韓 慶

(商丘職業(yè)技術(shù)學院汽車建筑工程系,河南商丘 476100)

機場舊水泥混凝土道面瀝青加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計

韓 慶

(商丘職業(yè)技術(shù)學院汽車建筑工程系,河南商丘 476100)

針對目前中國機場舊水泥混凝土道面瀝青加鋪結(jié)構(gòu)尚無成熟的設(shè)計方法和設(shè)計體系,以及現(xiàn)有機場加鋪工程在設(shè)計、施工、管理等方面已不能滿足機場日益復雜的交通、荷載、氣候及運行條件的現(xiàn)狀,通過對國內(nèi)外設(shè)計方法進行分析與比較,指出國內(nèi)多個機場舊水泥混凝土道面在使用過程中存在的主要問題和需要改進的地方,為基于飛機在不同飛行區(qū)域的行駛特性進行瀝青加鋪結(jié)構(gòu)分區(qū)域差異設(shè)計提供參考和依據(jù).

加鋪工程;機場;舊水泥混凝土道面;結(jié)構(gòu)設(shè)計

0 引 言

瀝青加鋪層具有足夠的力學強度,能承受飛機輪胎荷載施加在道面上的各種作用力;其良好的形變及高度的減振性可保障飛機快速平穩(wěn)行駛;而且它與輪胎的附著力較好,可增加飛機行駛的安全性;鋪筑完成后可迅速通航,保證機場道面不停航養(yǎng)護施工[2].因此,國內(nèi)不少機場的舊混凝土道面都應用了瀝青加鋪處治技術(shù).但是,從近年來使用過程中暴露出的一些問題可以看出,現(xiàn)有機場加鋪工程的設(shè)計、施工、管理等方面已不能滿足機場日益復雜的交通、荷載、氣候及運行等條件,需要對加鋪工程進行更深入、更精細化的設(shè)計及研究[3-5].本文對國內(nèi)外機場道面瀝青加鋪層的設(shè)計方法進行簡述,并在對其材料及厚度組合進行調(diào)研的基礎(chǔ)上,詳細分析現(xiàn)有設(shè)計方法中存在的問題,同時提供一些建議.

1 機場道面加鋪層設(shè)計方法

1．1 國外設(shè)計方法

在國外機場舊水泥混凝土道面瀝青加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計中,以美國聯(lián)邦航空局(FAA)的設(shè)計方法最為典型.該方法最開始采用有效厚度法,設(shè)計思路是:首先通過剛性道面的設(shè)計方法計算出設(shè)計使用期內(nèi)預計交通量所需水泥混凝土板的厚度,然后將原有道面根據(jù)損壞程度予以折減,最后由新舊水泥混凝土道面的差值等效轉(zhuǎn)換為瀝青加鋪層厚度.但隨著大型寬體飛機的迅速增多,面對較為復雜的起落架構(gòu)型及荷載分布形式,傳統(tǒng)設(shè)計方法所得的厚度值偏于保守,因此FAA提出了以彈性層狀體系為理論基礎(chǔ)、以層底的疲勞開裂為損壞模式、以層底拉應力為設(shè)計指標的加鋪結(jié)構(gòu)力學-經(jīng)驗設(shè)計方法,并開發(fā)了設(shè)計軟件LEDFAA1．2.隨后,又以NAPTF的足尺試驗為基礎(chǔ)推出了同時滿足大型飛機和普通飛機的設(shè)計程序LEDFAA1．3.設(shè)計過程中不再采用設(shè)計飛機的概念,而是采用Miner準則中表示結(jié)構(gòu)疲勞壽命的“累計損傷因子(CDF)”;道面結(jié)構(gòu)層取消原有的K值表征,采用彈性模量和泊松比表征[6-9],設(shè)計流程(X為CDF的值)如圖1所示.

圖1 FAA設(shè)計流程

1．2 國內(nèi)設(shè)計方法

中國機場舊水泥道面瀝青加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計方法還是采用有效厚度法,包括結(jié)構(gòu)性加鋪和功能性加鋪2類.對于沒有結(jié)構(gòu)性破壞的舊水泥道面進行功能性加鋪時,首先對裂縫及接縫處進行防裂處置,然后加鋪7.5 cm以上厚度的瀝青混凝土罩面;過渡段則單獨處置.在舊水泥混凝土道面上進行結(jié)構(gòu)性瀝青加鋪時采用補強設(shè)計的方式,瀝青加鋪層厚度應不小于15 cm[10-12].

當加鋪厚度不超過原水泥道面厚度時,計算公式為

式中:tj為瀝青加鋪厚度(cm);F為控制原有水泥道面開裂程度的系數(shù);h為預測交通量所需的水泥道面厚度(cm),根據(jù)土基反應模量K及原有水泥道面彎拉強度查板邊彎矩影響圖得到;Cb為原有道面狀況系數(shù),在0.75～1.0之間;le為原有道面厚度(cm).

2）分析智慧城市需要具備的功能，結(jié)合智慧城市理念規(guī)劃設(shè)計的現(xiàn)代化新型城市要求具備多種功能，尤其需要具有信息化功能；

當加鋪厚度大于原水泥道面厚度時,加鋪層采用瀝青道面補強方式設(shè)計,將原有水泥道面作為高強基層.計算公式為

式中:hc為需加鋪厚度(cm);tc為換算成瀝青混凝土的道面總厚度(cm);∑aibi為舊道面基層、墊層換算成瀝青混凝土的厚度(cm).

對原有水泥道面進行二次或多次加鋪補強設(shè)計時,假定原瀝青層不存在,先計算加鋪厚度,再計算原瀝青層有效厚度,最終得出所需加鋪的厚度,計算公式為

式中:C0為原有瀝青層損壞狀況系數(shù);h1為原有瀝青層厚度(cm);t為所需瀝青層總厚度(cm);hc為需加鋪厚度(cm).

1．3 國內(nèi)外設(shè)計方法對比

從上述國內(nèi)外設(shè)計方法中可以看出:中國現(xiàn)有的瀝青加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計方法主要參考國外設(shè)計框架,并沒有結(jié)合實際情況進行大量的室內(nèi)足尺試驗和理論分析,同時實體工程應用經(jīng)驗較少,導致加鋪結(jié)構(gòu)厚度及材料設(shè)計過于保守,無法滿足現(xiàn)有大型飛機荷載的要求.以FAA為代表的國外新的力學-經(jīng)驗法避免了傳統(tǒng)設(shè)計方法中存在的問題,可以表征溫度、荷載耦合作用下加鋪層的疲勞開裂,通過彈性層狀理論體系及數(shù)值模擬的方法,不僅可以考慮加鋪結(jié)構(gòu)的線彈性受力響應,而且還可以考慮材料非線性、幾何非線性等問題,具有很大的靈活性和較好的適應能力.

2 結(jié)構(gòu)組合形式及病害特征

2．1 流亭國際機場

隨著流亭機場水泥混凝土道面使用年限的增長及使用性能的下降,原有道面結(jié)構(gòu)不能滿足使用要求,于是在2006年對該機場道面實施了瀝青加鋪改造工程.跑道采用雙層或三層瀝青加鋪結(jié)構(gòu),跑道南端500 m范圍內(nèi)采用6 cm厚SMA-16改性瀝青混凝土上面層、6 cm厚AC-20改性瀝青混凝土中面層、6 cm厚AC-20改性瀝青混凝土下面層;跑道北端2 900 m范圍內(nèi)采用6 cm厚SMA-16改性瀝青混凝土上面層、7～9 cm厚AC-20改性瀝青混凝土下面層;平行滑行道及聯(lián)絡(luò)道采用6 cm厚SMA-16改性瀝青混凝土上面層、7～9 cm厚AC-20改性瀝青混凝土下面層.隨著機場航空量的增長及大型寬體飛機的增加,部分加鋪區(qū)域損壞嚴重,使用性能復雜多變,對機場正常運行和飛行安全產(chǎn)生了顯著影響.2013年,在對平行滑行道、聯(lián)絡(luò)道、跑道整體使用質(zhì)量進行檢測后,對原有SMA-16加鋪層進行6 cm銑刨并等厚重新加鋪.

該機場在施工過程中發(fā)現(xiàn)平行滑行道局部區(qū)域的輪轍最大達10 cm左右.飛機在平行滑行道上處于低速行駛或停滯狀態(tài),如果飛機在50 m·s－1的行駛速度下1次作用時間為0.01 s,則其在5 m·s－1速度下1次作用時間為0.1 s,也就是后者作用1次相當于前者作用10次.因此,在低速行駛的不利狀態(tài)下,如果飛機在平行滑行道某一區(qū)域的停滯時間和停滯幾率較大時,荷載在該區(qū)域的作用時間將急劇增大到其他區(qū)域的十倍甚至幾十倍,從而使道面很快出現(xiàn)早期變形病害.同時,大型寬體飛機、交通量迅速增長及夏季高溫季節(jié)等不利條件的耦合作用也加劇了這種早期變形類病害的發(fā)生.

2．2 地窩堡國際機場

地窩堡國際機場所處地區(qū)季節(jié)溫差大、極端溫度低、冰凍時間長,惡劣的氣候因素導致了機場道面的表面破損病害較為嚴重,尤其是凍融作用引發(fā)的掉邊、掉角、剝落等表面功能性破壞.加上機場連續(xù)運行時間較長(已達13年)且并無大修歷史,跑道和聯(lián)絡(luò)道的表面功能正處于加速衰退期,道面結(jié)構(gòu)剩余壽命約為6年.為了保障飛機的運行安全,避免跑道和聯(lián)絡(luò)道上表面破損病害的加劇和惡化,對跑道和聯(lián)絡(luò)道進行功能性大修改造.

結(jié)合機場區(qū)域的氣候條件,參考國內(nèi)其他同類機場的加鋪改造經(jīng)驗,根據(jù)初步設(shè)計評估報告及批復,大修采用的道面加鋪結(jié)構(gòu)為:5 cm厚SMA-13瀝青混凝土上面層、6～8 cm厚AC-20改性瀝青混凝土下面層(不含找平層);考慮找平層后,下面層最小和最大施工厚度分別按4 cm、10 cm控制.道肩及防吹坪加鋪采用5 cm厚AC-13改性瀝青混凝土上面層、4～6 cm厚AC-13改性瀝青混凝土下面層;考慮找平層后,加鋪層最小攤鋪厚度按8 cm控制.

在使用過程中發(fā)現(xiàn),該機場聯(lián)絡(luò)道端部區(qū)域出現(xiàn)較嚴重的單側(cè)輪轍現(xiàn)象.飛機通過聯(lián)絡(luò)道從平行滑行道低速進入跑道,聯(lián)絡(luò)道的兩端部通常為小半徑的圓弧,但是飛機的起落架間距較大,導致飛機在此處低速行駛時靠近圓弧內(nèi)側(cè)的起落架輪組近乎處于原地旋轉(zhuǎn)狀態(tài),對加鋪層產(chǎn)生較大的扭剪作用.聯(lián)絡(luò)道端部在這種扭剪力作用下處于不利受力狀態(tài),而且荷載作用時間將顯著增加.以飛機主起落架間距10 m為例,當內(nèi)側(cè)圓弧半徑為10～20 m時,內(nèi)側(cè)荷載作用時間為外側(cè)的1.5～2.0倍,且內(nèi)徑越小越不利.可見內(nèi)側(cè)不僅容易出現(xiàn)剪切拉裂破壞,還會出現(xiàn)推移、輪轍等變形破壞.也就是說,聯(lián)絡(luò)道加鋪層常處于重載、低速及內(nèi)側(cè)扭剪的受力狀態(tài),在夏季高溫季節(jié)會迅速出現(xiàn)單側(cè)輪轍病害.

2．3 貢嘎國際機場

貢嘎國際機場現(xiàn)有民航跑道長4 000 m、寬45 m,軍用跑道長3 800 m、寬45 m,飛行區(qū)等級為4E,可供空客A340等大型飛機起降.為了適應新機型以及航空業(yè)務(wù)量的不斷增長,對該機場跑道進行了加蓋工程.根據(jù)飛機在跑道上的運行特性,兼顧施工的可行性以及節(jié)省投資和有利排水的需要,以15 cm為主要控制厚度,跑道加鋪結(jié)構(gòu)如表1所示.

表1 貢嘎機場跑道加鋪結(jié)構(gòu)組合形式

在使用過程中,機場跑道中部存在的問題相對較少,僅在跑道中間道肩出現(xiàn)些許裂縫;最主要的問題是在跑道西端出現(xiàn)局部推移變形、坑槽及小片裂痕等.飛機在跑道西端聯(lián)絡(luò)道端部進入跑道,在這過程中飛機需緩慢垂直調(diào)轉(zhuǎn)機頭,從而對道面產(chǎn)生低速扭剪作用,逐漸產(chǎn)生滑移、推移等變形破壞.加鋪結(jié)構(gòu)層與舊水泥混凝土層間由于剪切及彎拉應力作用出現(xiàn)疲勞破壞,處于不利接觸狀況.而且,隨著荷載及外界環(huán)境的反復作用,瀝青混合料內(nèi)部空隙率逐漸增大,外界水分通過空隙進入混合料內(nèi)部及層間,使瀝青與集料間的黏結(jié)性能逐漸下降,尤其是在層間動水壓力的作用下,混合料逐漸松散老化,瀝青膜剝落,最終導致層間完全分離.

3 存在的問題

3．1 加鋪結(jié)構(gòu)形式及厚度變化

從上述幾個機場道面加鋪結(jié)構(gòu)中可以看出,在已加鋪的工程中,層數(shù)以兩層或三層居多,每層厚度在5～10 cm,且平行滑行道、聯(lián)絡(luò)道、跑道上的加鋪結(jié)構(gòu)基本相同,僅在厚度上有2 cm左右的差異,選用的結(jié)構(gòu)組合形式較為單一.

3．2 加鋪材料的選擇

從中國機場瀝青加鋪層材料可以看出,上面層一般采用SMA瀝青瑪蹄脂碎石混合料,利用粗集料的嵌擠作用提高混合料的高溫穩(wěn)定性,并形成足夠粗糙的表面,大幅提高表層抗滑耐磨性能,加之瀝青瑪蹄脂填充于集料間隙形成高致密、小空隙材料,從而表現(xiàn)出出色的抗變形能力及耐久性.下面層則采用AC改性瀝青混合料,這種結(jié)構(gòu)材料在重載、高溫的長時間作用下抗剪切能力不足,很容易產(chǎn)生塑性流動變形,造成輪轍、推移、擁包等病害.從幾個機場的病害特征中可以看出,這種結(jié)構(gòu)及材料組合形式在跑道中部飛機高速行駛下是可以滿足使用要求的;但是在平行滑行道飛機低速行駛或停滯、聯(lián)絡(luò)道飛機低速行駛且單側(cè)扭剪、跑道端部飛機低速且扭剪制動的情況下,永久變形量迅速累積,從而造成飛行區(qū)早期局部變形破壞.

4 結(jié) 語

(1)現(xiàn)有機場瀝青加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計存在著一些問題,其中很重要的一點就是飛行區(qū)各區(qū)域加鋪結(jié)構(gòu)材料類型及結(jié)構(gòu)組合形式基本相同,僅在厚度上有2 cm左右的差異,而飛機在各平行滑行道、聯(lián)絡(luò)道及跑道的行駛特性差異較大,導致飛行區(qū)局部區(qū)域在外界環(huán)境、大型飛機荷載及不利行駛狀態(tài)的耦合作用下,很快出現(xiàn)早期變形破壞.

(2)從現(xiàn)有加鋪工程的使用情況來看:一方面在飛機荷載及環(huán)境因素作用下,接縫或裂縫處會產(chǎn)生應力集中,且在荷載反復作用下加鋪層底會因剪切作用產(chǎn)生疲勞裂縫并逐漸向上擴展;另一方面,瀝青加鋪材料在荷載重復剪切作用下將產(chǎn)生剪切流動變形,尤其是在低速、高溫、重載條件下,瀝青混合料抗變形能力顯著降低,從而很快產(chǎn)生永久變形.所以,需要對飛行區(qū)不同區(qū)域的容許剪應力及容許輪轍深度進行控制.

(3)飛機在平行滑行道低速行駛或停滯、聯(lián)絡(luò)道低速行駛且單側(cè)扭剪、跑道端部低速行駛且扭剪制動及跑道中部高速行駛幾種狀態(tài)下,道面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及荷載作用時間存在較大差別,應采用數(shù)值計算理論和大型足尺試驗進行不同區(qū)域差異設(shè)計.

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[責任編輯:高 甜]

Structural Design of Asphalt Overlay on Existent Cement Concrete Pavement of Airport

HAN Qing
(Department of Automotive and Architectural Engineering,Shangqiu Polytechnic,Shangqiu 476100,Henan,China)

In view of the fact that there are still no mature methods and system for the design of asphalt overlay on existent cement concrete pavement of airport at present,and the overlay engineering has been unable to meet the increasingly complex traffic,load and climate conditions and the operation of airport in terms of design,construction and management．The main problems and weaknesses of existent cement concrete pavement during the serving of the airport were pointed out by comparing domestic and overseas design methods and analyzing several airport overlay projects in the country,which provides reference for regional difference design of asphalt overlay based on the travel characteristics of airplanes in different flight areas．

overlay engineering;airport;existent cement concrete pavement;structure design

U416．2

B

1000-033X(2017)05-0051-04

2016-11-22

韓 慶(1982-),男,河南商丘人,講師,工學碩士,研究方向為道路建筑材料.