安彥卿 袁捷 譚悅

截至2010年年底，我國(guó)已投入使用的民用機(jī)場(chǎng)(含軍民合用機(jī)場(chǎng))數(shù)量為175個(gè)。由于水泥混凝土道面具有強(qiáng)度高、使用年限長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)目前機(jī)場(chǎng)道面類型中以水泥混凝土道面為主，瀝青混凝土道面(含新建瀝青混凝土道面及采用瀝青混凝土加鋪的道面)只占機(jī)場(chǎng)總數(shù)的10%左右[1，2]，而這一趨勢(shì)與國(guó)際上正好相反。根據(jù)國(guó)際民航組織1998年公布的數(shù)據(jù)，其147個(gè)成員國(guó)的1038個(gè)機(jī)場(chǎng)中，瀝青混凝土跑道占了62.6%[3];歐洲瀝青路面協(xié)會(huì)也于2003年對(duì)歐美機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中全柔性的瀝青混凝土道面占到了62.4%[4]。出現(xiàn)這一現(xiàn)象有很大一部分原因是我國(guó)瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)、施工技術(shù)尚不成熟。但隨著我國(guó)民航技術(shù)的不斷發(fā)展，可以預(yù)計(jì)瀝青混凝土道面在我國(guó)發(fā)展會(huì)越來(lái)越快，其中一個(gè)重要證明就是昆明在建4F等級(jí)新機(jī)場(chǎng)跑道即采用瀝青混凝土道面。

道面在使用過程中有可能會(huì)出現(xiàn)助航燈光改造問題，如跑道入口內(nèi)移、道口拼接工程施工等等。瀝青混凝土道面的助航燈光改造需要在道面上切槽，且通常是不停航施工，切槽勢(shì)必會(huì)影響道面完整性，有可能會(huì)對(duì)道面的使用性能產(chǎn)生不利影響，甚至影響道面運(yùn)行安全。而目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)切槽對(duì)道面的性能影響尚屬空白。為此，本文依托上海某機(jī)場(chǎng)瀝青混凝土道面助航燈光改造工程，針對(duì)切槽對(duì)道面性能的影響進(jìn)行深入研究，為類似工程提供技術(shù)依據(jù)。

1 工程背景

上海某機(jī)場(chǎng)由于機(jī)場(chǎng)容量飽和，為了擴(kuò)大機(jī)場(chǎng)容量，對(duì)飛行區(qū)進(jìn)行了擴(kuò)建。擴(kuò)建飛行區(qū)需要與既有道面進(jìn)行拼接，其中有9條聯(lián)絡(luò)道需要與既有跑道道面進(jìn)行拼接，除了建筑工程外，還包括助航燈光的接入。因此需要對(duì)既有助航燈光線路進(jìn)行改造。改造工程需要對(duì)跑道瀝青混凝土道面進(jìn)行切槽，切槽方案如圖1，圖2所示。

如圖1所示，改造方案采用6個(gè)燈光并聯(lián)方式，道面橫縫內(nèi)有4根電纜。切槽槽口尺寸:寬度為8 mm，深度為80 mm。其中最下層17 mm為安放電纜空間，中間48 mm為安放脹縫條，上層預(yù)留15 mm空間注入灌縫料。

2 基于ABAQUS的道面切槽3D有限元模型

本文采用有限元軟件ABAQUS對(duì)切槽對(duì)瀝青混凝土道面的影響進(jìn)行分析。通過建立3D有限元精細(xì)數(shù)值分析模型，計(jì)算道面在切槽前后的受力狀態(tài)，將受力狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，以評(píng)價(jià)切槽對(duì)道面所產(chǎn)生的影響。

圖1 跑道助航燈光埋設(shè)方案平面圖

圖2 道面切槽槽口示意圖（單位：mm）

2.1 道面結(jié)構(gòu)參數(shù)

上海某機(jī)場(chǎng)跑道為“白+黑”結(jié)構(gòu)，上面層為瀝青混凝土，分為4層，分別是1991年，1998年和2005年加鋪層;下面層為水泥混凝土道面。各結(jié)構(gòu)層的詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 道面結(jié)構(gòu)層參數(shù)

2.2 荷載參數(shù)

計(jì)算模型荷載采用B747-400飛機(jī)主起落架荷載。飛機(jī)起落架構(gòu)型示意圖如圖3所示[5]，表2為B747-400主起落架荷載參數(shù)。

圖3 B747-400機(jī)型起落架構(gòu)型示意圖

2.3 3D有限元數(shù)值模型

模型平面尺寸取10 m×10 m，K值采用彈性地基Elastic foundation進(jìn)行模擬，計(jì)算單元類型采用非協(xié)調(diào)單元C3D8I。道面切槽與未切槽模型對(duì)比如圖4所示。

表2 飛機(jī)荷載參數(shù)

圖4 未切槽模型與切槽模型對(duì)比示意圖

3 計(jì)算結(jié)果

表3 不同工況計(jì)算結(jié)果(一) MPa

采用上述模型進(jìn)行計(jì)算分析，得到切槽前后的最大主應(yīng)力如表3所示。

各種工況的計(jì)算應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 各種工況計(jì)算結(jié)果應(yīng)力云圖

從計(jì)算結(jié)果可以得到以下結(jié)論:

1)跑道“白+黑”道面切槽后對(duì)上面層瀝青混凝土道面受力狀態(tài)略有影響，最大主應(yīng)力從0.1855 MPa提高到0.1860 MPa，增幅 0.27%;

2)跑道“白+黑”道面切槽后對(duì)下面層水泥混凝土道面受力狀態(tài)沒有影響。

為了深入研究切槽對(duì)道面的影響，本文采用ABAQUS分析模型對(duì)不同切槽寬度對(duì)道面的影響進(jìn)行了計(jì)算，得到的結(jié)果見表4。

表4 不同工況計(jì)算結(jié)果(二)

從表4計(jì)算結(jié)果來(lái)看，切槽在20 mm以內(nèi)對(duì)瀝青混凝土道面的影響非常小，超過20 mm后瀝青混凝土面層的最大主應(yīng)力有明顯上升。

4 結(jié)語(yǔ)

以上海某機(jī)場(chǎng)跑道助航燈光改造工程中切槽對(duì)瀝青混凝土道面性能的影響進(jìn)行了深入研究，得到以下結(jié)論:

1)上海某機(jī)場(chǎng)跑道助航燈光改造工程對(duì)上面層瀝青混凝土面層的受力狀態(tài)略有影響，但影響非常小，最大主應(yīng)力只上升了0.27%。

2)上海某機(jī)場(chǎng)跑道助航燈光改造工程對(duì)下面層水泥混凝土面層的受力狀態(tài)沒有影響。

3)以上海某機(jī)場(chǎng)跑道道面結(jié)構(gòu)模型為例，分析了不同切槽寬度對(duì)道面的影響程度，研究表明，當(dāng)切槽寬度超過20 mm時(shí)，切槽對(duì)瀝青混凝土面層受力狀態(tài)的影響顯著增大。

[1]趙鴻鐸.適應(yīng)大型飛機(jī)的瀝青道面交通荷載分析方法及參數(shù)的研究[D].上海:申請(qǐng)同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文，2006.

[2]劉 文.機(jī)場(chǎng)瀝青道面設(shè)計(jì)指標(biāo)及方法研究[D].上海:申請(qǐng)同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文，2008.

[3]史保華，王 聲.應(yīng)用瀝青混凝土修建機(jī)場(chǎng)道面的分析探討[J].石油瀝青，1998(6):15-17.

[4]EAPA.Airfield Uses of Asphalt.Netherlands，European Asphalt Pavement Association，2003.

[5]Boeing Commercial Airplane Group.747-400 Airplane Characteristics for Airport Planning.The Boeing Company，Document D6-58326-1，2002.