南蘇丹朱巴國際機(jī)場跑道道面層間工作狀態(tài)

胥祥偉，廖述清，王選倉，汪日燈 ，孔二春

(1.中交機(jī)場勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230； 2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引 言

機(jī)場道面相比于公路路面，受力環(huán)境更加惡劣[1-4]，飛機(jī)輪胎接地壓力約為汽車輪胎接地壓力的1.5～2.2倍[5-6]，且飛機(jī)在加速起飛及高速運(yùn)行狀態(tài)下剎車時(shí)也會(huì)對(duì)機(jī)場道面產(chǎn)生較大的水平荷載[7]，從而使道面內(nèi)部出現(xiàn)較大水平剪應(yīng)力[8]，若層間黏結(jié)強(qiáng)度不足，在高溫條件下，瀝青面層易產(chǎn)生輪轍、滑移及擁包等病害[9-11]。

目前國內(nèi)外對(duì)非洲地區(qū)機(jī)場道面層間工作狀態(tài)的研究較少，大多數(shù)加鋪模型基于特定條件和邊界假設(shè)得到，并無實(shí)際的指導(dǎo)意義[12-13]。本文借助ABAQUS有限元軟件分析了機(jī)場道面在B767-200飛機(jī)荷載作用下的層間工作狀態(tài)，并與BZZ-100標(biāo)準(zhǔn)汽車荷載計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到道面結(jié)構(gòu)層中剪應(yīng)力的空間分布及受剪切最不利位置；并進(jìn)一步分析道面層間工作狀態(tài)與各影響因素之間的關(guān)系，結(jié)果可為相似項(xiàng)目提供理論支撐。

1 道面結(jié)構(gòu)參數(shù)

參考南蘇丹朱巴機(jī)場原有道面結(jié)構(gòu)，建立非洲熱帶地區(qū)典型柔性機(jī)場道面結(jié)構(gòu)模型并給出相應(yīng)的參數(shù)，如表1所示。建立有限元模型時(shí)，以空間直角坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，尺寸為5 m×5 m×5 m。X方向?yàn)榈烂婵v向，Y方向?yàn)榈烂鏅M向，Z方向?yàn)樯疃确较颉＿吔鐥l件為：限制橫向水平位移及縱向水平位移[14]；路基底面約束各個(gè)方向的位移，選用8節(jié)點(diǎn)減縮積分單元C3D8R計(jì)算單元[15-17]。

表1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 荷載作用形式

飛機(jī)荷載主要由飛機(jī)的主起落架承擔(dān)，由于起落架構(gòu)型不同，飛機(jī)荷載作用在道面的形式比較復(fù)雜。按照軸數(shù)和輪數(shù)，主起落架的構(gòu)型主要包括單軸單輪、單軸雙輪、雙軸單輪、雙軸四輪、三軸雙輪，同時(shí)也有以A380飛機(jī)為代表的復(fù)合式構(gòu)型。

根據(jù)《民用機(jī)場瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)規(guī)范》(MH 5010—1999)，在道面設(shè)計(jì)時(shí)選用設(shè)計(jì)年限內(nèi)對(duì)道面要求最高的機(jī)型作為設(shè)計(jì)飛機(jī)，設(shè)計(jì)飛機(jī)主起落架的單輪荷載

(1)

式中：Ps為設(shè)計(jì)飛機(jī)主起落架上的單輪荷載(kN)；G為設(shè)計(jì)飛機(jī)最大起飛荷載(kN)；ρ為主起落架荷載分配系數(shù)；ne為設(shè)計(jì)飛機(jī)的主起落架個(gè)數(shù)；nw為單獨(dú)主起落架的輪子數(shù)目。

包括中國在內(nèi)的許多國家瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)規(guī)范中，都把單個(gè)輪印設(shè)為由一個(gè)矩形和兩個(gè)半圓組成的橢圓形，橢圓形的長寬比為1∶0.6。在有限元計(jì)算中為方便單元?jiǎng)澐郑p少計(jì)算中橢圓形荷載周邊產(chǎn)生的應(yīng)力突變，故將荷載作用形狀簡化為長寬比為0.871 2∶0.6的矩形，如圖1所示。

圖1 飛機(jī)單輪荷載簡化

橢圓形的長度

(2)

式中：L為輪印長度(mm)；q為輪胎壓強(qiáng)(MPa)。

朱巴機(jī)場加鋪后，最大機(jī)型由B737升級(jí)為B767。根據(jù)機(jī)場航空量預(yù)測數(shù)據(jù)，可知2020年左右B767型飛機(jī)為是朱巴機(jī)場道面要求最高的機(jī)型，本文在分析時(shí)以B767-200作為設(shè)計(jì)飛機(jī)，其參數(shù)見表2。

表2 B767-200飛機(jī)參數(shù)

對(duì)于B767-200機(jī)型，將橢圓荷載簡化為矩形荷載，得到L=0.487 1 m，單輪荷載簡化為0.424 4 m×0.292 3 m的矩形，根據(jù)B767-200機(jī)型參數(shù)，其荷載與汽車軸載BZZ-100分布形式如圖2、3所示。

圖2 B767-200荷載布置形式

圖3 BZZ-100荷載布置形式

3 層間工作狀態(tài)

為了研究不同因素對(duì)層間剪應(yīng)力的影響規(guī)律，首先需要確定在路面層間所產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力的作用位置。本文通過ABAQUS軟件計(jì)算設(shè)計(jì)飛機(jī)在荷載作用下不同位置的受力情況，從而確定最不利位置?？紤]到B767-200單個(gè)輪組荷載的對(duì)稱性，故這里僅討論X>0、Y>0的情況。

3.1 垂直于行駛方向

計(jì)算B767-200飛機(jī)荷載和BZZ-100汽車軸載在垂直于行駛方向上的不同點(diǎn)位所產(chǎn)生的沿行駛方向剪應(yīng)力的變化情況，結(jié)果見圖4、5。

圖4 B767-200荷載垂直于行駛方向的剪應(yīng)力

圖5 BZZ-100荷載垂直于行駛方向的剪應(yīng)力

由圖4、5可知：在垂直于行駛方向，對(duì)于B767-200荷載和BZZ-100荷載，當(dāng)條件限定為X=0、Z=0.1時(shí)，分別在Y=0.55 m及Y=1.5δ(δ=0.106 5 m)位置附近產(chǎn)生了最大的剪應(yīng)力；對(duì)于2種不同的荷載，發(fā)現(xiàn)其受剪最不利位置的Y坐標(biāo)與輪跡中線的Y坐標(biāo)一致。

3.2 沿行駛方向

計(jì)算B767-200和BZZ-100荷載在行駛方向上的不同點(diǎn)位所產(chǎn)生的沿行駛方向剪應(yīng)力的變化情況，結(jié)果見圖6、7。

圖6 B767-200荷載沿行駛方向的剪應(yīng)力

圖7 BZZ-100荷載沿行駛方向的剪應(yīng)力

由圖6、7可知，在行駛方向上，對(duì)于B767-200荷載和BZZ-100荷載，當(dāng)條件分別限定為Y=0.55、Z=0.1 和Y=1.5δ、Z=0.1時(shí)，分別在X=0.9 m及X=1.0δ(δ=0.106 5 m)位置附近產(chǎn)生了最大的剪應(yīng)力。分析其受剪最不利位置，發(fā)現(xiàn)無論對(duì)于飛機(jī)荷載還是汽車荷載，沿X軸方向最大剪應(yīng)力位置均出現(xiàn)在輪印的前緣附近。

3.3 沿深度分布情況

計(jì)算B767-200和BZZ-100荷載在行駛方向上的不同點(diǎn)位所產(chǎn)生的沿深度方向剪應(yīng)力變化情況，計(jì)算點(diǎn)位及結(jié)果見圖8。

圖8 B767-200和BZZ-100荷載沿深度方向剪應(yīng)力

由圖8可知，當(dāng)條件分別限定為X=0.9、Y=0.55和X=1.0δ、Y=1.5δ時(shí)，BZZ-100荷載在深度方向上產(chǎn)生的剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)在0.04 m深處，約為0.3 MPa；飛機(jī)起落架荷載引起的最大剪應(yīng)力約為標(biāo)準(zhǔn)軸載的2倍，B767-200飛機(jī)荷載剪應(yīng)力峰值在0.06 m深處附近，但在深度0.03～0.11 m之間行車方向的剪應(yīng)力均大于0.60 MPa，在深度0.15 m以內(nèi)剪應(yīng)力均大于0.5 MPa。

BZZ-100荷載出現(xiàn)最大剪應(yīng)力的位置在上中面層之間，而B767-200荷載出現(xiàn)剪應(yīng)力較大的深度范圍較廣，對(duì)于中下面層之間和原有路面與加鋪層間的抗剪強(qiáng)度要求更高，如若在剪應(yīng)力大的區(qū)域出現(xiàn)層間黏結(jié)強(qiáng)度不足的情況，在反復(fù)剪切作用下路面易出現(xiàn)疲勞破壞[18]。

4 層間工作狀態(tài)的影響因素

4.1 加鋪層回彈模量

加鋪層模量取值范圍為1 000～2 000 MPa，以100 MPa為梯度遞增，不同模量的機(jī)場加鋪層層間最大剪應(yīng)力如表3及圖9所示。可知：加鋪瀝青混凝土模量的增加可以在一定程度上起到降低層間最大剪應(yīng)力的效果，但效果并不明顯；當(dāng)加鋪層模量從1 000 MPa增至2 000 MPa時(shí)，B767-200和BZZ-100荷載產(chǎn)生的層間剪應(yīng)力分別下降了4%和6%。故選用模量較大的瀝青混合料作為機(jī)場加鋪層材料可以降低層間的剪應(yīng)力。

表3 加鋪層模量對(duì)層間最大剪應(yīng)力的影響

圖9 加鋪層模量對(duì)加鋪層間最大剪應(yīng)力的影響

4.2 加鋪層厚度

《民用機(jī)場瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)規(guī)范》(MH5010—1999)中規(guī)定，原有瀝青道面加鋪層厚度不小于5 cm，故加鋪層厚度取值范圍為5～20 cm，以2.5 cm為梯度遞增。層間最大剪應(yīng)力與加鋪層厚度的關(guān)系如圖10及表4所示。

圖10 加鋪層厚度對(duì)層間最大剪應(yīng)力的影響

由圖可知，加鋪層厚度變化對(duì)層間剪應(yīng)力有較大影響，對(duì)于B767-200荷載，當(dāng)加鋪層厚度由5 cm上升至 20 cm時(shí)，層間剪應(yīng)力下降了45.5%，而BZZ-100荷載則下降約70%。由此可見，通過增加加鋪層厚度可以顯著減少層間的剪應(yīng)力。

表4 加鋪層厚度對(duì)層間最大剪應(yīng)力的影響

4.3 設(shè)置柔性層

設(shè)置柔性層可以減緩舊道面反射裂縫對(duì)加鋪層層間剪應(yīng)力的影響[19-20]。實(shí)際設(shè)置柔性層厚度一般在10 cm左右，故模型中舊路與加鋪層間柔性層的厚度統(tǒng)一為10 cm，模量在400～800 MPa之間，分析不同柔性層模量對(duì)層間剪應(yīng)力的影響，結(jié)果見表5。

表5 設(shè)置柔性層對(duì)層間最大剪應(yīng)力的影響 MPa

分析表5可知：設(shè)置柔性層可以有效減少層間剪應(yīng)力，柔性層頂?shù)募魬?yīng)力高于柔性層底；對(duì)于柔性層頂?shù)募魬?yīng)力，當(dāng)柔性層模量從400 MPa上升至800 MPa時(shí)，B767-200和BZZ-100荷載的層間剪應(yīng)力分別上升23%和28.7%。

4.4 原有道面回彈模量的影響

原有道面回彈模量取值在200～1 400 MPa范圍內(nèi)，以200 MPa為梯度遞增，原有道面不同模量情況下沿行駛方向的剪應(yīng)力變化如表6所示。

由表6可知，原有道面模量的變化對(duì)層間剪應(yīng)力影響較大：對(duì)于B767-200荷載，當(dāng)原有道面模量由400 MPa上升至1 400 MPa時(shí)，層間剪應(yīng)力增大了46.4%；而對(duì)于BZZ-100荷載則增大了約35.5%。但是，在實(shí)際加鋪過程中，如果原有道面模量過低會(huì)造成道路整體結(jié)構(gòu)承載能力不足，因此需要對(duì)舊路病害進(jìn)行處理，必要時(shí)銑刨掉舊路并填充新料，同時(shí)可以通過在舊路和加鋪層間設(shè)置柔性層來降低加鋪層的層間剪應(yīng)力。

表6 原有道面模量對(duì)層間最大剪應(yīng)力的影響 MPa

5 結(jié) 語

本文通過ABAQUS軟件分析了機(jī)場道面在B767-200飛機(jī)荷載作用下的層間工作狀態(tài)，并與BZZ-100標(biāo)準(zhǔn)荷載計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)對(duì)道面層間工作狀態(tài)的影響因素進(jìn)行深入分析，得出以下結(jié)論。

(1)對(duì)于給定的道面結(jié)構(gòu)，在B767-200和BZZ-100荷載作用下，道面受剪最不利位置均出現(xiàn)在輪印前緣附近。BZZ-100荷載作用時(shí)，最大剪應(yīng)力位于上中面層之間；B767-200荷載作用時(shí)，在較寬的深度范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)較大的剪應(yīng)力。

(2)在其他條件不變情況下，提高加鋪層材料的模量和厚度均能降低層間最大剪應(yīng)力，且增加厚度帶來的最大剪應(yīng)力降低效果更顯著。

(3)設(shè)置柔性層可有效降低層間剪應(yīng)力，柔性層頂部和底部的剪應(yīng)力均隨柔性層材料彈性模量的增加而增大。

(4)原有道面模量的變化對(duì)層間剪應(yīng)力的影響較大，對(duì)于B767-200荷載，當(dāng)舊路模量由400 MPa上升至1 400 MPa時(shí)，層間剪應(yīng)力增大了46.4%，而荷載為BZZ-100時(shí)則增大約35.5%。