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      基于動(dòng)載系數(shù)的機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面剩余壽命研究

      2021-05-14 07:59:24朱杰濤
      現(xiàn)代鹽化工 2021年2期
      關(guān)鍵詞:水泥板道面劣化

      朱杰濤

      (濱州學(xué)院,山東 濱州 256601)

      機(jī)場(chǎng)道面剩余壽命預(yù)估是道面評(píng)價(jià)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(jī)場(chǎng)復(fù)合道面剩余壽命預(yù)估還相對(duì)欠缺,目前,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。周正峰等[1]應(yīng)用多種方法對(duì)機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面剩余壽命進(jìn)行預(yù)估,并對(duì)結(jié)果的實(shí)用性進(jìn)行分析。蔡良才等[2]基于累計(jì)損傷的機(jī)場(chǎng)道面剩余壽命預(yù)測(cè)模型,通過與機(jī)場(chǎng)實(shí)際道面對(duì)比來驗(yàn)證正確性。凌建明等[3]研究機(jī)場(chǎng)瀝青道面剩余壽命預(yù)測(cè)方法,并用實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。在公路方面,秦昊等[4]先分析不平整道面的動(dòng)載系數(shù),然后求解瀝青道面剩余壽命。張敏霞等[5]對(duì)水泥道面進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn),預(yù)估疲勞壽命及分析影響因素。史軍強(qiáng)[6]以層間接觸狀態(tài)對(duì)公路道面疲勞壽命進(jìn)行分析。

      1 基于動(dòng)載系數(shù)的復(fù)合道面剩余壽命求解

      1.1 動(dòng)載系數(shù)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(jī)場(chǎng)復(fù)合道面動(dòng)載系數(shù)得到:整體動(dòng)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(shì);隨著IRI增大而增大,當(dāng)IRI不超過6時(shí),道面整體劣化程度對(duì)動(dòng)載系數(shù)影響較小(1.02~1.19),實(shí)地調(diào)查道面劣化程度遠(yuǎn)大于規(guī)范要求,所以,分別計(jì)算IRI為20、30、40的動(dòng)載系數(shù)的最大值為1.8、2.4、2.7。在局部劣化條件下,計(jì)算飛機(jī)經(jīng)過坑槽時(shí)產(chǎn)生的最大動(dòng)載系數(shù)得出:滑行速度低于10 m/s,動(dòng)載系數(shù)為1.0~1.6;速度在10~25 m/s時(shí),系數(shù)為1.3~2.4,局部劣化對(duì)動(dòng)載系數(shù)產(chǎn)生的影響要遠(yuǎn)大于整體劣化。動(dòng)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(jì)壽命為15年以上,實(shí)際使用壽命為7年左右,因此,研究動(dòng)載系數(shù)對(duì)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(shí)際情況動(dòng)載系數(shù)取值為1.1~1.6。以上海虹橋機(jī)場(chǎng)為例,參照[8]選用B777-200作為換算機(jī)型,得到設(shè)計(jì)機(jī)型年運(yùn)行次數(shù)為34 146次,對(duì)動(dòng)載系數(shù)作用下機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面剩余壽命進(jìn)行預(yù)估。

      1.2 機(jī)型及道面結(jié)構(gòu)

      本研究選取多次加鋪的上海虹橋機(jī)場(chǎng)作為研究對(duì)象,參考相關(guān)資料及實(shí)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(jī)起落架構(gòu)型與幾何尺寸

      1.3 預(yù)估方法

      對(duì)于多次加鋪的道面,進(jìn)行傳統(tǒng)復(fù)合道面設(shè)計(jì)時(shí),大多根據(jù)彈性層狀體系,假設(shè)各結(jié)構(gòu)間是一個(gè)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(shí)產(chǎn)生的動(dòng)荷載,所以,道面的設(shè)計(jì)壽命遠(yuǎn)大于使用壽命。傳統(tǒng)預(yù)測(cè)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(duì)復(fù)合道面疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算,對(duì)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(xiǎn)的點(diǎn)進(jìn)行剩余壽命預(yù)估,在改進(jìn)劣化條件下對(duì)復(fù)合道面剩余壽命進(jìn)行預(yù)估。

      對(duì)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(shí)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(jì)算各類機(jī)型作用下的年累計(jì)疲勞損傷率之和D,其中,ni表示第i類飛機(jī)年預(yù)計(jì)作用次數(shù)。道面的剩余使用年限y=1/D。

      對(duì)水泥砼疲勞壽命的計(jì)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(jī)輪作用處50%水泥板開裂時(shí)累計(jì)作用次數(shù);MR為水泥板設(shè)計(jì)強(qiáng)度,取5.2 MPa;σ為水泥板底最大拉應(yīng)力,MPa。

      計(jì)算道面剩余使用年限為:

      式中:Ne為評(píng)價(jià)機(jī)型剩余累計(jì)作用次數(shù);Ns為評(píng)價(jià)機(jī)型的年當(dāng)量運(yùn)行次數(shù);T為通行寬度,跑道取11.4 m;nw為一個(gè)主起落架的輪子數(shù),個(gè);Wt為輪印寬度,cm。

      1.4 預(yù)估結(jié)果

      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(duì)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(jī)場(chǎng)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(jī)場(chǎng)剩余壽命預(yù)估

      對(duì)比以上結(jié)果,在動(dòng)載系數(shù)不超過1.2時(shí),水泥砼板的剩余壽命大于瀝青面層;在動(dòng)載系數(shù)不小于1.3時(shí),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(duì)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(duì)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(jì)算結(jié)果與實(shí)際道面實(shí)際情況具有一定的差距,但整體趨勢(shì)相同,同樣具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。

      2 結(jié)語

      (1)道面平整度劣化是導(dǎo)致機(jī)場(chǎng)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(dòng)載系數(shù)逐漸減小,當(dāng)動(dòng)載系數(shù)為1.3時(shí),剩余壽命降幅很大,大于等于1.6時(shí)趨于0。

      (3)兩種不同的評(píng)估方法由于評(píng)估模型選取指標(biāo)不同,結(jié)果具有差異性。

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