南苏丹朱巴国际机场跑道道面层间工作状态

2018-11-29胥祥伟廖述清王选仓汪日灯孔二春

筑路机械与施工机械化 2018年11期

胥祥伟，廖述清，王选仓，汪日灯，孔二春

(1.中交机场勘察设计院有限公司，广东广州 510230； 2.长安大学公路学院，陕西西安 710064)

0 引言

机场道面相比于公路路面，受力环境更加恶劣[1-4]，飞机轮胎接地压力约为汽车轮胎接地压力的1.5～2.2倍[5-6]，且飞机在加速起飞及高速运行状态下刹车时也会对机场道面产生较大的水平荷载[7]，从而使道面内部出现较大水平剪应力[8]，若层间黏结强度不足，在高温条件下，沥青面层易产生轮辙、滑移及拥包等病害[9-11]。

目前国内外对非洲地区机场道面层间工作状态的研究较少，大多数加铺模型基于特定条件和边界假设得到，并无实际的指导意义[12-13]。本文借助ABAQUS有限元软件分析了机场道面在B767-200飞机荷载作用下的层间工作状态，并与BZZ-100标准汽车荷载计算结果进行对比，得到道面结构层中剪应力的空间分布及受剪切最不利位置；并进一步分析道面层间工作状态与各影响因素之间的关系，结果可为相似项目提供理论支撑。

1 道面结构参数

参考南苏丹朱巴机场原有道面结构，建立非洲热带地区典型柔性机场道面结构模型并给出相应的参数，如表1所示。建立有限元模型时，以空间直角坐标系为基准，尺寸为5 m×5 m×5 m。X方向为道面纵向，Y方向为道面横向，Z方向为深度方向。边界条件为：限制横向水平位移及纵向水平位移[14]；路基底面约束各个方向的位移，选用8节点减缩积分单元C3D8R计算单元[15-17]。

表1 路面结构参数

2 荷载作用形式

飞机荷载主要由飞机的主起落架承担，由于起落架构型不同，飞机荷载作用在道面的形式比较复杂。按照轴数和轮数，主起落架的构型主要包括单轴单轮、单轴双轮、双轴单轮、双轴四轮、三轴双轮，同时也有以A380飞机为代表的复合式构型。

根据《民用机场沥青混凝土道面设计规范》(MH 5010—1999)，在道面设计时选用设计年限内对道面要求最高的机型作为设计飞机，设计飞机主起落架的单轮荷载

(1)

式中：Ps为设计飞机主起落架上的单轮荷载(kN)；G为设计飞机最大起飞荷载(kN)；ρ为主起落架荷载分配系数；ne为设计飞机的主起落架个数；nw为单独主起落架的轮子数目。

包括中国在内的许多国家沥青混凝土道面设计规范中，都把单个轮印设为由一个矩形和两个半圆组成的椭圆形，椭圆形的长宽比为1∶0.6。在有限元计算中为方便单元划分，并减少计算中椭圆形荷载周边产生的应力突变，故将荷载作用形状简化为长宽比为0.871 2∶0.6的矩形，如图1所示。

图1 飞机单轮荷载简化

椭圆形的长度

(2)

式中：L为轮印长度(mm)；q为轮胎压强(MPa)。

朱巴机场加铺后，最大机型由B737升级为B767。根据机场航空量预测数据，可知2020年左右B767型飞机为是朱巴机场道面要求最高的机型，本文在分析时以B767-200作为设计飞机，其参数见表2。

表2 B767-200飞机参数

对于B767-200机型，将椭圆荷载简化为矩形荷载，得到L=0.487 1 m，单轮荷载简化为0.424 4 m×0.292 3 m的矩形，根据B767-200机型参数，其荷载与汽车轴载BZZ-100分布形式如图2、3所示。

图2 B767-200荷载布置形式

图3 BZZ-100荷载布置形式

3 层间工作状态

为了研究不同因素对层间剪应力的影响规律，首先需要确定在路面层间所产生的最大剪应力的作用位置。本文通过ABAQUS软件计算设计飞机在荷载作用下不同位置的受力情况，从而确定最不利位置。考虑到B767-200单个轮组荷载的对称性，故这里仅讨论X>0、Y>0的情况。

3.1 垂直于行驶方向

计算B767-200飞机荷载和BZZ-100汽车轴载在垂直于行驶方向上的不同点位所产生的沿行驶方向剪应力的变化情况，结果见图4、5。

图4 B767-200荷载垂直于行驶方向的剪应力

图5 BZZ-100荷载垂直于行驶方向的剪应力

由图4、5可知：在垂直于行驶方向，对于B767-200荷载和BZZ-100荷载，当条件限定为X=0、Z=0.1时，分别在Y=0.55 m及Y=1.5δ(δ=0.106 5 m)位置附近产生了最大的剪应力；对于2种不同的荷载，发现其受剪最不利位置的Y坐标与轮迹中线的Y坐标一致。

3.2 沿行驶方向

计算B767-200和BZZ-100荷载在行驶方向上的不同点位所产生的沿行驶方向剪应力的变化情况，结果见图6、7。

图6 B767-200荷载沿行驶方向的剪应力

图7 BZZ-100荷载沿行驶方向的剪应力

由图6、7可知，在行驶方向上，对于B767-200荷载和BZZ-100荷载，当条件分别限定为Y=0.55、Z=0.1 和Y=1.5δ、Z=0.1时，分别在X=0.9 m及X=1.0δ(δ=0.106 5 m)位置附近产生了最大的剪应力。分析其受剪最不利位置，发现无论对于飞机荷载还是汽车荷载，沿X轴方向最大剪应力位置均出现在轮印的前缘附近。

3.3 沿深度分布情况

计算B767-200和BZZ-100荷载在行驶方向上的不同点位所产生的沿深度方向剪应力变化情况，计算点位及结果见图8。

图8 B767-200和BZZ-100荷载沿深度方向剪应力

由图8可知，当条件分别限定为X=0.9、Y=0.55和X=1.0δ、Y=1.5δ时，BZZ-100荷载在深度方向上产生的剪应力峰值出现在0.04 m深处，约为0.3 MPa；飞机起落架荷载引起的最大剪应力约为标准轴载的2倍，B767-200飞机荷载剪应力峰值在0.06 m深处附近，但在深度0.03～0.11 m之间行车方向的剪应力均大于0.60 MPa，在深度0.15 m以内剪应力均大于0.5 MPa。

BZZ-100荷载出现最大剪应力的位置在上中面层之间，而B767-200荷载出现剪应力较大的深度范围较广，对于中下面层之间和原有路面与加铺层间的抗剪强度要求更高，如若在剪应力大的区域出现层间黏结强度不足的情况，在反复剪切作用下路面易出现疲劳破坏[18]。

4 层间工作状态的影响因素

4.1 加铺层回弹模量

加铺层模量取值范围为1 000～2 000 MPa，以100 MPa为梯度递增，不同模量的机场加铺层层间最大剪应力如表3及图9所示。可知：加铺沥青混凝土模量的增加可以在一定程度上起到降低层间最大剪应力的效果，但效果并不明显；当加铺层模量从1 000 MPa增至2 000 MPa时，B767-200和BZZ-100荷载产生的层间剪应力分别下降了4%和6%。故选用模量较大的沥青混合料作为机场加铺层材料可以降低层间的剪应力。

表3 加铺层模量对层间最大剪应力的影响

图9 加铺层模量对加铺层间最大剪应力的影响

4.2 加铺层厚度

《民用机场沥青混凝土道面设计规范》(MH5010—1999)中规定，原有沥青道面加铺层厚度不小于5 cm，故加铺层厚度取值范围为5～20 cm，以2.5 cm为梯度递增。层间最大剪应力与加铺层厚度的关系如图10及表4所示。

图10 加铺层厚度对层间最大剪应力的影响

由图可知，加铺层厚度变化对层间剪应力有较大影响，对于B767-200荷载，当加铺层厚度由5 cm上升至 20 cm时，层间剪应力下降了45.5%，而BZZ-100荷载则下降约70%。由此可见，通过增加加铺层厚度可以显著减少层间的剪应力。

表4 加铺层厚度对层间最大剪应力的影响

4.3 设置柔性层

设置柔性层可以减缓旧道面反射裂缝对加铺层层间剪应力的影响[19-20]。实际设置柔性层厚度一般在10 cm左右，故模型中旧路与加铺层间柔性层的厚度统一为10 cm，模量在400～800 MPa之间，分析不同柔性层模量对层间剪应力的影响，结果见表5。

表5 设置柔性层对层间最大剪应力的影响 MPa

分析表5可知：设置柔性层可以有效减少层间剪应力，柔性层顶的剪应力高于柔性层底；对于柔性层顶的剪应力，当柔性层模量从400 MPa上升至800 MPa时，B767-200和BZZ-100荷载的层间剪应力分别上升23%和28.7%。

4.4 原有道面回弹模量的影响

原有道面回弹模量取值在200～1 400 MPa范围内，以200 MPa为梯度递增，原有道面不同模量情况下沿行驶方向的剪应力变化如表6所示。

由表6可知，原有道面模量的变化对层间剪应力影响较大：对于B767-200荷载，当原有道面模量由400 MPa上升至1 400 MPa时，层间剪应力增大了46.4%；而对于BZZ-100荷载则增大了约35.5%。但是，在实际加铺过程中，如果原有道面模量过低会造成道路整体结构承载能力不足，因此需要对旧路病害进行处理，必要时铣刨掉旧路并填充新料，同时可以通过在旧路和加铺层间设置柔性层来降低加铺层的层间剪应力。