民用機場道面檢測與評價

運 昊，湯俊杰，賴曉南

（廣東建科交通工程質(zhì)量檢測中心有限公司 廣州 510500）

0 引言

隨著我國綜合國力的不斷提升，結(jié)合人民出行的需要，民用航空業(yè)務(wù)量迅速增長，2015～2019 年，我國民航運輸總周轉(zhuǎn)量從851.7 億t·km 上升至1 293.3 億t·km，復(fù)合年均增長率達8.7%［1］。而機場道面在長期使用過程中，頻繁承受著飛機起降的沖擊和碾壓，同時還有溫差變形作用，加之混凝土道面設(shè)計和施工過程中諸如土基加固、配合比中水泥用量、混合料含水量等誤差影響，機場道面會局部逐漸出現(xiàn)破損且道面性能也會逐步衰減。并且隨著使用年限的增加，道面性能衰減速度會越來越快。這將有可能嚴(yán)重影響飛機的安全運行，因此，有必要對機場道面進行全面的檢測，并對結(jié)構(gòu)性能、承載能力、功能性能進行評價，并對剩余壽命進行預(yù)估，為后續(xù)道面修補或改建提供依據(jù)。

海南某機場于2016年1月完工，3月初試飛成功，二期建設(shè)于2016 年4 月啟動，2017 年1 月復(fù)航。目前年旅客吞吐量約100萬人次，年貨郵吞吐量約3 000 t。按照中國民用航空總局令第191 號《民用機場運行安全管理規(guī)定》（CCAR-140），機場管理機構(gòu)應(yīng)當(dāng)至少每五年對跑道、滑行道和機坪道面狀況進行一次綜合評價，評價方法參考《民用機場道面評價管理技術(shù)規(guī)范：

MH∕T 5024—2019》［2］。

1 檢測方案

根據(jù)文獻［2］要求，擬定機場道面綜合評價體系［3］，如圖1所示。

圖1 機場道面綜合評價體系Fig.1 Comprehensive Evaluation System of Airport Pavement

⑴基礎(chǔ)資料收集。應(yīng)對道基、道面結(jié)構(gòu)資料，道面分區(qū)資料，航空交通量數(shù)據(jù)以及道面病害、道面維護和改擴建歷史資料等進行收集。

⑵道面損壞狀況調(diào)查。由于本次檢測目的為掌握道面總體損壞狀況，故采用隨機抽樣的方法進行抽樣調(diào)查。

⑶面層材料性能試驗?，F(xiàn)場測量水泥混凝土芯樣厚度，并對芯樣進行加工后測試劈裂強度，通過換算得到彎拉強度。

⑷道面結(jié)構(gòu)性能測試。根據(jù)重型落錘式彎沉儀（HWD）檢測結(jié)果，通過反演分析，得到包括道面板彈性模量、基層頂面反應(yīng)模量、道面接縫的彎沉比傳遞系數(shù)等參數(shù)。

⑸道面功能性測試。跑道摩阻測試車檢測道面抗滑性能，激光平整度測試儀檢測道面平整度。

⑹道面剩余壽命預(yù)估。根據(jù)道面板彈性模量、基層頂面反應(yīng)模量、航空交通量統(tǒng)計及給定機型，通過有限元分析，估算道面結(jié)構(gòu)性剩余壽命。

2 檢測過程

2.1 道面損壞狀況

現(xiàn)場確認(rèn)道面調(diào)查單元（一般不大于500 m2，不少于相鄰的20塊板）及該單元的現(xiàn)場位置標(biāo)識。針對道面上可能存在的不同種類、不同損壞程度、不同損壞量的病害，按照文獻［2］中道面損壞鑒別標(biāo)準(zhǔn)及計量方法，采用道面狀況指數(shù)（PCI）評定道面損壞等級。

首先按照Dij=nij∕N×100計算損壞密度，再按第i種損壞類型第j類損壞程度的損壞密度查表得到損壞折減扣分值，經(jīng)過綜合修正得到MaxCDV，PCI=100-MaxCDV［2］。道面狀況指數(shù)為0～100，對應(yīng)的道面損壞等級為五級，如表1所示。

表1 道面損壞等級評定標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Evaluation Standard for Pavement Fault Station

通過對調(diào)查結(jié)果的統(tǒng)計及計算，得到各區(qū)域的PCI及損壞狀況等級，結(jié)果如表2所示。

表2 各區(qū)域的PCI值及損壞等級Tab.2 PCI Value and Damage Level of Each Area

由表2可以看出，該機場道面整體損壞狀況良好，聯(lián)絡(luò)道區(qū)域略差于其它區(qū)域。

2.2 面層材料性能

現(xiàn)場抽芯及室內(nèi)劈裂強度試驗結(jié)果如表3所示［4］。

表3 水泥混凝土芯樣檢測結(jié)果Tab.3 Test Results of Cement Concrete Core Sample

2.3 道面結(jié)構(gòu)性能

通過整理現(xiàn)場HWD 測試數(shù)據(jù)，得到用于結(jié)構(gòu)參數(shù)反演的彎沉盆，通過反演分析［5］，得到各區(qū)域的相對剛度半徑、基層頂面反應(yīng)模量、水泥混凝土板彎拉彈性模量，結(jié)果如表4 所示。另外，通過HWD 測試數(shù)據(jù)還可計算道面接縫的彎沉比傳遞系數(shù)，結(jié)果如表5所示。

表4 各區(qū)域FWD反演分析結(jié)果Tab.4 FWD Inverse Calculation Analysis Results of Each Area

表5 各區(qū)域接縫傳荷能力評定等級Tab.5 Evaluation Grade of Load Transfer Capacity of Joints in Each Area

2.4 道面功能性能

通過跑道摩阻測試車檢測道面抗滑性能［6］，結(jié)果如表6所示。

表6 跑道抗滑性能及評定等級Tab.6 Runway Anti Sliding Performance and Evaluation Grade

通過激光平整度測試儀檢測道面平整度，結(jié)果如表7所示。

表7 各區(qū)域平整度及評定等級Tab.7 Flatness and Evaluation Grade of Each Area

3 道面結(jié)構(gòu)性能評價

國際民航組織（ICAO）推薦ACN-PCN 評價法作為機場道面結(jié)構(gòu)性能評價方法，用于評價道面結(jié)構(gòu)能否滿足不同機型的荷載要求。其中ACN 為飛機等級號（Aircraft Classification Number 的縮寫），PCN 為道面等級號（Pavement Classification Number 的縮寫）。該評價法的難點主要在于通過有限元，根據(jù)溫克勒地基上的彈性薄板理論，按四邊自由板建立模型，計算評價機型一個主起落架臨界荷位處的板邊應(yīng)力。本次通過ABAQUS 軟件，設(shè)置材料基本參數(shù)、荷載及約束進行計算［7］，結(jié)果如圖2所示。

圖2 通過有限元計算板邊應(yīng)力（跑道）Fig.2 Use the Finite Element Method to Calculate the Stress of Runway Slab Edge

通過該機場工作人員提供的航空量數(shù)據(jù)，根據(jù)文獻［2］中附錄D 的公式計算出給定機型B747-400 在評價期內(nèi)的當(dāng)量累計作用次數(shù)Nei為851 次［8］。跑道道面PCI 均值為98.9，跑道厚度平均值為411 mm，故取有效厚度he=411 mm。由FWD 反演分析確定跑道基層頂面反應(yīng)模量K=93 MN∕m3，水泥混凝土板的彎拉彈性模量Er=39.5 GPa。水泥混凝土板塊彎拉強度由現(xiàn)場芯樣試驗確定，跑道區(qū)域取平均值fcm=5.28 MPa。應(yīng)力折減率LT由彎沉比傳遞系數(shù)LTEσ和應(yīng)力比傳遞系數(shù)LTEσ計算得出，LT=LTEσ∕（1+LTEσ）。根據(jù)HWD檢測結(jié)果計算跑道應(yīng)力折減率為0.22。計算剛性道面面層材料的容許彎拉疲勞強度σrm，當(dāng)|σp-σrm|≤0.025σrm時，擬定重量Gi作為給定機型的最大容許運行質(zhì)量，經(jīng)過試算，5 500 kN 為B747-400 的最大容許運行質(zhì)量，試算過程如表8所示。按照《民用機場飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：MH 5001—2013》，根據(jù)道基強度類型為“中強度”，采用線性外延的方法，確定PCN值為92［9］。

表8 給定機型最大容許運行質(zhì)量計算Tab.8 Calculate the Maximum Allowable Operating Mass of a Given Model

同理可算出其它部位的PCN 值，結(jié)合原通報PCN值，得到目前的建議通報PCN值［10］，如表9所示。

表9 各部位建議通報PCN值匯總Tab.9 Summary of Recommended PCN Values for Each Area

4 道面結(jié)構(gòu)性剩余壽命預(yù)估

道面剩余壽命是機場運行規(guī)劃、道面維護及改擴建決策的基礎(chǔ)，也是道面定量評價與管理的重要體現(xiàn)。本次采用結(jié)構(gòu)設(shè)計的逆過程對道面結(jié)構(gòu)性剩余壽命預(yù)估，以分析計算所得到的剩余作用次數(shù)作為結(jié)構(gòu)性剩余壽命。

跑道道面PCI 均值為98.9，跑道厚度平均值為411 mm，故取有效厚度he=411 mm；根據(jù)室內(nèi)試驗得到水泥混凝土板的抗彎拉強度，取最不利點fcm=5.05 MPa；由FWD 反演分析確定基層頂面反應(yīng)模量K=93 MN∕m3，水泥混凝土板的彎拉彈性模量Er=39.5 GPa；根據(jù)機場運行狀況和該機場工作人員提供的航空量數(shù)據(jù)及發(fā)展趨勢，按B737-800 年起降40 000 架次代入計算，則評價機型B747-400 的當(dāng)量年起降次數(shù)Ns=8 500 架次。根據(jù)有限元計算出的板邊應(yīng)力為3.923 MPa，結(jié)果如圖3 所示，得出評價機型B747-400 剩余累計當(dāng)量作用次數(shù)為Ne=26 252 架次，最終計算得出道面剩余使用年限Ys=35.4年。

圖3 通過有限元計算板邊應(yīng)力（跑道）Fig3 Use the Finite Element Method to Calculate the Stress of Runway Slab Edge

5 結(jié)論

本次以海南某機場為例，完整構(gòu)建了機場道面綜合評價體系，通過對機場道面檢測的全過程的分析，使評價體系能與檢測參數(shù)有機結(jié)合，為檢測人員更好地得到真實可靠的檢測結(jié)果打下了基礎(chǔ)，也能讓機場管理者更全面地了解機場道面狀況。檢測過程中尤其需要注意以下3點：①要對機場的航班量，特別是起降機型進行準(zhǔn)確統(tǒng)計，這關(guān)系到評價機型的當(dāng)量年起降次數(shù)計算；②在進行HWD 檢測時，有條件時盡可能選用更大的荷載級位，保證承載板中心彎沉值不小于0.11 mm，這樣才能更準(zhǔn)確地通過彎沉盆數(shù)據(jù)進行反演分析；③通過有限元或者數(shù)格法進行板邊應(yīng)力計算時，務(wù)必力求每個代入?yún)?shù)準(zhǔn)確，因為板邊應(yīng)力的微小誤差都會對PCN和結(jié)構(gòu)性剩余壽命造成巨大的影響。