瀝青基隔離層對(duì)機(jī)場(chǎng)道面疲勞壽命影響評(píng)價(jià)

楊永勝

(安徽民航機(jī)場(chǎng)集團(tuán)有限公司 合肥 230051)

以水泥穩(wěn)定碎石為基層、水泥混凝土為面層的道面結(jié)構(gòu)在機(jī)場(chǎng)道面中得到廣泛使用。為減小水穩(wěn)基層與水泥混凝土面層之間的約束、提高水穩(wěn)基層抗沖刷性，道面設(shè)計(jì)中普遍采用隔離層[1-2]。在國(guó)外機(jī)場(chǎng)道面中，大多數(shù)機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)均采用了設(shè)置隔離層的方案，日本機(jī)場(chǎng)道面水泥混凝土面層與貧混凝土基層之間設(shè)置3～5 cm的瀝青混凝土隔離層[3]，目前美國(guó)起降大型飛機(jī)的國(guó)際機(jī)場(chǎng)開(kāi)始趨向于在混凝土板下設(shè)置隔離層。美國(guó)聯(lián)邦航空局在機(jī)場(chǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)AC 150/5370-10G中提出，在水穩(wěn)基層上澆筑水泥混凝土?xí)r，應(yīng)設(shè)置隔離層[4]。

但傳統(tǒng)的隔離層材料并不能滿足其使用性能的要求。20年前常使用的石屑粉找平層由于不耐沖刷的缺點(diǎn)，現(xiàn)已很少使用，多采用土工布隔離層或不設(shè)置隔離層，但工程應(yīng)用狀況均不能達(dá)到預(yù)期，水穩(wěn)基層的沖刷和脫空無(wú)法避免。水泥道面在實(shí)際使用中常會(huì)發(fā)生因板底沖刷、唧泥引發(fā)的板底脫空，最終導(dǎo)致混凝土板在到達(dá)設(shè)計(jì)壽命前便產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂。

由同步碎石封層和雙層微表處組成的瀝青基隔離層是最新提出的一種機(jī)場(chǎng)道面隔離層，示意圖見(jiàn)圖1，這種隔離層對(duì)于防止水穩(wěn)基層的脫空效果十分顯著。但是該瀝青基隔離層是否對(duì)于道面的作為一種層間處治措施以及設(shè)置在基層和面層之間的低模量夾層，對(duì)道面整體結(jié)構(gòu)受力均產(chǎn)生了影響。瀝青基隔離層的使用雖然可提高基層抗沖刷性能，但是層間約束狀態(tài)的改變和板底豎向支撐條件變化，使結(jié)構(gòu)在飛機(jī)荷載作用下的響應(yīng)產(chǎn)生變化，最終道面使用壽命是否產(chǎn)生顯著提升有待研究。

圖1 瀝青基隔離層結(jié)構(gòu)

實(shí)際工程應(yīng)用中，相對(duì)于面層在某一次荷載作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力，討論和計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命更具有意義。因此，本文將從混凝土道面疲勞壽命出發(fā)，探究設(shè)置瀝青基隔離層對(duì)道面結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期使用性能所產(chǎn)生的影響。在道面使用壽命計(jì)算時(shí)，有必要對(duì)板底沖刷脫空進(jìn)行全壽命范圍的分析和討論。

1 機(jī)場(chǎng)道面壽命預(yù)估方法

1.1 道面壽命預(yù)估流程

對(duì)已建機(jī)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)性剩余壽命，規(guī)范[5]給出了預(yù)估流程及計(jì)算方法。在計(jì)算前，需根據(jù)道面損壞調(diào)查結(jié)果計(jì)算道面損壞等級(jí)，從而得到道面折減系數(shù)，最終確定道面有效厚度。本文針對(duì)新建道面進(jìn)行壽命預(yù)估，無(wú)需進(jìn)行道面有效厚度計(jì)算。

在已有的道面剩余壽命預(yù)估流程基礎(chǔ)上，參考民航水泥道面設(shè)計(jì)規(guī)范中不同機(jī)型飛機(jī)累計(jì)損傷的做法，提出考慮板底發(fā)生沖刷脫空的分段式道面壽命預(yù)估思路。思路流程見(jiàn)圖2。

圖2 分段式道面壽命預(yù)估思路圖

基于圖2思路，本文中的道面壽命預(yù)估方法如下。

步驟1。獲取道面服役期各年航空量，統(tǒng)計(jì)道面所需服務(wù)的所有機(jī)型。

步驟2。利用道面結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型(數(shù)值模型或解析計(jì)算模型)，計(jì)算各機(jī)型輪載作用下的道面板邊最大彎拉應(yīng)力，若道面在使用過(guò)程中存在板底沖刷脫空現(xiàn)象，還需計(jì)算板底脫空下的板邊最大彎拉應(yīng)力。

步驟3。在已知道面板水泥混凝土材料彎拉強(qiáng)度和板邊最大彎拉應(yīng)力的前提下，利用所選定的疲勞方程，計(jì)算各機(jī)型的容許作用次數(shù)，并執(zhí)行步驟4，若存在板底脫空現(xiàn)象，還需計(jì)算脫空下的各機(jī)型容許作用次數(shù)，并跳過(guò)步驟4，執(zhí)行步驟5。

步驟4。假設(shè)在第n年道面達(dá)到使用壽命，計(jì)算前n年的航空交通量，基于Miner定律，反算或試算得到當(dāng)累計(jì)損傷為1時(shí)n值的大小，從而得到道面使用壽命，流程執(zhí)行結(jié)束。

Miner法則假定作用次數(shù)與疲勞損傷為線性疊加關(guān)系，計(jì)算各機(jī)型在重復(fù)作用次數(shù)下的道面損傷累計(jì)量，計(jì)算方法如式(1)所示。當(dāng)FD值等于1時(shí)，即認(rèn)為道面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂。

(1)

式中：FD為累計(jì)疲勞損傷；nei為某種(第i種)飛機(jī)的累計(jì)作用次數(shù)；Nei為某種(第i種)飛機(jī)的容許作用次數(shù)。

步驟5。若在第i年出現(xiàn)沖刷脫空，計(jì)算前i-1年的航空交通量，基于Miner法則，計(jì)算前i-1年的各機(jī)型的累計(jì)作用次數(shù)及累計(jì)損傷量FDi-1。

步驟6。假設(shè)在第m年道面達(dá)到使用壽命，計(jì)算m-i+1年間的航空交通量，基于Miner法則，計(jì)算m-i+1年間的各機(jī)型的累計(jì)作用次數(shù)及累計(jì)損傷量FDm-i+1。反算或試算當(dāng)FDi-1+FDm-i+1=1時(shí)的m值，從而得到道面使用壽命，流程執(zhí)行結(jié)束。

1.2 水泥道面混凝土疲勞方程

機(jī)場(chǎng)水泥道面結(jié)構(gòu)計(jì)算中常見(jiàn)的疲勞方程括我國(guó)民航機(jī)場(chǎng)道面疲勞方程和美國(guó)FAA道面疲勞方程。

我國(guó)機(jī)場(chǎng)水泥道面設(shè)計(jì)規(guī)范中的疲勞方程采用路面的研究成果，主要依據(jù)室內(nèi)小梁彎拉試驗(yàn)提出，其本質(zhì)為混凝土材料的疲勞特性。以Winkler基地上無(wú)限大板模型的Westergaard解或利用有限元計(jì)算方法得到的板邊臨界荷位的最大彎拉應(yīng)力作為計(jì)算應(yīng)力，計(jì)算某一機(jī)型的容許作用次數(shù)，疲勞方程如式(2)所示。

Ne=10(14.048-15.111 7σp/fcm)

(2)

式中：Ne為飛機(jī)容許作用次數(shù)；fcm為混凝土材料彎拉強(qiáng)度，MPa；σp為臨界荷位板底計(jì)算應(yīng)力，解析方法計(jì)算時(shí)考慮板邊0.25的應(yīng)力折減系數(shù)。

與我國(guó)設(shè)計(jì)方法中基于的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不同，F(xiàn)AA所提出的疲勞方程主要依據(jù)陸軍工程兵團(tuán)獲取的現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以輪跡帶上50%板的開(kāi)裂作為損壞標(biāo)準(zhǔn)，能較好地反映結(jié)構(gòu)的疲勞特性。計(jì)算應(yīng)力為Westergaard解的板邊荷位應(yīng)力，疲勞壽命方程如式(3)和式(4)所示。

(3)

(4)

式中：MR為混凝土材料彎拉強(qiáng)度，MPa；σe為板邊計(jì)算應(yīng)力，MPa；B為系數(shù)；C為飛機(jī)容許作用次數(shù)。

在得到機(jī)場(chǎng)不同機(jī)型的容許作用次數(shù)后，同樣基于Miner法則，可以得到某一機(jī)型組合下的道面疲勞損傷。

1.3 面層拉應(yīng)力計(jì)算

以我國(guó)現(xiàn)有民航4E級(jí)機(jī)場(chǎng)的航空量作為參考，簡(jiǎn)單假定初始年航空交通量為起降共計(jì)7×104架次，交通量年增長(zhǎng)率為4%。根據(jù)現(xiàn)行《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)機(jī)型的歸類(lèi)方法，4E級(jí)機(jī)場(chǎng)典型的機(jī)型組合為C類(lèi)占80%，D類(lèi)飛機(jī)占10%，E類(lèi)飛機(jī)占5%，其他飛機(jī)5%?？紤]未來(lái)大型飛機(jī)所占的比重越來(lái)越大，因此，將其他類(lèi)別的飛機(jī)機(jī)型歸到E類(lèi)飛機(jī)中，最終的機(jī)型組合為C類(lèi)飛機(jī)80%，D類(lèi)飛機(jī)10%，E類(lèi)飛機(jī)10%。以B737-800代表C類(lèi)飛機(jī)，B767-300代表D類(lèi)飛機(jī)，B777-200代表E類(lèi)飛機(jī)。

采用ABAQUS有限元計(jì)算B737-800、B767-300、B777-200 3種機(jī)型下的板邊臨界荷位水泥板最大拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。模型中材料參數(shù)為：水泥混凝土彈性模量為42 GPa，泊松比為0.15，厚度設(shè)為0.36 m；基層彈性模量為7.0 GPa，泊松比為0.20，厚度為0.36 m。土基反應(yīng)模量典型值取70 MN/m3。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得，瀝青基隔離層的彈性模量為1.01 GPa，泊松比常溫取0.35。瀝青基隔離層和面層板之間采用層間剪切剛度來(lái)表征[6]，其值為1.5×108Pa/m。板角脫空采用正方形，邊長(zhǎng)取1.5 m，脫空深度取2 cm。接縫傳荷能力在模型中以彈簧剛度1 500 MN/m2來(lái)表征。

2 壽命預(yù)估計(jì)算結(jié)果

利用我國(guó)道面設(shè)計(jì)規(guī)范中的疲勞方程，見(jiàn)式(2)(簡(jiǎn)稱(chēng)MH法)和美國(guó)FAA設(shè)計(jì)方法中的疲勞方程，見(jiàn)式(3)、式(4)(簡(jiǎn)稱(chēng)FAA法)分別進(jìn)行計(jì)算，板邊應(yīng)力分無(wú)隔離層無(wú)脫空、無(wú)隔離層有脫空、設(shè)置瀝青基隔離層3種情況，只取典型情況下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，不考慮道面結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化?；炷翉澙瓘?qiáng)度取5.5 MPa。

道面壽命定義為：累計(jì)損傷系數(shù)FD為1時(shí)的道面使用時(shí)間(年)。計(jì)算在已設(shè)航空交通量下，不同道面使用年限的累計(jì)疲勞損傷FD，結(jié)果見(jiàn)圖3。圖3中的1條實(shí)線為有隔離層無(wú)脫空的FD曲線，而其余均為發(fā)生脫空時(shí)的曲線，發(fā)生脫空的事件為道面使用T年后。圖中給出了T=1～20左右的FD增大曲線。

圖3 各工況下累計(jì)疲勞損傷和道面使用時(shí)間的關(guān)系

由圖3可見(jiàn)，雖然使用不同的疲勞方程得到的道面壽命差異較大(9年左右)，但是兩圖均反映了隔離層抗沖刷對(duì)道面壽命的提高作用。

由圖3可知，設(shè)置瀝青基隔離層能夠有效提高道面的使用壽命，脫空發(fā)生地越早，累計(jì)損傷系數(shù)FD越早達(dá)到1，設(shè)置瀝青基隔離層所起到的作用越明顯，即設(shè)置瀝青基隔離層能夠有效避免水泥道面因早期沖刷脫空導(dǎo)致的過(guò)早疲勞開(kāi)裂。

從圖3中還能看出，無(wú)隔離層的道面如果不發(fā)生脫空，其壽命比有隔離層的道面更長(zhǎng)。這是由于不發(fā)生脫空時(shí)隔離層的使用對(duì)水泥道面的彎拉應(yīng)力實(shí)際上是增大的。但是考慮到機(jī)場(chǎng)板塊數(shù)量龐大，按照概率計(jì)算，在特定數(shù)量的板塊中產(chǎn)生脫空基本上是必然的。因此，從整體和長(zhǎng)遠(yuǎn)角度，使用隔離層仍然是十分必要的。

根據(jù)民用機(jī)場(chǎng)水泥道面的脫空狀況，將脫空出現(xiàn)時(shí)間劃分為5個(gè)階段：道面服役1～5年、道面服役>5～10年、道面服役>10～15年、道面服役>15～20年、道面服役>20～30年。綜合國(guó)內(nèi)外2種不同累計(jì)疲勞損傷計(jì)算方法所得出的結(jié)果，總結(jié)得到板底沖刷脫空出現(xiàn)的時(shí)期與設(shè)置瀝青基隔離層所帶來(lái)的道面壽命增加量見(jiàn)表1。

表1 板底沖刷脫空出現(xiàn)時(shí)期與瀝青基隔離層對(duì)道面壽命增加量的關(guān)系 年

需要指出的是，設(shè)置瀝青基隔離層由于避免板底沖刷脫空所起到的板底彎拉應(yīng)力改善效果與接縫傳荷能力有關(guān)，接縫傳荷能力越差，設(shè)置瀝青基隔離層對(duì)板底拉應(yīng)力的減小越明顯。本文進(jìn)行道面使用壽命計(jì)算時(shí)不考慮接縫傳荷的變化，取接縫傳荷能力較好時(shí)的數(shù)值，因此得到的設(shè)置瀝青基隔離層所帶來(lái)的道面壽命增加量為最小值。實(shí)際情況中，設(shè)置瀝青基隔離層對(duì)道面壽命的增加量較表1中的結(jié)果更大。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從道面疲勞壽命角度揭示了瀝青基隔離層的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，主要成果如下。

給出了考慮板底脫空的分段式道面壽命計(jì)算方法。依據(jù)國(guó)內(nèi)水泥道面設(shè)計(jì)規(guī)范和美國(guó)FAA咨詢(xún)通報(bào)中的混凝土疲勞方程，對(duì)設(shè)置瀝青基隔離層和無(wú)隔離層且發(fā)生沖刷脫空的水泥道面使用壽命進(jìn)行了計(jì)算分析。

證實(shí)設(shè)置瀝青基隔離層能夠有效提高道面的使用壽命，脫空發(fā)生的越早，設(shè)置瀝青基隔離層所起到的作用越明顯，即設(shè)置瀝青基隔離層能夠有效避免水泥道面因早期沖刷脫空導(dǎo)致的過(guò)早疲勞開(kāi)裂，延長(zhǎng)道面的使用壽命，具有良好的工程和經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

如果不發(fā)生脫空，瀝青基隔離層使道面疲勞壽命降低，因?yàn)楦綦x層實(shí)際上增大了水泥板的彎拉應(yīng)力，但是考慮到板塊中產(chǎn)生脫空的必然性，從整體和長(zhǎng)遠(yuǎn)角度，使用隔離層仍然是十分必要的。