摘要：目前, 我国大部分机场跑道在初建时采用了刚性道面。跑道大修大都采用沥青混凝土进行不停航加铺。为了民航运输航班的正常运行,机场管理单位必须维持并确保机场道面结构性状和功能性状的良好性。随着航空运输业务的日益增长,机场得花费更多的人力、资金和时间在机场道面养护管理上,一套功能完善的机场道面管理系统(APMS)可以显著提升机场道面管理的水平,彻底改变机场道面管理的技术手段和管理方式。而在道面管理系统中,道面性状评价与道面性状预测模型都是非常重要的组成部分。
关键词：机场；柔性跑道；剩余使用寿命预估
机场是我国民航业发展的主要载体，但由于航班运力增加和大型客机投放使用，已导致了机场道面破损严重、承载能力下降、使用寿命缩短等问题。采用“盖被”技术，即在水泥混凝土道面上加铺沥青混凝土进而形成复合道面，是我国最为普遍的延长刚性跑道寿命的方法。刚性道面加铺后，随着时间推移和道面性能衰减，往往还要再次、乃至多次加铺。目前，国内外对于多次加铺道面的研究较少，亟待通过研究完善相关设计和评价方法。
一、机场道面类型
道面是指民用机场的跑道、滑行道和机坪等人工铺筑面。机场航空器的起飞、着陆、滑跑、滑行和停放都是在道面上进行的。机场道面是民用机场最重要的基础设施，机场道面一旦出现问题将直接影响机场的正常开放和运行。目前，我国大型枢纽机场和部分干线机场，大部分机场跑道为水泥混凝土道面（刚性道面），但也有相当一部分跑道为沥青混凝土道面（柔性道面）。柔性道面跑道中，极少部分是开始建设时即按柔性道面设计、施工的。总之，由刚性道面加铺所形成的复合道面正日益成为我国民用机场跑道道面结构的常见形式。研究复合道面的设计与评价，对我国机场道面建设与维护有着重要的现实价值。
二、道面设计指标
随着力学领域的深入研究，柔性道面的破坏理论研究经历了由经验性总结过渡到结合破坏力学的理论性认识过程。通过某机场道面损坏调查选取设计控制指标（裂缝和轮辙），拓展柔性加铺层设计方法及其适用范畴，分析加铺层的力学性能，为加铺层结构设计提供方法。
1、加铺层设计指标选择。机场跑道损坏状况进行调查，裂缝和轮辙表现最为突出，见表所示。
（2）道面裂缝病变。跑道加铺后，进行了三次道面损坏状况调查，并对全面区域裂缝及加铺区域道面裂缝的累积长度进行对比，说明裂缝增长趋势比较明显。据近两年的观察发现，道面受气温条件影响较大，裂缝数量在冬季会明显增加。对比机场跑道沥青混凝土道面加铺后裂缝累积长度的变化情况，可以得出：裂缝在经历基本稳定期后，逐渐显现出加速增长的趋势。当前跑道裂缝的发展情况总体水平，处于平稳阶段，但跑道依然存在裂缝突发性增长的可能性。鉴此，控制裂缝的发展将有效地延长道面使用情况，同时成为道面加铺设计的重要考核指标之一。
三、机场柔性跑道裂缝控制
1、柔性加铺道面裂缝控制。裂缝是沥青道面最主要的损坏形态，集多种因素综合作用的结果。主要分为两大类横纵向裂缝和反射裂缝。其中，反射裂缝是复合道面最常见的病害，主要在道面板块的接缝两侧产生。随着重型客机的投入运营以及交通量的持续增长，复合道面反射裂缝的问题受到工程界越来越多的重视。针对剪切型裂缝，根据断裂力学破坏原理阐述裂缝尖端奇异场、应力强度因子理论及裂缝的设计控制指标。
（1）裂缝尖端奇异场。为了研究沥青加铺层开裂和扩展规律，有必要对裂缝的应力强度因子进行分析。接缝处的沥青加铺层存在应力集中，出现应力奇异点，且远高于无裂缝同点处应力，从而导致加铺层底部出现裂缝，向上扩展贯穿加铺层结构。由弹性问题的解析函数方法，得知线弹性断裂力学中剪切型裂缝的奇异场如下：
（3）裂缝设计指标。裂缝设计指标依据FAA 开发的设计程序 LEDFAA。该程序采用的疲劳预估模型是根据沥青面层底部最大水平拉应变与荷载反复作用覆盖次数的关系反映，疲劳损坏模型以底部拉应变为指标，模型中 EA 默认值为 1378MPa。在“弱基层、厚结构、重荷载”的情况下，沥青面层底面拉应变突显出其重要性。刚性路面加铺沥青混凝土，一般情况下加铺层底为受压状况；在层间结合状态极差的情况下，加铺层底部会出现拉应力，导致加铺层底开裂。
2、柔性加铺道面轮辙控制
（1）沥青材料蠕变模型。各向同性材料的蠕变模型有两种，分别是时间硬化蠕变和应变硬化蠕变，采用时间硬化的蠕变模型进行轮辙分析，路面材料的蠕变变形εcr 可以表示为温度 T、应力q 和时间 t 的函数，即：3
（2）轮辙模拟分析方法。在外部温度的影响下，道面结构内温随道面深度和时间发生着变化。机场道面经过多次柔性加铺后粘弹性突显，尤其是机场跑道高温情况更为显著。考虑到材料特性随温度的连续变化，导入实际温度场，建立连续变温的轮辙模型预估沥青混凝土的轮辙变形量。由于面层材料具有粘弹性，在温度-位移耦合场的作用下，总变形量是弹性变形和蠕变变形共同作用的结果。在荷载卸载后，弹性变形自动恢复，蠕变变形成为轮辙的主要形成部分，由于蠕变模型为非线性分析，ABAQUS 模拟计算需要大量迭代；同时考虑材料参数受温度影响，求解过程复杂、用时较长，输出变量所用空间很大。因此，为了节省运算时间和空间，仅对沥青混凝土面层的位移、蠕变和应力作出定义。
四、跑道剩余使用寿命预估方法
民航组织建议用逆转设计法来预估道面剩余使用寿命, 即先确定道面土基及各结构层的特性参数,然后用选定的设计方法反过来确定道面在特定荷载作用条件下的剩余运行架次。根据上述思路和CBR 等式可建立改进的机场柔性道面剩余寿命预估模型,计算流程如下:
1) 选定设计飞机;
2) 确定道面面层厚度H( cm) , 土基CBR 值等参数;
3) 计算各种运行机型的当量单轮荷载ESWL;
①当量单轮轮印面积A, 即各机型单轮轮印面积A0
②计算当量单轮荷载ESWL，计算道面结构厚度H 与r0 比值, 在各机型PRD曲线上求出PRD, 然后由下式求得ESWL即4
式中: Ns 为设计飞机年当量运行架次; i 为机型代码; j为分别代表起飞( j=1) 和着陆( j=2) ; n 为机型种数;δi为拟换算飞机主起落架在道面横向的主轮数; Nij 为拟换算飞机年运行架次; ( ESWL) ij 为拟换算飞机主起落架当量单轮荷载( kN) ; ( ESWL) s 为设计飞机主起落架当量单轮荷载( kN) 。换算中, 若( ESWL) ij /( ESWL) s<0.5, 则该机型作用次数不计入累计作用次数。
5) 道面剩余寿命预估计算。
①根据设计飞机的当量单轮荷载和当前土基CBR值, 由式( 3) 计算设计飞机累计作用5 000 次时所需的设计厚度t;
②根据道面厚度H、设计厚度t 和疲劳修正系数α, 由式( 5) 和式( 6) 得出现有道面结构所能承受的剩余累计当量作用次数N，根据Ne、Ns 和飞机轮载横向累计作用分布系数Δ, 计算剩余使用年限T。
目前普遍采用的CBR 等式没能深入、准确地考虑多轮起落架轮载应力的叠加消减作用,故相应的柔性跑道剩余使用寿命预估结果更为保守,即在相同条件下改进方法的预估寿命结果比目前预估方法略长。
参考文献：
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[3] 凌建明, 郑悦锋. 机场沥青混凝土道面剩余寿命预测方法研究[J].同济大学学报, 2017, 32( 4).
论文作者:宋娟,王忠平
论文发表刊物:《中国电业》2019年第11期
论文发表时间:2019/9/29
标签：裂缝论文; 机场论文; 跑道论文; 沥青论文; 柔性论文; 荷载论文; 当量论文; 《中国电业》2019年第11期论文;