机场沥青加铺道面结构设计方法的发展与展望

2018-04-24刘若琪陈金章

筑路机械与施工机械化 2018年3期

文 | 刘若琪陈金章国洋

导语：

近年来，我国的机场建设方兴未艾。据悉，到2020年全国运输机场的总数将达到260个。在已建成的机场中，绝大部分采用了水泥混凝土跑道的设计方案。但是随着航空量和重载飞机数量的增长，越来越多的水泥混凝土道面不仅没能体现出优良的性能，反而表现出维修养护困难等缺点。

一些研究和实践证明，白改黑加铺方案是满足机场不停航要求下的最佳解决方案。

01 引言

机场由平行滑行道、联络道、跑道等部分组成，其中供飞机起飞、着陆、滑行及维修、停放的坪道，应具有一定的强度、平坦度、粗糙度和稳定性，以保证飞机起降的安全[1]。截至2015年底，我国民用机场数量已经超过200个，其中95%的新建、改建及老机场跑道采用强度高、稳定性好、耐久性好、有利于夜间及不良天气状况起降的水泥混凝土道面。

随着航空量的增长和重载飞机的出现，越来越多的水泥混凝土道面不仅没能体现出优良的性能，反而出现维修养护困难等缺点，已不能满足民航飞行要求。实践证明，白改黑加铺方案是满足不停航要求下的最佳解决方案。本文通过调研大量国内外相关研究资料，对目前国内外机场沥青道面结构的设计方法进行总结和评述，并结合中国现有民用机场沥青道面设计，详细地分析各种设计理论和规范指标，对现有设计方法中存在的问题进行探讨。

02 设计方法现状

国际上沥青混凝土加铺层的设计方法有很多，包括美国陆军工程兵在设计时采用的CBR法、美国地沥青学会（AI）出版的适用于运输机的机场全厚度沥青道面设计规范、美国联邦航空局基于CBR法提出的FAA法[2]。以上方法都为经验法，其他还有基于弹性层状体系和数值分析等方法，形成的力学-经验法。随着高速计算机的发展，越来越多的学者将有限元法应用到机场道面的设计中。中国现行的机场沥青道面设计规范是按照美国机场沥青道面经验设计法的框架，并借鉴日本机场和中国道路的设计方法及经验积累完成的，缺乏大的足尺试验和深入的理论分析，并且在机场沥青道面的修筑和使用等方面缺乏工程经验的有效指导。根据中国机场道面的实际情况，加铺结构存在轮辙、裂缝、推移等病害问题（图1），阻碍了我国机场沥青道面结构的设计与应用。

图1 机场跑道病害

机场道面结构设计目前仍然存在很多问题，缺乏科学的设计控制指标和参数以及完整的设计方法体系。

03 设计方法

国际上民用机场沥青混凝土道面的设计方法可分为经验法和力学-经验法，具体的沥青道面设计方法见图2[3]。

经验法

经验法主要通过对试验路的连续观测、试验或借鉴道路的修筑经验，建立道面结构、荷载轴载及路面性能三者间的经验关系。国际上设计沥青道面采用的经验法主要以CBR法为代表，该方法是以CBR值作为路基土和路面材料（主要是粒料）的参数性能指标，以土基的抗剪强度作为设计指标，控制土基变形以及道面轮辙等损坏模式。通过足尺试验或现有道面的调查，建立起“CBR-轮载作用次数-路面结构层厚度”三者的经验关系。利用不同飞机起落架构型的关系曲线，按当量飞机年作用次数和土基的CBR值，确定道面的总厚度及其结构层的厚度[4]。机场沥青混凝土道面经验法设计流程如图3所示。

力学 -经验法

图2 沥青道面设计方法

力学-经验法主要是以弹性层状体系理论作为理论模型。在该理论模型中，主要的设计参数为泊松比和弹性模量，而主要的设计控制指标为沥青层底面的水平拉应变和土基顶面的竖向压应变，分别控制土基的永久变形和沥青混凝土的疲劳开裂。机场沥青混凝土道面力学-经验法设计流程见图4。随着当前道面设计技术的进一步发展，试验与有限元分析相结合的方法开始应用于机场沥青混凝土道面的设计，也取得了良好的使用效果。在该方法中，将道面结构离散成许多小单元，通过数值模拟计算求解传统弹性层状体系方法无法考虑的材料非线性、几何非线形等复杂特性，这是有限元分析的主要思想[5]。

两种设计方法的对比

图3 机场沥青混凝土道面经验法设计流程

图4 机场沥青混凝土道面力学-经验法设计流程

经验法的设计理论与技术已经相对成熟，而且无需设计过多的参数，是国外机场沥青道面设计中采用最多的方法；但经验法依靠足尺试验数据统计分析，存在局限性。CBR设计方法是公路道面设计结合试验研究，然后改进成为适合飞机交通荷载和机轮构型的机场道面设计方法。但是，由于环境的差异，加之飞机荷载变化和机型的快速发展、新材料的不断使用，基础试验之外的数据需通过外延等手段获得，经验法结论的代表性与可靠性受到质疑。此外，CBR值主要表征土基的抗剪强度，随着飞机荷载轴重和次数的攀升，经验法主要反映的道面土基破坏的单一损坏模式，并不能确保道面的疲劳开裂、温度开裂以及道面结构的其他损坏，不足之处开始显现。传统的力学-经验法能够表征由于荷载和温度变化引起的结构层疲劳开裂，并计算基层稳定材料的厚度，能够弥补CBR经验法的不足[6-7]。

04 国内外设计方法评析

机场道面设计方法是一个复杂的系统理论，国内外机场道面研究人员其进行了长期研究，积累了大量的试验数据资料，并取得了较丰富的研究成果。通过调研国内外有代表性的机场道面设计方法，可知各个国家或地方针对本区域的气候地质条件、工程建设特点、交通荷载情况、沥青道面结构组合以及道面材料类型，进行了大的室内足尺试验和现场测试，建立了具有自身特色的道面结构设计方法。

混合交通组成

由于不同机型飞机起落架几何构型差异较大，对道面的力学作用也不尽相同，机场道面设计时需要考虑混合交通和不同起落架构型的影响。表1列出了几个国家机场的混合交通考虑方式。

考虑混合机型交通组合，是根据各种飞机机型及不同类型的起落架在道面上产生的疲劳等效原则，将各种机型的实际运行架次转换成设计飞机的当量年作用次数。道面结构是一种多层体系，各结构层具有不同的材料和力学特性，起落架荷载对道面各结构层会产生不同的疲劳效应，道面加铺层受起落架产生的荷载叠加疲劳效应十分明显。采用单一转换系数不能完全反映道面实际，应充分考虑多个主起落架之间的相互作用。基于累积损伤原理的新方法（CDF）是以 Miner 定律为理论基础，将不同飞机荷载对道面产生的疲劳损伤进行线性叠加，以累积的疲劳损伤程度（CDF是否等于1）来判定道面是否达到疲劳损坏状态，这种设计方法不仅避免了不同飞机与设计飞机之间的换算，而且可以考虑材料参数随时间的衰变规律，因而与传统的设计飞机法相比更加准确合理。

多轮起落架荷载

各种飞机的主起落架通常由多个机轮组成，多轮荷载对道面结构产生的力学响应量与单轮荷载有较大差别，设计时需考虑多轮荷载的当量单轮化。单轴单轮、单轴双轮、双轴双轮、双轴单轮、三轴双轮及复合型等构型是现有常用的主起落架构型，B737-200、B747-400、B777-200LR主起落架构型如图5所示。我国机场沥青道面设计规范中均采用土基顶面的弯沉等效原则，将多轮荷载转换成当量单轮荷载。多轮荷载当量单轮化是假定当量单轮与多轮装置所有机轮具有相同的接触面积，在到达道面结构一定深度处两者产生等效的力学响应量。许多设计方法都是基于土基顶面弯沉等效的原则将多轮荷载当量单轮化；然而由大量试验观测分析可知，随着离轮子中心线距离的增加，土基顶面弯沉的衰减速率比土基顶面竖直应力、竖直应变和剪应力的慢，因此基于弯沉等效进行计算就夸大了轮子之间荷载相互影响对道面结构造成的损坏。另外，道面结构的损坏（开裂和车辙等）主要是由应力和应变控制的，而不能仅通过弯沉来表征。因此，根据实践分析该种理论仍有不足，需要在实践中不断地完善。

轮迹横向分布

在实际情况下，当飞机在机场道面上运行时，其中心线与跑道或者滑行道中心线有一定的横向偏离，而机场道面横断面上各点实际受到的轮荷重复作用次数并不等于设计飞机的实际运行次数。因此，在对机场沥青混凝土道面的实际设计中需要对飞机轮载的轮迹横向作用分布进行仔细考虑，从而取得更加经济、科学、合理的道面设计厚度。

表1 机场混合交通组成对比分析

图5 常用飞机起落架构型

环境气候因素

机场道面大多直接暴露在大气环境之下，环境中的干湿、冷热和冻融都对道面产生一定的作用，因此道面设计中需考虑周围环境因素的影响。许多机场的道面设计考虑了冻融深度的影响，明确最小防冻厚度，但实际情况表明，高温多雨地区的轮辙病害非常严重，因此降雨、湿度、高温等条件的影响亦不可忽视，还需要在未来的设计实践中不断完善。