羅 勇，閆啟琨

（上海民航新時(shí)代機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335）

為了應(yīng)對(duì)快速增長的航空交通量，提高跑道結(jié)構(gòu)承載能力和使用性能，延長跑道使用壽命，中國很多繁忙機(jī)場(chǎng)自20世紀(jì)90年代以來相繼對(duì)跑道進(jìn)行了瀝青混凝土面層加鋪。通常瀝青混凝土加鋪的設(shè)計(jì)使用壽命在10年左右，待達(dá)到使用壽命后需再次進(jìn)行改造。中國部分機(jī)場(chǎng)跑道已經(jīng)歷過數(shù)次加鋪，以虹橋機(jī)場(chǎng)東跑道為例，已分別在1991年、1998年、2005年和2011年進(jìn)行了4次加鋪。因此，跑道多次加鋪將是中國繁忙機(jī)場(chǎng)未來十余年將陸續(xù)面臨的問題。

中國針對(duì)機(jī)場(chǎng)道面柔性加鋪頒布過相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范，由于機(jī)場(chǎng)柔性道面應(yīng)用較少，設(shè)計(jì)規(guī)范并不完善，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程當(dāng)中大多是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和國外的一些設(shè)計(jì)方法。國際上機(jī)場(chǎng)道面加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般有3種方法：有效厚度法、撓度法和力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法。加鋪層設(shè)計(jì)最常用的方法是有效厚度法，美國工程兵團(tuán)提出了在原有剛性道面上鋪設(shè)瀝青或柔性加鋪層的經(jīng)驗(yàn)公式。國外機(jī)場(chǎng)道面加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法以美國FAA最為典型。FAA加鋪層設(shè)計(jì)方法經(jīng)歷了一個(gè)由有效厚度法→彈性層狀體系法→有限元方法的發(fā)展歷程[1]。隨著諸如B777和A380等大型寬體飛機(jī)的出現(xiàn)，由于其新型的起落架構(gòu)形和輪胎布置形式，當(dāng)采用傳統(tǒng)的FAA設(shè)計(jì)方法確定道面結(jié)構(gòu)厚度時(shí)，所得到的厚度值往往過于保守。因此，F(xiàn)AA提出了一種新的道面結(jié)構(gòu)分析方法——彈性層狀體系法[2]。

機(jī)場(chǎng)道面多次重復(fù)加鋪與第一次加鋪有顯著的差別，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）不停航施工難度大。多次加鋪的機(jī)場(chǎng)多為最繁忙機(jī)場(chǎng)，不僅無法關(guān)閉跑道停航施工，且夜間允許施工時(shí)間短，一般僅有5～6 h。對(duì)改造方案的選擇及施工都帶來很大的限制。

2）多次加鋪后瀝青面層厚度大，道面在使用過程中易出現(xiàn)輪轍病害。

3）既有加鋪層道面材料性能衰減嚴(yán)重，受不停航施工影響難以完全銑刨，既有瀝青混凝土層的再利用成為難題。

由于中國相關(guān)規(guī)范并不完善，未針對(duì)道面多次加鋪制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，只能憑借經(jīng)驗(yàn)或借鑒國外設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)得到的道面結(jié)構(gòu)是否合理更無從評(píng)價(jià)。

本文以虹橋機(jī)場(chǎng)東跑道第4次加鋪工程為例，分別從瀝青層疲勞開裂控制、水泥板疲勞開裂控制和輪轍控制3方面，探討多次加鋪道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性。依據(jù)設(shè)計(jì)，虹橋機(jī)場(chǎng)第4次加鋪采用中厚層加鋪形式，設(shè)計(jì)使用壽命為10年，加鋪厚度分別取10 cm、12 cm和14 cm，通過結(jié)構(gòu)合理性分析，以最終確定加鋪層厚度。道面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 道面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Pavement structure diagram

1 道面合理性評(píng)價(jià)思路

根據(jù)多次加鋪道面的特點(diǎn)，本文認(rèn)為有必要從以下3個(gè)方面來評(píng)價(jià)道面結(jié)構(gòu)方案的合理性。

1.1 瀝青加鋪層疲勞開裂控制

通常情況下，柔性道面或“白+黑”道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，瀝青面層的拉應(yīng)力可不作為控制指標(biāo)。但是，一方面考慮到多次加鋪后道面瀝青加鋪層厚度較大，另一方面考慮到既有瀝青面層材料的性能較差，抗彎拉強(qiáng)度較低。因此，有必要對(duì)設(shè)計(jì)方案中加鋪層底部最大拉應(yīng)力的位置以及拉應(yīng)力大小進(jìn)行理論計(jì)算，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行瀝青加鋪層疲勞開裂的校核。

1.2 水泥板疲勞開裂控制

根據(jù)道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，對(duì)于“白+黑”復(fù)合道面結(jié)構(gòu)，道面的荷載擴(kuò)散作用主要還是由復(fù)合道面中的水泥混凝土板塊承擔(dān)，即水泥混凝土板塊是道面結(jié)構(gòu)中的主要承重結(jié)構(gòu)層。而對(duì)于多次加鋪的道面，通常其使用年限已大大超過了水泥混凝土板塊的設(shè)計(jì)使用壽命，材料性能衰減嚴(yán)重。因此，有必要對(duì)飛機(jī)輪載作用下水泥混凝土板塊是否會(huì)出現(xiàn)疲勞開裂來進(jìn)行校核。

1.3 輪轍控制

以虹橋機(jī)場(chǎng)東跑道為例，經(jīng)過4次加鋪后，上面層瀝青混凝土層平均厚度為37 cm，最厚處超過50 cm。如此厚的瀝青混凝土面層在重型飛機(jī)高頻率持續(xù)作用下出現(xiàn)輪轍病害的概率很大，而輪轍病害一旦出現(xiàn)很難處治，因此在加鋪設(shè)計(jì)中會(huì)重點(diǎn)考慮輪轍的防止問題。

國內(nèi)外并無機(jī)場(chǎng)新建或加鋪瀝青道面的輪轍控制標(biāo)準(zhǔn)。但從道面使用角度對(duì)瀝青道面輪轍病害作出的相關(guān)規(guī)定，主要有以下幾點(diǎn)。

1）《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)場(chǎng)地維護(hù)手冊(cè)》、《民用機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全管理規(guī)定》規(guī)定，“瀝青混凝土道面必須完整、平理、3 m范圍內(nèi)的高低差不得大于15 mm”；

2）《民用機(jī)場(chǎng)道面評(píng)價(jià)管理技術(shù)規(guī)范》、美國ASTM規(guī)定，瀝青混凝土道面輪轍當(dāng)用3 m直尺測(cè)試間隙為6 mm～13 mm時(shí)，屬于輕微損壞，小于6 mm不屬于病害。

根據(jù)以上規(guī)定，本次虹橋機(jī)場(chǎng)加鋪設(shè)計(jì)中的輪轍控制標(biāo)準(zhǔn)確定為：設(shè)計(jì)年限內(nèi)預(yù)計(jì)航空交通量作用下加鋪層輪轍總量不大于5 mm。

道面結(jié)構(gòu)合理性分析技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 道面結(jié)構(gòu)合理性分析技術(shù)流程圖Fig.2 Technical flow chart of pavement structure rationality analysis

2 瀝青面層疲勞開裂控制

瀝青面層疲勞開裂控制的評(píng)價(jià)首先采用有限元軟件，計(jì)算設(shè)計(jì)機(jī)型作用下道面瀝青面層內(nèi)的荷載應(yīng)力。有限元模型采用K地基模型理論，模型參數(shù)設(shè)置如下。

2.1 道面結(jié)構(gòu)參數(shù)

上面層為瀝青混凝土，分為4層，分別是1991年、1998年、2005年和2011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)Tab.1 Parameters of pavement structure layers

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[3]，B747-400主起落架荷載參數(shù)如表2所示。

圖3 B747-400機(jī)型起落架構(gòu)型示意圖Fig.3 B747-400 aircraft landing gear configuration diagram

表2 飛機(jī)荷載參數(shù)Tab.2 Parameters of aircraft load

2.3 有限元模型

有限元模型示意圖如圖4所示。通過將荷載加載到道面有限元模型當(dāng)中，計(jì)算得到各種工況條件下瀝青加鋪層的最大彎拉應(yīng)力。

圖4 有限元模型示意圖Fig.4 Finite element model diagram

圖5 瀝青面層最大拉應(yīng)力計(jì)算云圖Fig.5 Cloud chart of asphalt surface maximum tensile stress

分別針對(duì)加鋪厚度10 cm、12 cm和14 cm，計(jì)算得到瀝青面層最大拉應(yīng)力，結(jié)果如表3所示。

表3 不同加鋪厚度的瀝青面層最大拉應(yīng)力Tab.3 Maximum tensile stress of asphalt surface under different overlay thickness

通過分析可以得出以下結(jié)論：

1）加鋪層內(nèi)的最大水平拉應(yīng)力隨深度的增加迅速減小。當(dāng)深度大于5 cm時(shí)，最大水平拉應(yīng)力普遍小于0.1 MPa，當(dāng)深度大于10 cm時(shí)，最大水平拉應(yīng)力普遍小于0.05 MPa，屬于較低水平；

2）瀝青面層最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在道面上面層，這是道面結(jié)構(gòu)受力的有利模式。因?yàn)榈烂嫔厦鎸佣际切录愉?新建道面，瀝青混凝土性能好，有利于承受拉應(yīng)力。

3）輪載作用部位瀝青層底為壓應(yīng)力，這也是有利的受力模式。通常在輪載作用區(qū)域?yàn)樽畈焕课唬堑烂孀畲罄瓚?yīng)力最可能出現(xiàn)的位置。

4）隨著加鋪層厚度增大，瀝青層受到的最大拉應(yīng)力變大，雖然10 cm、12 cm、14 cm三種加鋪厚度下拉應(yīng)力級(jí)位都較小，但加鋪厚度為14 cm時(shí)，瀝青層最大拉應(yīng)力比加鋪層厚度為10 cm時(shí)增大約45%，而12 cm和10 cm兩種厚度對(duì)應(yīng)的最大拉應(yīng)力相差較小。

瀝青面層最大拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于瀝青混凝土材料的彎拉強(qiáng)度，因此三種加鋪厚度都能滿足加鋪設(shè)計(jì)使用壽命的要求。從最大拉應(yīng)力來看，加鋪厚度為10 cm和12 cm時(shí)瀝青面層受力較為有利。

3 水泥板疲勞開裂控制

水泥板疲勞開裂控制的分析方法與瀝青面層疲勞開裂控制方法相似。首先采用有限元軟件，計(jì)算設(shè)計(jì)機(jī)型作用下水泥板內(nèi)的荷載應(yīng)力。模型與第3節(jié)相同，計(jì)算得到不同工況條件下水泥板內(nèi)最大彎拉應(yīng)力，如表4所示。其中σe為有限元直接計(jì)算得到的最大彎拉應(yīng)力，σp為計(jì)算應(yīng)力，是考慮接縫傳荷能力的應(yīng)力折減作用計(jì)算得到的。兩者關(guān)系如式1所示?？梢钥闯?，隨著瀝青加鋪層厚度增大，水泥板塊受到的最大拉應(yīng)力減小。這是因?yàn)檩^厚的瀝青層對(duì)水泥板起到了更好的保護(hù)作用。

式中：σp為板邊計(jì)算應(yīng)力 （MPa）；σe為板邊應(yīng)力（MPa）；LT為應(yīng)力折減率，一般取0.25。

表4 不同加鋪厚度的水泥板最大拉應(yīng)力Tab.4 Maximum tensile stress of concrete surface under different overlay thickness

依據(jù)水泥混凝土材料疲勞方程式（2）[4]，可以得到不同加鋪厚度對(duì)應(yīng)的使用壽命。其中fcm=5.0 MPa，將σp代入式中的frm，求得Ne。Ne即為道面剩余累積作用次數(shù)，依據(jù)《民用機(jī)場(chǎng)道面評(píng)價(jià)管理技術(shù)規(guī)范》（MH/T5024－2009）[5]，通過對(duì)航空交通量的預(yù)測(cè)，可以將Ne反算得到道面使用壽命。

計(jì)算結(jié)果表明，三種加鋪厚度對(duì)應(yīng)的道面使用壽命都大于10年。

4 輪轍控制

2000年，Kaloush和Witczak利用大量的重復(fù)荷載永久變形試驗(yàn)和1989年Leahy，R.B.的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)，回歸了以下方程，由于應(yīng)用效果較好，現(xiàn)已被AASHTO2002設(shè)計(jì)指南采用。本文對(duì)跑道道面的輪轍預(yù)估即采用該方法[6－9]。

式中：A= －3.74938；B=2.02755；C=0.4626；εp為荷載重復(fù)作用N次產(chǎn)生的累積塑性應(yīng)變；εr為瀝青材料的彈性應(yīng)變；T為道面溫度；N為荷載重復(fù)作用次數(shù)。

計(jì)算得到各瀝青亞層的塑性應(yīng)變?chǔ)舙后，再用下式得到總輪轍量。

式中：RD為輪轍變形量；εpi為荷載重復(fù)作用N次在第i亞層產(chǎn)生的累積塑性應(yīng)變；hi為第i亞層厚度。

依據(jù)上述公式中，要計(jì)算得到設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)道面的累計(jì)輪轍量，首先是計(jì)算各亞層彈性應(yīng)變?chǔ)舝，代入式（3）中，即可以計(jì)算得到N次作用后的各亞層累積塑性應(yīng)變?chǔ)舙，再將各亞層累積塑性應(yīng)變?chǔ)舙代入式（4）中，計(jì)算得到整個(gè)道面厚度內(nèi)累計(jì)輪轍量。

在計(jì)算過程中需要注意以下幾點(diǎn)：

1）計(jì)算參數(shù)εr采用有限元軟件通過數(shù)值模擬得到，數(shù)值模型與第3節(jié)相同。

2）在式（3）所示的輪轍預(yù)估方程中，道面溫度是一個(gè)重要的參數(shù)。由于不同季節(jié)道面溫度相差很大，會(huì)對(duì)輪轍預(yù)估產(chǎn)生明顯影響。因此，本文將一年劃分為12個(gè)月，按月計(jì)算累計(jì)輪轍量，再累加得到整年的輪轍量。計(jì)算時(shí)將年航空交通量按12個(gè)月平均分配。

在分析道面溫度時(shí)，本文依據(jù)孫立軍等[10]對(duì)瀝青路面內(nèi)溫度分布的研究成果，分別應(yīng)用式（5）和式（6）計(jì)算道面瀝青層內(nèi)部不同深度的最高溫度和最低溫度，再取其平均值，得到瀝青層各深度的平均溫度。

式中：Tpmax為道面某深度日最高溫度（℃）；Tamax為日最高溫度（℃）；H為道面深度（cm）；Tm為歷年月平均氣溫（℃）；m1～ m7為回歸系數(shù)。

式中：Tpmin為道面某深度日最低溫度（℃）；Tamin為日最低溫度（℃）；H為道面深度（cm）；Tm為歷年月平均氣溫（℃）；n1～n7為回歸系數(shù)。

式（5）和式（6）中的回歸系數(shù)m和n分別見表5和表6。

表5 式（3）中的回歸系數(shù)Tab.5 Regression coefficient in formula（3）

表6 式（4）中的回歸系數(shù)Tab.6 Regression coefficient in formula（4）

針對(duì)虹橋機(jī)場(chǎng)加鋪設(shè)計(jì)方案，依據(jù)上述方法，采用B747－400為評(píng)價(jià)機(jī)型，分別選取8、10、12和15年共4種評(píng)價(jià)年限，計(jì)算了加鋪厚度分別為10、12和14 cm的輪轍量預(yù)估結(jié)果，如表7所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，按最大輪轍量5 mm為控制標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)使用壽命取10年，加鋪層厚度宜為12 cm。

表7 加鋪層輪轍量預(yù)估結(jié)果Tab.7 Expected results of overlay rut （mm）

5 結(jié)語

1）基于瀝青面層疲勞開裂控制、水泥板疲勞開裂控制和輪轍控制為指標(biāo)，提出了機(jī)場(chǎng)道面多次加鋪的道面結(jié)構(gòu)合理性評(píng)價(jià)方法。

2）針對(duì)多次加鋪復(fù)合道面的既有瀝青面層和水泥板材料性能嚴(yán)重老化的特點(diǎn)，提出了瀝青面層和水泥板應(yīng)力計(jì)算方法及疲勞開裂控制的評(píng)價(jià)方法。

3）依據(jù)國內(nèi)外對(duì)道面輪轍的相關(guān)規(guī)定，首次提出了新建道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的輪轍控制標(biāo)準(zhǔn)，為5 mm。

4）以有限元軟件為分析平臺(tái)，借鑒Kaloush和Witczak輪轍預(yù)估模型及孫立軍對(duì)瀝青道面溫度場(chǎng)研究成果，提出了新建瀝青道面的輪轍預(yù)估方法。

5）以虹橋機(jī)場(chǎng)東跑道第4次加鋪為例，通過對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性分析，認(rèn)為加鋪厚度12 cm最佳。

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