機(jī)場(chǎng)工程水泥道面面層厚度計(jì)算影響因素分析研究

武俊東，薛小剛

(中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)集團(tuán)公司 西北分公司， 陜西 西安 710075)

在機(jī)場(chǎng)工程中，水泥道面由于其取材方便、使用年限長(zhǎng)、后期維護(hù)成本低的特點(diǎn)在我國(guó)民用機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)80%以上的機(jī)場(chǎng)道面采用水泥混凝土道面，長(zhǎng)期以來(lái)，機(jī)場(chǎng)工程水泥道面面層厚度根據(jù)機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)等級(jí)、最大使用機(jī)型來(lái)確定，而忽略了不同道面區(qū)域、不同設(shè)計(jì)荷載、不同運(yùn)行架次等因素對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響[3-6]。

西安咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)屬于4F民用機(jī)場(chǎng)，位于西安市西北方向直線距離25 km處，場(chǎng)區(qū)地貌單元屬渭河北岸低級(jí)黃土塬，地形開(kāi)闊、起伏較小。地層以巨厚濕陷性黃土為主。

2017年，機(jī)場(chǎng)完成年起降31.9萬(wàn)架次，運(yùn)行交通量非常繁重，機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有道面以水泥道面結(jié)構(gòu)為主。咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程中，新建道面面積約360萬(wàn)m2，結(jié)合機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有道面的使用情況，除與現(xiàn)有跑道連接處滑行道因不停航施工需求采用瀝青道面外，其余新建道面均采用水泥道面。

對(duì)道面進(jìn)行分區(qū)、不同分區(qū)作用荷載(機(jī)型)及荷載作用次數(shù)(運(yùn)行架次)的確定是民用機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)的特色之處，本文擬結(jié)合咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程中各道面區(qū)域運(yùn)行情況的不同，對(duì)機(jī)場(chǎng)工程水泥道面面層厚度計(jì)算影響因素作初步分析研究。

1 水泥道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法概述

目前國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)水泥道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要采用波特蘭水泥協(xié)會(huì)(PCA)法，該方法以Winkler彈性地基薄板為理論模型[7-8]，考慮了水泥道面的設(shè)計(jì)年限、疲勞強(qiáng)度、土基特征等多種因素，以外部作用引起的水泥混凝土面層的最大應(yīng)力不超過(guò)混凝土的疲勞強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[9-10]，是一種比較完善的方法，PCA法計(jì)算水泥混凝土道面厚度可采用兩種方法進(jìn)行。

(1) 安全系數(shù)法。選定幾種設(shè)計(jì)機(jī)型，根據(jù)道面所在部位、機(jī)型運(yùn)行次數(shù)選用相應(yīng)的安全系數(shù)，由90 d齡期的混凝土彎拉強(qiáng)度除以安全系數(shù)得容許彎拉應(yīng)力[σ]。利用不同機(jī)型作用情況下面板厚度hi與面板的彎拉應(yīng)力σi關(guān)系曲線圖/表，查圖/表確定每一種設(shè)計(jì)機(jī)型當(dāng)σi≤[σ]時(shí)所需的面層厚度。取σ=max1≤i≤n(σi)對(duì)應(yīng)的面板厚度作為道面所在部位的設(shè)計(jì)厚度。

(2) 疲勞分析法。按使用年限內(nèi)機(jī)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的機(jī)型種類，分別計(jì)算各機(jī)型在假定面層厚度條件下的最大彎拉應(yīng)力σp與水泥混凝土面層的設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度f(wàn)cm之比，利用混凝土疲勞方程式(1)得到各機(jī)型容許重復(fù)作用次數(shù)Nei

(1)

再求出該機(jī)型疲勞損傷因子Fi(該機(jī)型累計(jì)作用次數(shù)nei與容許重復(fù)作用次數(shù)Nei之比)并代入式(2)，如滿足式(2)要求，則假定面層厚度合理，否則調(diào)整面層厚度并重新計(jì)算直至符合式(2)要求。

(2)

我國(guó)現(xiàn)行《民用機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面設(shè)計(jì)規(guī)范》[9](MH/T 5004—2010)采用PCA法中的疲勞分析法進(jìn)行道面結(jié)構(gòu)厚度計(jì)算。

2 水泥道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)分析確定

對(duì)于水泥道面，PCA法采用先假定結(jié)構(gòu)層基層厚度，然后對(duì)面層厚度進(jìn)行試算以尋找合適的面層厚度。結(jié)合咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)現(xiàn)狀水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)，先假定道面結(jié)構(gòu)基層為20 cm水泥穩(wěn)定砂礫、底基層為20 cm水泥穩(wěn)定砂礫。根據(jù)《民用機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面設(shè)計(jì)規(guī)范》[9](MH/T 5004—2010)3.0.5條，土基反應(yīng)模量為70 MN/m3～80 MN/m3；基層頂面反應(yīng)模量取120 MN/m3；水泥混凝土設(shè)計(jì)抗彎拉強(qiáng)度為5.0 MPa。

機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，疲勞分析法的難點(diǎn)之一在于如何對(duì)機(jī)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行機(jī)型進(jìn)行合理分類，并從中選擇部分機(jī)型作為設(shè)計(jì)機(jī)型，以最大程度的代表機(jī)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行狀況；另一個(gè)難點(diǎn)在于對(duì)于機(jī)場(chǎng)不同的道面區(qū)域，在使用年限內(nèi)各設(shè)計(jì)機(jī)型的重復(fù)作用次數(shù)的確定。

2.1 機(jī)場(chǎng)業(yè)務(wù)量及使用年限確定

咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)基準(zhǔn)年為2016年，年旅客吞吐量3 699萬(wàn)人次，年飛機(jī)起降架次29.1萬(wàn)架次。預(yù)測(cè)近期目標(biāo)年2030年，遠(yuǎn)期目標(biāo)年2050年，主要預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)年起降架次預(yù)測(cè)

水泥道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限按30年考慮，咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程預(yù)計(jì)2020年底投入運(yùn)行，即使用年限為2021年—2050年，利用基準(zhǔn)年、目標(biāo)年之間的等比數(shù)列關(guān)系，得使用年限內(nèi)平均運(yùn)行架次見(jiàn)表2。

表2 使用年限內(nèi)平均運(yùn)行架次

2.2 機(jī)場(chǎng)業(yè)務(wù)量及使用年限確定

(1) 機(jī)型分類及機(jī)型組合劃分。結(jié)合國(guó)內(nèi)各航空公司在咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行的主要機(jī)型，按飛機(jī)座位數(shù)將機(jī)型分為I—V共5類機(jī)型見(jiàn)表3。

結(jié)合咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)2012年—2016年起降機(jī)型分類統(tǒng)計(jì)，各類機(jī)型比例統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。民航行業(yè)內(nèi)將飛機(jī)按其最大翼展或最大主起落架外輪外側(cè)邊的間距分為A—F共6類，其構(gòu)成與按座位數(shù)分類的Ⅰ—Ⅴ之間的關(guān)系見(jiàn)表5。

表3 機(jī)型分類表

注：Ⅱ類機(jī)型中B737載客量為149人、A320最多為159人、C919載客量為190人，平均座位數(shù)按150人考慮；Ⅲ類機(jī)型中B757載客量為200人～280人、A310為210人～250人，平均座位數(shù)按230人考慮。

表4 各分類機(jī)型在機(jī)場(chǎng)年起降架次中的比例

表5 B、C、D、E、F類飛機(jī)構(gòu)成表

注：咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)無(wú)A類飛機(jī)起降。

圖1咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程平面規(guī)劃(灰色填充為現(xiàn)有道面范圍)

綜合表2、表4、表5，將使用年限內(nèi)所使用機(jī)型平均運(yùn)行架次進(jìn)行分配，得到一年內(nèi)B類—F類飛機(jī)各自的運(yùn)行架次量，見(jiàn)表6。

表6 B、C、D、E、F類飛機(jī)架次量表

(2) 設(shè)計(jì)機(jī)型選擇。設(shè)計(jì)機(jī)型通常選取某一類(按飛機(jī)最大翼展或最大主起落架外輪外側(cè)邊的間距)機(jī)型中起降架次量較大的一種或幾種代表機(jī)型，結(jié)合咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)2012年—2016年起降機(jī)型統(tǒng)計(jì)資料、預(yù)測(cè)期內(nèi)即將新增的機(jī)型(如A350-900)，選擇的設(shè)計(jì)機(jī)型見(jiàn)表7。

2.3 道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分區(qū)

結(jié)合咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程的平面規(guī)劃(見(jiàn)圖1)，按照各區(qū)域地面運(yùn)行模式、運(yùn)行架次、運(yùn)行機(jī)型的不同，對(duì)新增道面區(qū)域進(jìn)行分區(qū)。分區(qū)的主要原則為：

表7 設(shè)計(jì)機(jī)型及其起降架次統(tǒng)計(jì)

注：運(yùn)行架次按照表4、表5以及各機(jī)型運(yùn)行所占比例進(jìn)行分配。

(1) B類—E類機(jī)型起降架次按照南、北飛行區(qū)各50%的比例運(yùn)行；F類機(jī)型起降架次全部在南飛行區(qū)運(yùn)行。

(2) 起飛跑道及其配套滑行道運(yùn)行荷載取各機(jī)型最大起飛重量；降落跑道及其配套滑行道運(yùn)行荷載取各機(jī)型最大著陸重量；混合運(yùn)行滑行道區(qū)域運(yùn)行荷載按各機(jī)型最大滑行重量、最大著陸重量各50%的比例取值。

(3) 站坪區(qū)域運(yùn)行架次按該區(qū)機(jī)位數(shù)占機(jī)場(chǎng)總機(jī)位數(shù)比例分配，運(yùn)行荷載按最大滑行重量、最大著陸重量各50%的比例取值。

按照上述道面分區(qū)原則，咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程新增水泥道面可劃分為8個(gè)區(qū)域，具體見(jiàn)表8。

表8 咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建新增道面結(jié)構(gòu)分區(qū)

注：三期擴(kuò)建工程投運(yùn)后，機(jī)場(chǎng)機(jī)位總數(shù)為219個(gè)(近機(jī)位115個(gè)，遠(yuǎn)機(jī)位104個(gè))，近機(jī)位、遠(yuǎn)機(jī)位使用頻率按照2∶1考慮。

3 道面厚度計(jì)算分析結(jié)果評(píng)價(jià)

本次水泥道面面層厚度計(jì)算采用基于PCA法中疲勞分析法的自編計(jì)算程序Calculate Concrete Slab(V 1.0)。該程序?qū)⒛壳霸谝鄣臋C(jī)型參數(shù)進(jìn)行了集成，并可根據(jù)計(jì)算需要對(duì)機(jī)型數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)?？舍槍?duì)特定的道面區(qū)域，可對(duì)多種計(jì)算荷載、荷載作用模式進(jìn)行精細(xì)化的設(shè)定，從而更好的模擬水泥道面的實(shí)際受荷工況。

3.1 計(jì)算結(jié)果

利用Calculate Concrete Slab(V 1.0)計(jì)算分析得各分區(qū)水泥道面厚度見(jiàn)表9。

3.2 面層厚度影響因素分析

由表9可知，機(jī)場(chǎng)運(yùn)行模式對(duì)結(jié)果影響較大。

(1) 起飛跑道及其平滑(①區(qū)，41.50 cm)由于采取最大滑行重量，計(jì)算結(jié)果大于采用最大著陸重量的降落跑道及其平滑(②區(qū)，37.75 cm)；同一機(jī)型最大著陸重量約為最大滑行重量的0.7倍，因而對(duì)不同運(yùn)行區(qū)域合理選擇運(yùn)行荷載對(duì)分析結(jié)果影響較大。

表9 水泥道面面層厚度分析結(jié)果

(2) 由于F類機(jī)型運(yùn)行架次量相對(duì)較小，南飛行區(qū)(③區(qū)，37.75 cm)與北飛行區(qū)(②區(qū)，37.75 cm)相同運(yùn)行模式下的水泥道面面層厚度基本相同，即傳統(tǒng)依靠飛行區(qū)等級(jí)或運(yùn)行機(jī)型來(lái)確定道面面層厚度的方法是不合理的，荷載重復(fù)作用次數(shù)是確定面層厚度的又一重要因素。

(3) 對(duì)于站坪區(qū)域(⑥區(qū)、⑦區(qū)、⑧區(qū))，計(jì)算結(jié)果與分區(qū)站坪機(jī)位數(shù)量有關(guān)，同時(shí)，站坪區(qū)水泥道面面層厚度與停放機(jī)型的重量、實(shí)際運(yùn)行使用頻率關(guān)系密切，不能僅依靠最大使用機(jī)型。

(4) 機(jī)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中，各道面分區(qū)實(shí)際運(yùn)行機(jī)型及架次受到空域條件限制、航空公司機(jī)隊(duì)構(gòu)成以及基地位置等多種因素影響，本文對(duì)上述影響因素進(jìn)行了簡(jiǎn)化考慮。

4 結(jié) 論

(1) 本文對(duì)目前規(guī)范采用的水泥道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了闡述和分析，機(jī)場(chǎng)工程水泥道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要按運(yùn)行模式對(duì)道面進(jìn)行分區(qū)計(jì)算。

(2) 道面分區(qū)、分區(qū)運(yùn)行荷載、分區(qū)運(yùn)行架次的確定是機(jī)場(chǎng)水泥道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要影響因素，本文以咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程為例，給出了道面分區(qū)的原則及分區(qū)方法，給出了分區(qū)運(yùn)行荷載的選用方法，給出了分區(qū)荷載重復(fù)作用次數(shù)的分配方法，對(duì)于大型復(fù)雜樞紐機(jī)場(chǎng)的水泥道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

(3) 根據(jù)各分區(qū)道面厚度計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)水泥道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中運(yùn)行荷載及荷載重復(fù)作用次數(shù)是影響道面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)的重要影響因素，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)單依靠機(jī)型種類或飛行區(qū)等級(jí)確定水泥道面結(jié)構(gòu)面層厚度是偏于保守的。