機場道面瀝青加鋪結(jié)構(gòu)分區(qū)域差異設(shè)計研究

李煒光， 國 洋， 湯 豆， 鄭敏楠， 延麗麗， 楊婉怡

(1.長安大學 公路學院，陜西 西安 710061； 2.中交一公院深圳分院，廣東 深圳 518000； 3.陜西交通職業(yè)技術(shù)學院，陜西 西安 710018； 4.撫順市交通工程質(zhì)量與安全監(jiān)督處 遼寧 撫順 113009； 5.北京首發(fā)公路養(yǎng)護工程有限公司，北京 102613)

0 引言

白改黑加鋪是在不停航要求下機場水泥混凝土道面養(yǎng)護的首選方案，但是，近年來很多道面加鋪后，在平行滑行道、聯(lián)絡(luò)道及跑道上出現(xiàn)很多輪轍、推移及擁抱等病害，嚴重影響飛行安全[1].

目前機場加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計中平行滑行道、聯(lián)絡(luò)道、跑道的結(jié)構(gòu)組合及材料類型基本相同，并沒考慮和模擬荷載作用下加鋪層變形累積過程和輪轍控制指標[2]，此外，也沒有考慮不同區(qū)域飛機行駛特性的不同對加鋪結(jié)構(gòu)內(nèi)受力及變形的影響[3].基于此，針對飛機在不同飛行區(qū)的行駛特性，研究瀝青加鋪層的力學響應(yīng)及輪轍形成規(guī)律，進而提出針對不同行駛條件下，以輪轍控制為目的的加鋪結(jié)構(gòu)差異化設(shè)計方法與指標.

1 應(yīng)力應(yīng)變分析

1.1 道面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

為了尋求應(yīng)力、應(yīng)變在加鋪結(jié)構(gòu)中的分布規(guī)律，采用我國某大型民用機場的道面加鋪結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)，如表1所示，設(shè)計飛機采用B747-400.

1.2 模型尺寸及荷載作用位置

舊水泥混凝土路面板所采用的平面尺寸為板長×板寬=5 m×5 m，接縫寬度為1 cm，土基不建立實體模型采用Foundation彈性基礎(chǔ)代替.在道面橫向x向(垂直于飛機行駛方向)控制x向位移，在道面縱向y向(飛機行駛方向)控制y向位移.按照ABAQUS定義如下：x向上為XSYMM對稱邊界條件，即Ux=URy=URz=0.y向上為YSYMM對稱邊界條件，即Uy=URx=URz=0.模型底部采用彈性基礎(chǔ)模擬土基支撐作用，其反應(yīng)模量k=80 MN/m3.為節(jié)省計算時間和避免發(fā)生奇異，采用三維8節(jié)點減縮積分單元[4].

對有接縫的舊水泥混凝土板瀝青加鋪結(jié)構(gòu)，其最不利荷位仍位于接縫處一側(cè)板的縱向邊緣中部.為縮短計算時間，在荷載作用處網(wǎng)格劃分尺寸較細,并逐漸向邊界處擴展，面層網(wǎng)格劃分尺寸較小，向基層逐漸增大.道面加鋪結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分模型如圖1.

圖1 道面結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分模型Fig.1 Mesh model of pavement structure

1.3 參數(shù)影響分析

剪應(yīng)力及剪應(yīng)變是瀝青加鋪結(jié)構(gòu)產(chǎn)生失穩(wěn)流動輪轍和推移的主要誘因，所謂對輪轍破壞的分析，主要是對結(jié)構(gòu)層內(nèi)剪應(yīng)力及混合料抗剪強度的分析，通過對剪應(yīng)力及剪應(yīng)變的計算分析，了解加鋪結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力分布特征，從而在定量分析的基礎(chǔ)上優(yōu)化加鋪結(jié)構(gòu)組合設(shè)計及材料選取.在接縫處瀝青面層剪應(yīng)力(變)較其他位置大，所以剪應(yīng)力(變)計算位置選取為接縫處[5].在此，分析外部影響因素(大型飛機荷載、溫度、行駛速度)變化時的應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律，結(jié)果如圖2～4所示.

圖2 剪應(yīng)力(變)隨主起落架單輪輪載變化規(guī)律Fig.2 The change law of shear(strain) with wheel load

從圖2中可以看出，加鋪層內(nèi)最大剪應(yīng)力、剪應(yīng)變均隨主起落架單輪輪載的增加而呈線性增長，輪載增大1倍，其剪應(yīng)力、剪應(yīng)變也增大1倍.

圖3 剪應(yīng)力(變)隨溫度變化規(guī)律Fig.3 The change law of shear(strain) with temperature

圖4 剪應(yīng)力(變)隨速度變化規(guī)律Fig.4 The change law of shear(strain) with speed

從圖3可見，溫度從20 ℃升至50 ℃，最大剪應(yīng)力呈線性降低10%，但最大剪應(yīng)變則呈冪函數(shù)的形式增大168%.所以，夏季失穩(wěn)型輪轍是內(nèi)部抵抗變形能力降低所致，改善材料的溫度敏感性是延緩輪轍產(chǎn)生和發(fā)展的有效措施之一[6-7].

從圖4可見，速度為50 m/s時，剪應(yīng)力和剪應(yīng)變分別比10 m/s時降低93%和95.6%.較低行駛速度時，加鋪層最大剪應(yīng)力及剪應(yīng)變處于一個較高的水平，但隨著速度的逐漸增加其值逐漸降低，并趨于平緩.同時，相同的條件下，荷載在低速行駛區(qū)域的作用時間將是高速行駛區(qū)域的幾十倍，大大增加了低速行駛區(qū)域發(fā)生病害的可能.

從上述荷載、溫度及行駛速度變化對剪應(yīng)力、剪應(yīng)變的影響規(guī)律可以看出，平行滑行道及聯(lián)絡(luò)道正是處于重載、高溫、低速三相耦合作用下，造成其加鋪層內(nèi)剪應(yīng)力、剪應(yīng)變急劇增大，從而處于極限不利受力狀態(tài)，導致早期輪轍變形破壞.飛機在跑道上的高速行駛狀態(tài)則極大地降低了荷載作用時間，延緩了早期輪轍變形的發(fā)生.在進行加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以根據(jù)飛機軸載、當?shù)販囟纫约白畹突兴俣鹊纫蛩兀刂撇煌w行區(qū)域的最大剪應(yīng)力，有效緩解平行滑行道和聯(lián)絡(luò)道輪轍病害尤為重要.

2 永久變形分析

瀝青混合料是一種變形特性依賴于溫度、應(yīng)力及時間的黏彈塑性材料，本節(jié)采用ABAQUS中自有的時間硬化蠕變模型模擬瀝青加鋪層永久變形[8].

2.1 永久變形規(guī)律

假定飛機在平行滑行道、聯(lián)絡(luò)道上的平均行駛速度為5 m/s，跑道上平均行駛速度為50 m/s.本節(jié)采用數(shù)值模擬方法計算加載50 000次后平行滑行道、聯(lián)絡(luò)道及跑道的瀝青加鋪層隨主起落架單輪輪載、溫度變化的永久變形規(guī)律，其結(jié)果如圖5～6所示.

圖5 各區(qū)域輪轍隨輪載變化規(guī)律Fig.5 The change law of rut with wheel load in different area

圖6 各區(qū)域輪轍隨溫度變化規(guī)律Fig.6 The change law of rut with temperature in different area

從圖5中可以看出，隨著主起落架單輪輪載逐漸增大，飛行區(qū)各區(qū)域輪轍基本呈線性增大，單輪軸載越大，平行滑行道、聯(lián)絡(luò)道與跑道之間的輪轍差值越大.單輪輪載240 kN、行駛速度5 m/s的輪轍深度為150 kN、50 m/s下的3.6倍.從圖6可以看出，隨著溫度升高，飛行區(qū)各區(qū)域輪轍基本呈冪函數(shù)形式增長，并且隨著溫度的升高平行滑行道、聯(lián)絡(luò)道與跑道間的輪轍差越來越大.50 ℃、行駛速度5 m/s下的輪轍深度比20 ℃、50 m/s下高出329倍，比30 ℃、50 m/s下也高出30倍.

可見，瀝青加鋪道面面層敏感溫度約為30 ℃.在日間持續(xù)高溫時段，重載飛機飛行是輪轍迅速發(fā)展的重要條件[9].而我國南方地區(qū)夏季氣溫可達到35 ℃以上,而瀝青道面的表面溫度常能達到60 ℃以上[10]，加之重載、低速的耦合作用，輪轍快速產(chǎn)生和發(fā)展.因此，通過控制高溫時段重載飛機飛行或適當提高最低滑行速度，有利于減少平行滑行道和聯(lián)絡(luò)道輪轍病害.

2.2 材料類型及厚度組合影響

本節(jié)所采用的材料類型為改性AC-20、SMA-13及HMAC 3種瀝青混合料，組合形式分為4種，面層的模量逐漸增加[11].其中20 ℃下HMAC的模量為2 150 MPa，路面結(jié)構(gòu)組合如表2所示.4種結(jié)構(gòu)組合下飛行區(qū)各區(qū)域加鋪結(jié)構(gòu)加載50 000次后輪轍深度如圖7、8所示.

表2 路面結(jié)構(gòu)組合

圖7 不同結(jié)構(gòu)組合下輪轍隨速度變化規(guī)律Fig.7 The change law of rut with speed when structure combinations are different

圖8 不同結(jié)構(gòu)組合下飛行區(qū)不同區(qū)域輪轍深度Fig.8 The depth of rut at different flight area when structure combinations are different

從圖7、8中可以看出，4種結(jié)構(gòu)組合下輪轍深度隨速度的增加呈冪指數(shù)函數(shù)降低，尤其是在低于10 m/s的低速慢行狀態(tài)下，其永久變形量處于較高水平.4種路面結(jié)構(gòu)組合中，隨著面層材料模量的增加，抗車轍能力也逐漸增強.抗輪轍性能最好的是組合4，采用雙層HMAC，但目前我國對HMAC的研究還不夠成熟，沒有成熟的經(jīng)驗可以借鑒，在機場道面結(jié)構(gòu)設(shè)計時并沒有得到非常多的應(yīng)用[12-13].抗車轍能力最差的為組合1，是目前最常用的結(jié)構(gòu)組合形式，采用SMA-13+AC-20，具有良好的耐磨性和易修復性，相對HMAC來說，施工和設(shè)計方法較為成熟，并且，其加鋪結(jié)構(gòu)的永久變形累積量較小，可以滿足跑道的使用要求，因而被廣泛的應(yīng)用[14].但是并不能滿足高溫、重載、低速三相耦合作用下的行駛狀態(tài)，平行滑行道和聯(lián)絡(luò)道上輪轍病害問題依然嚴重.因此，在加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以通過改變材料，提高其下面層模量，降低其累積變形量.

瀝青加鋪層厚度從11 cm增大到21 cm后(按2 cm遞增)，飛行區(qū)不同厚度時輪轍隨速度變化和不同區(qū)域永久變形規(guī)律如圖9、10所示.

從圖9、10可以看出，隨著厚度的逐漸增大，加鋪結(jié)構(gòu)輪轍變形逐漸增大并趨于平緩.厚度的增大對平行滑行道及聯(lián)絡(luò)道永久變形增加較為明顯，對跑道則相對較小.可見，加鋪層宜設(shè)置在13～15 cm范圍內(nèi)，不增加成本的同時可以滿足跑道的要求，現(xiàn)有的加鋪結(jié)構(gòu)厚度基本滿足.飛機在平行滑行道、聯(lián)絡(luò)道上行駛時，則需要考慮與跑道行駛狀態(tài)的差異，加鋪層厚度盡量不超過13 cm，以降低輪轍病害發(fā)生概率[15].

圖9 不同厚度下輪轍隨速度變化規(guī)律Fig.9 The change law of rut with speed at different thickness

圖10 輪轍隨厚度變化規(guī)律Fig.10 The change law of rut with thickness

逐漸增加下面層模量或減小下面層厚度時，不同結(jié)構(gòu)組合，在荷載作用50 000次后，平行滑行道、聯(lián)絡(luò)道輪轍與跑道輪轍深度的關(guān)系如表3所示[16].

表3 不同結(jié)構(gòu)組合下不同區(qū)域輪轍深度關(guān)系

表3進一步表明，采用不同的加鋪厚度和模量組合，輪轍深度的差異非常大.因此，加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通過控制輪轍深度的方式，控制飛行區(qū)不同區(qū)域加鋪結(jié)構(gòu)的厚度和模量是非常有必要的.對于平行滑行道、聯(lián)絡(luò)道，采用高模量瀝青混合料可以顯著降低荷載長時間作用下產(chǎn)生的輪轍；在滿足結(jié)構(gòu)性能或功能要求的前提下，可適當降低平行滑行道、聯(lián)絡(luò)道加鋪層厚度來降低其使用期內(nèi)永久變形.

3 差異設(shè)計方法與設(shè)計指標

機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)在大型飛機的反復作用和自然因素的不斷影響下逐漸出現(xiàn)損壞,特別是在平行滑行道和聯(lián)絡(luò)道低速行駛時，大大加大了重載作用時間，致使輪轍病害快速出現(xiàn)和發(fā)展.通過上述對剪應(yīng)力、剪應(yīng)變和永久變形的分析可知，可以通過控制荷載、溫度、速度等因素，最大剪應(yīng)力和最大輪轍深度的方法,緩解平行滑行道和聯(lián)絡(luò)道上輪轍病害尤為嚴重的問題.因此，在現(xiàn)有設(shè)計方法的基礎(chǔ)上提出以容許剪應(yīng)力及容許輪轍為驗算指標的飛行區(qū)不同區(qū)域瀝青加鋪結(jié)構(gòu)差異設(shè)計方法[17].

3.1 剪應(yīng)力驗算指標

瀝青加鋪層在荷載反復作用下，層內(nèi)剪應(yīng)力超過了其極限狀態(tài)，產(chǎn)生剪切流動變形，所以需要控制加鋪層內(nèi)的剪切應(yīng)力[18-19].而容許剪應(yīng)力則是根據(jù)其所用材料的極限抗剪強度τS得到的，二者之間的關(guān)系為：

(1)

式中：KS為道面結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，與設(shè)計使用期荷載作用次數(shù)和所用材料有關(guān).

由此可得，加鋪結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用期內(nèi)荷載反復作用下不同區(qū)域應(yīng)滿足以下控制指標，

(2)

式中：τRH、τRL、τRP分別為平行滑行道、聯(lián)絡(luò)道及跑道容許剪應(yīng)力.

3.2 輪轍驗算指標

永久變形計算方法是將各種機型的荷載作用次數(shù)轉(zhuǎn)化為設(shè)計機型的作用次數(shù)，得出設(shè)計飛機在設(shè)計使用期內(nèi)荷載作用的總的作用次數(shù)，然后結(jié)合飛行區(qū)不同區(qū)域的行駛特性得出不同區(qū)域的作用時間，再利用蠕變曲線得出不同區(qū)域的總輪轍量，最后看輪轍量是否滿足輪轍控制指標的要求，

(3)

式中：RDH、RDL、RDP分別為滑行道、聯(lián)系道、跑道總輪轍量；[RD]RH、[RD]RL、[RD]RP分別為滑行道、聯(lián)絡(luò)道、跑道容許輪轍量。

3.3 設(shè)計流程

機場舊水泥混凝土道面瀝青加鋪結(jié)構(gòu)不同區(qū)域差異設(shè)計流程如圖11所示.

圖11 機場加鋪結(jié)構(gòu)差異化設(shè)計流程Fig.11 The differential design process of airport asphalt overlay structure

4 結(jié)論

(1)在重載、高溫條件下，平行滑行道和聯(lián)絡(luò)道上低速行駛，加大荷載作用時間，致使輪轍病害迅速發(fā)生和發(fā)展.

(2)適當提高加鋪層模量、降低加鋪層厚度可以減緩輪轍病害的發(fā)展.

(3)針對平行滑行道、聯(lián)絡(luò)道和跑道上飛機行駛特性差異，結(jié)合我國現(xiàn)有規(guī)范，提出以容許剪應(yīng)力及容許輪轍為驗算指標的飛行區(qū)不同區(qū)域瀝青加鋪結(jié)構(gòu)差異設(shè)計方法.