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        民用機場道面檢測與評價

        2022-06-02 08:37:06湯俊杰賴曉南
        廣東土木與建筑 2022年5期
        關(guān)鍵詞:板邊道面機型

        運 昊,湯俊杰,賴曉南

        (廣東建科交通工程質(zhì)量檢測中心有限公司 廣州 510500)

        0 引言

        隨著我國綜合國力的不斷提升,結(jié)合人民出行的需要,民用航空業(yè)務(wù)量迅速增長,2015~2019 年,我國民航運輸總周轉(zhuǎn)量從851.7 億t·km 上升至1 293.3 億t·km,復(fù)合年均增長率達8.7%[1]。而機場道面在長期使用過程中,頻繁承受著飛機起降的沖擊和碾壓,同時還有溫差變形作用,加之混凝土道面設(shè)計和施工過程中諸如土基加固、配合比中水泥用量、混合料含水量等誤差影響,機場道面會局部逐漸出現(xiàn)破損且道面性能也會逐步衰減。并且隨著使用年限的增加,道面性能衰減速度會越來越快。這將有可能嚴重影響飛機的安全運行,因此,有必要對機場道面進行全面的檢測,并對結(jié)構(gòu)性能、承載能力、功能性能進行評價,并對剩余壽命進行預(yù)估,為后續(xù)道面修補或改建提供依據(jù)。

        海南某機場于2016年1月完工,3月初試飛成功,二期建設(shè)于2016 年4 月啟動,2017 年1 月復(fù)航。目前年旅客吞吐量約100萬人次,年貨郵吞吐量約3 000 t。按照中國民用航空總局令第191 號《民用機場運行安全管理規(guī)定》(CCAR-140),機場管理機構(gòu)應(yīng)當(dāng)至少每五年對跑道、滑行道和機坪道面狀況進行一次綜合評價,評價方法參考《民用機場道面評價管理技術(shù)規(guī)范:

        MH∕T 5024—2019》[2]。

        1 檢測方案

        根據(jù)文獻[2]要求,擬定機場道面綜合評價體系[3],如圖1所示。

        圖1 機場道面綜合評價體系Fig.1 Comprehensive Evaluation System of Airport Pavement

        ⑴基礎(chǔ)資料收集。應(yīng)對道基、道面結(jié)構(gòu)資料,道面分區(qū)資料,航空交通量數(shù)據(jù)以及道面病害、道面維護和改擴建歷史資料等進行收集。

        ⑵道面損壞狀況調(diào)查。由于本次檢測目的為掌握道面總體損壞狀況,故采用隨機抽樣的方法進行抽樣調(diào)查。

        ⑶面層材料性能試驗。現(xiàn)場測量水泥混凝土芯樣厚度,并對芯樣進行加工后測試劈裂強度,通過換算得到彎拉強度。

        ⑷道面結(jié)構(gòu)性能測試。根據(jù)重型落錘式彎沉儀(HWD)檢測結(jié)果,通過反演分析,得到包括道面板彈性模量、基層頂面反應(yīng)模量、道面接縫的彎沉比傳遞系數(shù)等參數(shù)。

        ⑸道面功能性測試。跑道摩阻測試車檢測道面抗滑性能,激光平整度測試儀檢測道面平整度。

        ⑹道面剩余壽命預(yù)估。根據(jù)道面板彈性模量、基層頂面反應(yīng)模量、航空交通量統(tǒng)計及給定機型,通過有限元分析,估算道面結(jié)構(gòu)性剩余壽命。

        2 檢測過程

        2.1 道面損壞狀況

        現(xiàn)場確認道面調(diào)查單元(一般不大于500 m2,不少于相鄰的20塊板)及該單元的現(xiàn)場位置標識。針對道面上可能存在的不同種類、不同損壞程度、不同損壞量的病害,按照文獻[2]中道面損壞鑒別標準及計量方法,采用道面狀況指數(shù)(PCI)評定道面損壞等級。

        首先按照Dij=nij∕N×100計算損壞密度,再按第i種損壞類型第j類損壞程度的損壞密度查表得到損壞折減扣分值,經(jīng)過綜合修正得到MaxCDV,PCI=100-MaxCDV[2]。道面狀況指數(shù)為0~100,對應(yīng)的道面損壞等級為五級,如表1所示。

        表1 道面損壞等級評定標準Tab.1 Evaluation Standard for Pavement Fault Station

        通過對調(diào)查結(jié)果的統(tǒng)計及計算,得到各區(qū)域的PCI及損壞狀況等級,結(jié)果如表2所示。

        表2 各區(qū)域的PCI值及損壞等級Tab.2 PCI Value and Damage Level of Each Area

        由表2可以看出,該機場道面整體損壞狀況良好,聯(lián)絡(luò)道區(qū)域略差于其它區(qū)域。

        2.2 面層材料性能

        現(xiàn)場抽芯及室內(nèi)劈裂強度試驗結(jié)果如表3所示[4]。

        表3 水泥混凝土芯樣檢測結(jié)果Tab.3 Test Results of Cement Concrete Core Sample

        2.3 道面結(jié)構(gòu)性能

        通過整理現(xiàn)場HWD 測試數(shù)據(jù),得到用于結(jié)構(gòu)參數(shù)反演的彎沉盆,通過反演分析[5],得到各區(qū)域的相對剛度半徑、基層頂面反應(yīng)模量、水泥混凝土板彎拉彈性模量,結(jié)果如表4 所示。另外,通過HWD 測試數(shù)據(jù)還可計算道面接縫的彎沉比傳遞系數(shù),結(jié)果如表5所示。

        表4 各區(qū)域FWD反演分析結(jié)果Tab.4 FWD Inverse Calculation Analysis Results of Each Area

        表5 各區(qū)域接縫傳荷能力評定等級Tab.5 Evaluation Grade of Load Transfer Capacity of Joints in Each Area

        2.4 道面功能性能

        通過跑道摩阻測試車檢測道面抗滑性能[6],結(jié)果如表6所示。

        表6 跑道抗滑性能及評定等級Tab.6 Runway Anti Sliding Performance and Evaluation Grade

        通過激光平整度測試儀檢測道面平整度,結(jié)果如表7所示。

        表7 各區(qū)域平整度及評定等級Tab.7 Flatness and Evaluation Grade of Each Area

        3 道面結(jié)構(gòu)性能評價

        國際民航組織(ICAO)推薦ACN-PCN 評價法作為機場道面結(jié)構(gòu)性能評價方法,用于評價道面結(jié)構(gòu)能否滿足不同機型的荷載要求。其中ACN 為飛機等級號(Aircraft Classification Number 的縮寫),PCN 為道面等級號(Pavement Classification Number 的縮寫)。該評價法的難點主要在于通過有限元,根據(jù)溫克勒地基上的彈性薄板理論,按四邊自由板建立模型,計算評價機型一個主起落架臨界荷位處的板邊應(yīng)力。本次通過ABAQUS 軟件,設(shè)置材料基本參數(shù)、荷載及約束進行計算[7],結(jié)果如圖2所示。

        圖2 通過有限元計算板邊應(yīng)力(跑道)Fig.2 Use the Finite Element Method to Calculate the Stress of Runway Slab Edge

        通過該機場工作人員提供的航空量數(shù)據(jù),根據(jù)文獻[2]中附錄D 的公式計算出給定機型B747-400 在評價期內(nèi)的當(dāng)量累計作用次數(shù)Nei為851 次[8]。跑道道面PCI 均值為98.9,跑道厚度平均值為411 mm,故取有效厚度he=411 mm。由FWD 反演分析確定跑道基層頂面反應(yīng)模量K=93 MN∕m3,水泥混凝土板的彎拉彈性模量Er=39.5 GPa。水泥混凝土板塊彎拉強度由現(xiàn)場芯樣試驗確定,跑道區(qū)域取平均值fcm=5.28 MPa。應(yīng)力折減率LT由彎沉比傳遞系數(shù)LTEσ和應(yīng)力比傳遞系數(shù)LTEσ計算得出,LT=LTEσ∕(1+LTEσ)。根據(jù)HWD檢測結(jié)果計算跑道應(yīng)力折減率為0.22。計算剛性道面面層材料的容許彎拉疲勞強度σrm,當(dāng)|σp-σrm|≤0.025σrm時,擬定重量Gi作為給定機型的最大容許運行質(zhì)量,經(jīng)過試算,5 500 kN 為B747-400 的最大容許運行質(zhì)量,試算過程如表8所示。按照《民用機場飛行區(qū)技術(shù)標準:MH 5001—2013》,根據(jù)道基強度類型為“中強度”,采用線性外延的方法,確定PCN值為92[9]。

        表8 給定機型最大容許運行質(zhì)量計算Tab.8 Calculate the Maximum Allowable Operating Mass of a Given Model

        同理可算出其它部位的PCN 值,結(jié)合原通報PCN值,得到目前的建議通報PCN值[10],如表9所示。

        表9 各部位建議通報PCN值匯總Tab.9 Summary of Recommended PCN Values for Each Area

        4 道面結(jié)構(gòu)性剩余壽命預(yù)估

        道面剩余壽命是機場運行規(guī)劃、道面維護及改擴建決策的基礎(chǔ),也是道面定量評價與管理的重要體現(xiàn)。本次采用結(jié)構(gòu)設(shè)計的逆過程對道面結(jié)構(gòu)性剩余壽命預(yù)估,以分析計算所得到的剩余作用次數(shù)作為結(jié)構(gòu)性剩余壽命。

        跑道道面PCI 均值為98.9,跑道厚度平均值為411 mm,故取有效厚度he=411 mm;根據(jù)室內(nèi)試驗得到水泥混凝土板的抗彎拉強度,取最不利點fcm=5.05 MPa;由FWD 反演分析確定基層頂面反應(yīng)模量K=93 MN∕m3,水泥混凝土板的彎拉彈性模量Er=39.5 GPa;根據(jù)機場運行狀況和該機場工作人員提供的航空量數(shù)據(jù)及發(fā)展趨勢,按B737-800 年起降40 000 架次代入計算,則評價機型B747-400 的當(dāng)量年起降次數(shù)Ns=8 500 架次。根據(jù)有限元計算出的板邊應(yīng)力為3.923 MPa,結(jié)果如圖3 所示,得出評價機型B747-400 剩余累計當(dāng)量作用次數(shù)為Ne=26 252 架次,最終計算得出道面剩余使用年限Ys=35.4年。

        圖3 通過有限元計算板邊應(yīng)力(跑道)Fig3 Use the Finite Element Method to Calculate the Stress of Runway Slab Edge

        5 結(jié)論

        本次以海南某機場為例,完整構(gòu)建了機場道面綜合評價體系,通過對機場道面檢測的全過程的分析,使評價體系能與檢測參數(shù)有機結(jié)合,為檢測人員更好地得到真實可靠的檢測結(jié)果打下了基礎(chǔ),也能讓機場管理者更全面地了解機場道面狀況。檢測過程中尤其需要注意以下3點:①要對機場的航班量,特別是起降機型進行準確統(tǒng)計,這關(guān)系到評價機型的當(dāng)量年起降次數(shù)計算;②在進行HWD 檢測時,有條件時盡可能選用更大的荷載級位,保證承載板中心彎沉值不小于0.11 mm,這樣才能更準確地通過彎沉盆數(shù)據(jù)進行反演分析;③通過有限元或者數(shù)格法進行板邊應(yīng)力計算時,務(wù)必力求每個代入?yún)?shù)準確,因為板邊應(yīng)力的微小誤差都會對PCN和結(jié)構(gòu)性剩余壽命造成巨大的影響。

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