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

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。