)機(jī)場(chǎng)道面起飛段瀝青薄蓋被層應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明夏季炎熱季節(jié)容易發(fā)生剪切破壞[2]。然而，很少有學(xué)者從加鋪結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)的角度思考局部區(qū)域輪轍病害集中的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)進(jìn)行加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一般采用經(jīng)驗(yàn)法或力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法，對(duì)飛行區(qū)各部分結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差異考慮不足，整個(gè)機(jī)場(chǎng)道面大多采用統(tǒng)一加鋪結(jié)構(gòu)，或僅有2 cm的厚度差異[3-4]。但飛機(jī)在不同行駛區(qū)域行駛狀況差別較大，跑道上的起降速度可達(dá)50～80 m·s-1；平行滑行道和聯(lián)絡(luò)道上的行駛速度則相對(duì)較低，甚至處在停滯狀態(tài)。當(dāng)整個(gè)機(jī)場(chǎng)道面采用統(tǒng)一加鋪結(jié)構(gòu)，滑行道和聯(lián)絡(luò)道上的荷載作用時(shí)間相比跑道上荷載作用時(shí)間將增大10倍甚至幾十倍，導(dǎo)致滑行道和聯(lián)絡(luò)道比跑道更容易發(fā)生永久變形[5]，因此，結(jié)合飛機(jī)在各個(gè)區(qū)域的行駛狀態(tài)差異進(jìn)行加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常有必要的。本文應(yīng)用ABAQUS有限元結(jié)構(gòu)分析軟件，分析移動(dòng)荷載作用下道面力學(xué)響應(yīng)，對(duì)機(jī)場(chǎng)白改黑工程平滑道加鋪結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)進(jìn)行研究和探討。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 道面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

中國(guó)機(jī)場(chǎng)加鋪結(jié)構(gòu)組合大多采用SMA+AC?，F(xiàn)選取某具有代表性的機(jī)場(chǎng)加鋪結(jié)構(gòu)，整個(gè)機(jī)場(chǎng)道面厚度最大相差為2 cm。材料厚度及參數(shù)見(jiàn)表1，假設(shè)飛機(jī)型號(hào)為B747-400。

1.2 模型建立

采用ABAQUS有限元平臺(tái)進(jìn)行力學(xué)分析。舊水泥混凝土路面板采用的平面尺寸為(長(zhǎng)×寬)5 m×5 m，接縫寬1 cm，面層板與半剛性基層采用三維8節(jié)點(diǎn)減縮積分單元C3D8R模擬。 采用Foundation彈性基礎(chǔ)代替土基 。ABAQUS中定義滑行方向?qū)ΨQ邊界UX=URY=URZ=0,垂直滑行方向?qū)ΨQ邊界UY=URX=URZ=0。

1.3 計(jì)算指標(biāo)及位置確定

輪轍首先發(fā)生壓密變形，特別在高溫環(huán)境下，故選壓應(yīng)力σz及壓應(yīng)變?chǔ)舲作為計(jì)算指標(biāo)。瀝青混合料側(cè)向流動(dòng)是穩(wěn)流動(dòng)輪轍發(fā)生及發(fā)展的另一主要原因，故同時(shí)選取剪應(yīng)力τxz及剪應(yīng)變?chǔ)舩z作為計(jì)算指標(biāo)。各指標(biāo)的作用位置見(jiàn)表2。

表1 西北某機(jī)場(chǎng)加鋪結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

表2 計(jì)算指標(biāo)及位置

2 加鋪結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析

為得到平行滑行道和跑道兩種不同道面的受力特點(diǎn)，分析大型飛機(jī)在不同荷載、溫度、行駛速度、下面層材料模量變化時(shí)應(yīng)力、應(yīng)變變化規(guī)律。本文假定飛機(jī)在滑行道上的速度為5 m·s-1，在跑道上的速度為50 m·s-1，模擬軸載在150～300 kN、溫度在30 ℃～60 ℃、加鋪層模量在1 500～2 700 MPa時(shí)，道面的應(yīng)力、應(yīng)變隨速度的變化規(guī)律。

2.1 速度-軸載影響分析

荷載在150～270 kN時(shí)應(yīng)力、應(yīng)變隨速度的變化如圖1～4所示。

圖1 不同荷載下剪應(yīng)力(τxz)隨速度的變化

圖2 不同荷載下剪應(yīng)變(εxz)隨速度的變化

圖3 不同荷載下壓應(yīng)力(σz)隨速度的變化

圖4 不同荷載下壓應(yīng)變(εxz)隨速度的變化

從圖1～4可見(jiàn)：相同軸載作用下，最大剪應(yīng)力(變)隨速度的增加而減小，50 m·s-1時(shí)平均剪應(yīng)力、剪應(yīng)變分別較5 m·s-1時(shí)下降低5.8%、3.9%；壓應(yīng)力(變)隨速度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)速度較高時(shí)，變化趨于穩(wěn)定。

同時(shí)，加鋪層最大剪應(yīng)力(變)及壓應(yīng)力(變)均隨著輪載的增大線性增大?？梢?jiàn)，當(dāng)重載飛機(jī)在平行滑行道和聯(lián)絡(luò)道處于低速慢行時(shí)，道面所受的剪應(yīng)力(變)較大，導(dǎo)致這部分道面在較短的時(shí)間發(fā)生較大的永久變形。

2.2 速度-溫度影響分析

溫度在30 ℃～60 ℃時(shí)應(yīng)力、應(yīng)變隨速度的變化如圖5～8所示。

圖5 不同溫度下剪應(yīng)力(τxz)隨速度的變化

圖6 不同溫度下剪應(yīng)變(εxz)隨速度的變化

圖7 不同溫度下壓應(yīng)力(σz)隨速度的變化

圖8 不同溫度下壓應(yīng)變(εz)隨速度的變化

從圖5～8可以看出：相同溫度時(shí)，速度的變化對(duì)應(yīng)力的影響較大，當(dāng)速度較低時(shí)，剪應(yīng)力和壓應(yīng)力的變化較為平緩。隨著速度的增大，剪應(yīng)力明顯減小，壓應(yīng)力明顯增大；剪應(yīng)變逐漸減小，但較小幅度不大，壓應(yīng)變依舊呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；速度在10～50 m·s-1時(shí)，每增加10 m·s-1，壓應(yīng)變平均增大1.5%，剪應(yīng)變平均降低0.9%。

同時(shí)，隨溫度升高，加鋪層應(yīng)變顯著增大，抵抗變形能力降低明顯，特別是溫度高于50 ℃，應(yīng)變急劇增大。當(dāng)溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，平行滑行道和聯(lián)絡(luò)道上剪應(yīng)力和壓應(yīng)力將是30 ℃時(shí)的2.64倍和2.99倍。可見(jiàn)在高溫地區(qū)，平行滑行道和聯(lián)絡(luò)道更容易發(fā)生永久變形。

2.3 速度-模量影響分析

由于下面層模量隨結(jié)構(gòu)和材料的變化而變化，故本文分析下面層模量在1 500～2 700 MPa時(shí)，加鋪層應(yīng)力、應(yīng)變隨速度的變化， 結(jié)果如圖9～12所示。

圖9 不同模量下剪應(yīng)力(τxz)隨速度的變化

圖10 不同模量下剪應(yīng)變(εxz)隨速度的變化

圖11 不同模量下壓應(yīng)力(σz)隨速度的變化

圖12 不同模量下壓應(yīng)變(εz)隨速度的變化

從圖9～12可以看出：相同模量下，最大剪應(yīng)力和剪應(yīng)變均隨速度增加而顯著降低，速度為50 m·s-1時(shí)，平均剪應(yīng)力、剪應(yīng)變分別較5 m·s-1時(shí)降低6.4%、5.0%；壓應(yīng)力和壓應(yīng)變?cè)龃箫@著。

同時(shí)，隨著下面層模量增大，剪應(yīng)力(變)逐漸減小，且降低幅度越來(lái)越小。下面層模量從1 500 MPa增大到2 700 MPa，剪應(yīng)力和剪應(yīng)變平均降低1.0和1.5倍。壓應(yīng)力(變)隨著模量的增大而逐漸降低，且降幅逐漸減小。模量從1 500 MPa增大到2 700 MPa時(shí)，壓應(yīng)力和壓應(yīng)變平均降低1.0、2.1倍?？梢?jiàn)，適當(dāng)提高下面層模量可以減小剪應(yīng)力和剪應(yīng)變，有助于改善輪轍病害。

3 合理結(jié)構(gòu)推薦

由上述分析可以看出，在重載和高溫的作用下，低速行駛區(qū)處于極限受力狀態(tài)，會(huì)迅速產(chǎn)生永久變形。現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)道面大多采用統(tǒng)一加鋪結(jié)構(gòu)，但平行滑行道和聯(lián)絡(luò)道的受力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于跑道。尤其是重載飛機(jī)增多、夏季高溫季節(jié)時(shí)，滑行道和聯(lián)絡(luò)道將處于這種極限不利狀態(tài)，導(dǎo)致早期輪轍破壞迅速發(fā)生并發(fā)展。相反，飛機(jī)在跑道上面高速行駛，降低了輪轍病害發(fā)生和發(fā)展的幾率[6]。因此，現(xiàn)有的機(jī)場(chǎng)加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不能滿足大型飛機(jī)荷載與高溫環(huán)境的綜合作用。

通過(guò)改變模量對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的影響可知，在不同速度下，模量增加，剪應(yīng)力增大，剪應(yīng)變大幅度減小，壓應(yīng)力和壓應(yīng)變也逐漸減小，并且增加的幅度越來(lái)越小。由此認(rèn)為，可以通過(guò)合理的設(shè)置下面層模量改善面層在高溫、重載、低速行駛耦合作用下的極限不利受力狀態(tài)。為推薦合理加鋪結(jié)構(gòu)材料，本文采用SMA-13、AC-20及HMAC這3種不同模量的瀝青混合料，按照模量遞增，組合為4種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行輪轍變化規(guī)律分析。結(jié)構(gòu)組合形式見(jiàn)表3。

表3 路面結(jié)構(gòu)組合

利用ANSYS模擬不同結(jié)構(gòu)組合下輪轍隨速度的變化規(guī)律，結(jié)果如圖13所示。

圖13 不同組合結(jié)構(gòu)下輪轍深度隨速度的變化規(guī)律

由圖13可見(jiàn)：組合結(jié)構(gòu)1采用SMA+AC，是國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)普遍采用的組合形式，其抗輪轍性能最差。以組合結(jié)構(gòu)1為基準(zhǔn)，不同結(jié)構(gòu)組合下平行滑行道和聯(lián)絡(luò)道、跑道上輪轍深度變化幅度如表4所示。

表4 不同結(jié)構(gòu)組合下的輪轍變化

由表4可知，隨著模量的增大，輪轍深度逐漸減小，適當(dāng)提高面層模量能顯著提高加鋪層整體抗變形能力；組合4采用雙層HMAC形式，改善效果最明顯。

同時(shí)，在不同的飛行區(qū)域，輪轍深度變化幅度也具有明顯差別?！睹裼脵C(jī)場(chǎng)道面評(píng)價(jià)管理技術(shù)規(guī)范》(MH/T5024—2009)中對(duì)輪轍損壞程度的規(guī)定如表5所示。當(dāng)采用SMA+AC結(jié)構(gòu)時(shí)，跑道上輪轍損壞程度為輕微，滿足使用年限要求；然而，在結(jié)構(gòu)組合為1、2、3時(shí)，平行滑行道和聯(lián)絡(luò)道的輪轍損壞程度均為嚴(yán)重，只有采用雙層HMAC結(jié)構(gòu)時(shí)輪轍損壞程度降為中等，說(shuō)明現(xiàn)有的SMA+AC并不適用在平行滑行道和聯(lián)絡(luò)道。

表5 輪轍損害程度判別標(biāo)準(zhǔn)

因此，在機(jī)場(chǎng)道面設(shè)計(jì)時(shí)，跑道上推薦使用現(xiàn)常用加鋪結(jié)構(gòu)組合形式為SMA+AC，但平行滑行道和聯(lián)絡(luò)道應(yīng)適當(dāng)提高混合料模量至2 100～2 700 MP。推薦使用雙層HMAC結(jié)構(gòu)，同時(shí)降低材料的溫度敏感性，從而緩解飛機(jī)荷載在低速慢行狀態(tài)下剪應(yīng)力增大對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，提高其抗變形能力和加鋪結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)不同荷載、溫度、模量下加鋪層最大剪應(yīng)力、剪應(yīng)變、壓應(yīng)力、壓應(yīng)變隨速度的變化曲線進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

(1)現(xiàn)有的機(jī)場(chǎng)加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)整個(gè)機(jī)場(chǎng)道面采用相同的加鋪結(jié)構(gòu)或僅有2 cm的厚度差異，并不能滿足大型飛機(jī)荷載與環(huán)境的綜合作用.

(2)在高溫、重載條件下，飛機(jī)在平行滑行道及聯(lián)絡(luò)道上處于低速行駛，道面處于極限不利狀態(tài)而迅速產(chǎn)生早期輪轍破壞，而高速行駛狀態(tài)在很大程度上降低跑道上輪轍變形的發(fā)生及發(fā)展。

(3)在機(jī)場(chǎng)道面設(shè)計(jì)時(shí)，跑道上推薦使用組合為SMA+AC結(jié)構(gòu)；平行滑行道和聯(lián)絡(luò)道推薦選用雙層HMAC結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

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