朱杰濤
(濱州學(xué)院,山東 濱州 256601)
機場道面剩余壽命預(yù)估是道面評價的主要指標(biāo)之一。公路道面剩余壽命預(yù)估比較成熟,但機場復(fù)合道面剩余壽命預(yù)估還相對欠缺,目前,國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了研究。周正峰等[1]應(yīng)用多種方法對機場復(fù)合道面剩余壽命進(jìn)行預(yù)估,并對結(jié)果的實用性進(jìn)行分析。蔡良才等[2]基于累計損傷的機場道面剩余壽命預(yù)測模型,通過與機場實際道面對比來驗證正確性。凌建明等[3]研究機場瀝青道面剩余壽命預(yù)測方法,并用實例進(jìn)行驗證。在公路方面,秦昊等[4]先分析不平整道面的動載系數(shù),然后求解瀝青道面剩余壽命。張敏霞等[5]對水泥道面進(jìn)行動載試驗,預(yù)估疲勞壽命及分析影響因素。史軍強[6]以層間接觸狀態(tài)對公路道面疲勞壽命進(jìn)行分析。
以B737-800為例,求解在不同國際平整度指數(shù)(International Roughness Index,IRI)條件下的機場復(fù)合道面動載系數(shù)得到:整體動載系數(shù)隨著滑行速度的加快,呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢;隨著IRI增大而增大,當(dāng)IRI不超過6時,道面整體劣化程度對動載系數(shù)影響較?。?.02~1.19),實地調(diào)查道面劣化程度遠(yuǎn)大于規(guī)范要求,所以,分別計算IRI為20、30、40的動載系數(shù)的最大值為1.8、2.4、2.7。在局部劣化條件下,計算飛機經(jīng)過坑槽時產(chǎn)生的最大動載系數(shù)得出:滑行速度低于10 m/s,動載系數(shù)為1.0~1.6;速度在10~25 m/s時,系數(shù)為1.3~2.4,局部劣化對動載系數(shù)產(chǎn)生的影響要遠(yuǎn)大于整體劣化。動荷載是加速道面使用壽命縮短的關(guān)鍵因素,柔性道面的設(shè)計壽命為15年以上,實際使用壽命為7年左右,因此,研究動載系數(shù)對剩余壽命的影響具有重要意義。依據(jù)前文研究結(jié)果,考慮規(guī)范[7]要求及道面實際情況動載系數(shù)取值為1.1~1.6。以上海虹橋機場為例,參照[8]選用B777-200作為換算機型,得到設(shè)計機型年運行次數(shù)為34 146次,對動載系數(shù)作用下機場復(fù)合道面剩余壽命進(jìn)行預(yù)估。
本研究選取多次加鋪的上海虹橋機場作為研究對象,參考相關(guān)資料及實地調(diào)查復(fù)合道面結(jié)構(gòu)參數(shù),如表1所示。根據(jù)溫克樂地基上的彈性薄板理論,應(yīng)用ABAQUS建立四邊自由的三維有限元模型,層間結(jié)合系數(shù)從上到下依次為0.8、0.7、0.6。B777-200起落架構(gòu)型與幾何尺寸如表2所示。
表1 復(fù)合道面結(jié)構(gòu)層參數(shù)
表2 飛機起落架構(gòu)型與幾何尺寸
對于多次加鋪的道面,進(jìn)行傳統(tǒng)復(fù)合道面設(shè)計時,大多根據(jù)彈性層狀體系,假設(shè)各結(jié)構(gòu)間是一個整體,沒有考慮層間結(jié)合狀態(tài),也沒有考慮道面整體和局部破壞時產(chǎn)生的動荷載,所以,道面的設(shè)計壽命遠(yuǎn)大于使用壽命。傳統(tǒng)預(yù)測復(fù)合道面的疲勞壽命都是采用單一面層材料,少有方法對復(fù)合道面疲勞壽命進(jìn)行計算,對平整度劣化的復(fù)合道面剩余壽命預(yù)估更是空白。分別提取劣化條件下舊水泥砼道面、瀝青道面、復(fù)合道面中最危險的點進(jìn)行剩余壽命預(yù)估,在改進(jìn)劣化條件下對復(fù)合道面剩余壽命進(jìn)行預(yù)估。
對瀝青道面剩余壽命的預(yù)估采用美國FAA開發(fā)的LEDFAA,該方法以累積疲勞損傷原理為依據(jù),瀝青砼加鋪層覆蓋率—應(yīng)變模型為[2]:
式中:Ne為疲勞破壞時的作用次數(shù);εa為加鋪層底最大水平拉應(yīng)變;EA為瀝青砼彈性模量,MPa。
采用Miner準(zhǔn)則計算各類機型作用下的年累計疲勞損傷率之和D,其中,ni表示第i類飛機年預(yù)計作用次數(shù)。道面的剩余使用年限y=1/D。
對水泥砼疲勞壽命的計算,則采用美國NCHRP-26疲勞方程,有限元模擬結(jié)果能更好地適應(yīng)該方程[1]:
式中:Ne為機輪作用處50%水泥板開裂時累計作用次數(shù);MR為水泥板設(shè)計強度,取5.2 MPa;σ為水泥板底最大拉應(yīng)力,MPa。
計算道面剩余使用年限為:
式中:Ne為評價機型剩余累計作用次數(shù);Ns為評價機型的年當(dāng)量運行次數(shù);T為通行寬度,跑道取11.4 m;nw為一個主起落架的輪子數(shù),個;Wt為輪印寬度,cm。
應(yīng)用ABAQUS建立三維有限元模型,提取相關(guān)數(shù)據(jù),根據(jù)公式(1)和公式(3)分別對水泥板和瀝青混凝土加鋪層進(jìn)行剩余壽命預(yù)估(見表3~4),上海虹橋機場剩余壽命預(yù)估如表5所示。
表3 瀝青混凝土剩余壽命預(yù)估
表4 水泥板剩余壽命預(yù)估
表5 上海虹橋機場剩余壽命預(yù)估
對比以上結(jié)果,在動載系數(shù)不超過1.2時,水泥砼板的剩余壽命大于瀝青面層;在動載系數(shù)不小于1.3時,瀝青面層的剩余壽命大于水泥砼板。復(fù)合道面任一結(jié)構(gòu)層發(fā)生破壞,將直接影響道面使用性能,因此,傳統(tǒng)對單一水泥板或者瀝青面層剩余壽命進(jìn)行預(yù)估是不合理的,應(yīng)采用多種方法,分別對水泥板和瀝青面層進(jìn)行剩余壽命預(yù)估。美國NCHRP-26疲勞分析法和LEDFAA兩種預(yù)估方法選取控制指標(biāo)不同,導(dǎo)致結(jié)果具有差異性。上述計算結(jié)果與實際道面實際情況具有一定的差距,但整體趨勢相同,同樣具有重要的指導(dǎo)價值。
(1)道面平整度劣化是導(dǎo)致機場復(fù)合道面剩余壽命縮短的主要原因,且局部劣化影響遠(yuǎn)大于整體劣化。
(2)隨著道面不平整的加劇,道面動載系數(shù)逐漸減小,當(dāng)動載系數(shù)為1.3時,剩余壽命降幅很大,大于等于1.6時趨于0。
(3)兩種不同的評估方法由于評估模型選取指標(biāo)不同,結(jié)果具有差異性。