■王建武，李 楊，陳 平，何 波

■1.空軍勤務學院學院一大隊，江蘇 徐州 221000;2.空防一處，北京 100000;3.南京軍區(qū)空軍后勤部機場營房處，江蘇 南京 210018

隨著當前以建設滿足多機種、大容量等使用要求的綜合保障基地的提出，機場道面的設計工作面臨著更加嚴峻的考驗。機場水泥混凝土道面作為我軍機場的最主要的依托，其結構設計理論及方法也應與時俱進。臨界荷位是指，在機場道面結構設計中，水泥混凝土道面結構內(nèi)部在機輪荷載作用下，荷載應力所產(chǎn)生的疲勞損耗為最大的輪載作用位置。臨界荷位作為機場水泥混凝土道面設計的重要指標，其選取對于設計滿足多機種、高飛行架次的綜合保障基地的機場道面結構、提高其使用性能及壽命至關重要。本文通過ANSYS 軟件，研究重載交通下不同荷載作用在道面板的不同位置時板底拉應力的分布規(guī)律，進而確定機場重載交通水泥混凝土道面的臨界荷位。

1 有限元法及ANSYS 簡介

有限元法，即有限元分析，是一種用于求解微分方程組或積分方程組數(shù)值解的數(shù)值技術，其求解數(shù)理方程的一種數(shù)值計算方法，是解決工程問題的一種強有力的計算工具，應用較為廣泛，涉及彈性力學、塑性力學、動力學以及穩(wěn)定性問題等范疇［1］。擬通過ANSYS 軟件進行分析，分析時一般經(jīng)過以下三個步驟:(1)模型的建立;(2)加載求解;(3)輸出分析的結果。在PREP7 模塊中，通過參數(shù)的定義，模型的建立以及網(wǎng)格的劃分，以得到實體單元網(wǎng)格模型;在SOLUTION 模塊中，根據(jù)施加的荷載及所求的響應定義分析的類型，設置對應的分析選項，施加荷載及邊界條件等;在POST1 和POST26 模塊中，獲取結果并實時顯示，最終選擇以圖形或數(shù)據(jù)列表的形式進行輸出。

2 機場重載交通水泥混凝土道面臨界荷位的確定

2.1 幾點假設

建模之前，考慮到有限元模型與道面實體模型之間的差異，有必要對各結構層作如下基本假設:(1)各層材料為均勻、連續(xù)、各向同性彈性體，以彈性模量和泊松比表征其彈性性質;(2)各結構層之間的接觸面假定為完全連續(xù)，層間為連續(xù)接觸;(3)應力計算時，各層材料的彈性模量、泊松比等參數(shù)不隨外界條件變化而改變;(4)不計各結構層自重的影響［2］。

2.2 確定參數(shù)及建立模型

(1)定義材料的實常數(shù):本模型中有水泥混凝土道面、基層、壓實土基等幾種不同參數(shù)的材料，分別定義它們的彈性模量、泊松比、密度，具體參數(shù)見1。其中，面層:h1=0.25m，E1=36000MPa，μ1=0.15，ρ1=2400kg/m3;基層:h2=0.40m，E2=300MPa，μ2=0.25，ρ2=2100kg/m3;土基:h3=10m，E3=80MPa，μ3=0.35，ρ3=1800kg/m3。

(2)幾何模型:根據(jù)實際受力情況，只建立一塊機場水泥混凝土面層(尺寸為5m ×5m)進行研究，為了準確模擬，基層、壓實土基的長寬分別為面層的2 倍。

(3)有限元模型的建立:在有限元建立的過程中為了兼顧計算的準確性和計算效率，在靠近新混凝土板的部分建立較密網(wǎng)絡，遠離部分建立較為稀疏的網(wǎng)絡。

2.3 機場重載交通道面荷載的確定

綜合保障基地中的重載交通情況較為復雜，其所保障的機型種類較多，在此不便一一陳述、分析。本文擬采用× ×、× ×以及× ×三種機型分別代表殲擊機、轟炸機和運輸機，作為綜合保障基地中重載交通的代表機型進行臨界荷位的研究，其部分參數(shù)見表1。本文中，主要考慮單個機輪的動荷載作用下，機場水泥混凝土道面的臨界荷位。

表1 重載交通若干機型飛機部分參數(shù)表

2.4 結果分析

為最終確定臨界荷位，結合應力云圖，分別選擇板中部、縱縫邊緣以及橫縫邊緣三個方向(說明如圖1 所示)作為對象，分析不同荷位時，板底拉應力的變化情況，以確定臨界荷位的位置。根據(jù)對稱性，擬選取板的左下角四分之一板進行研究，如圖1 中黑色陰影部分所示，分別收集三個方向不同位置點的板底彎拉應力值進行分析，見表2。

圖1 臨界荷位示意圖

表2 板底部分位置拉應力

通過表2，可以明顯得出以下結論:(1)當機輪荷載沿板縱縫中垂線(y=2.5m)由板縱縫邊緣中點(x=0)向板中部(x=2.5m)移動時，板底拉應力呈減小趨勢，板縱縫邊緣中部時最大，在板中部時最小;(2)當機輪荷載作用于橫縫邊緣(y=0)時，板底拉應力明顯小于機輪荷載作用在板縱縫中垂線處時的應力，在機輪荷載作用于板角隅處時的應力比作用于板縱縫邊緣中部時的應力小;(3)當機輪荷載從板角(x=0，y=0)沿縱縫邊緣(y=0)向中部(y=2.5m)移動時，板底拉應力呈增大趨勢，在縱縫邊緣中部時(x=0，y=2.5m)達到最大;(4)在機輪荷載作用于板的不同位置中，當作用于板縱縫邊緣中部時，板底拉應力達到最大值，且該點處于板底縱縫邊緣中部;(5)當不同的機輪荷載作用于同一位置時，機輪荷載越大，其所對應的板底拉應力也越大。

綜上所述，當輪載作用于板縱縫邊緣中部時(圖1 中的黑色圓)，板底產(chǎn)生的拉應力最大，是機場重載交通水泥混凝土道面的臨界荷位。

3 結語

本文通過ANSYS，建立機場重載交通下水泥混凝土道面層狀結構模型，選取常見幾種飛機作為代表機型，取其單輪動荷載，分別施加在四分之一道面板的不同位置，重點研究在不同荷載作用下，板底的不同位置處拉應力的分布情況。通過分析，發(fā)現(xiàn):相同機輪荷載作用在道面的不同位置時，最大板底拉應力出現(xiàn)在板縱縫邊緣中部位置;不同的機輪荷載作用在板縱縫邊緣中部時，荷載值越大，其對應的板底拉應力也就越大。綜上，機場重載交通下，水泥混凝土道面的臨界荷位處于板底縱縫邊緣中部。

［1］何國本，陳天宇，王洋.ANSYS 土木工程應用實例(第三版)［M］.中國水利水電出版社，2011.

［2］劉翔翔.連續(xù)配筋混凝土道面結構研究［D］:徐州:空軍勤務學院，2014.