多次加鋪的機場道面結構合理性分析方法研究

羅 勇，閆啟琨

（上海民航新時代機場設計研究院有限公司，上海 200335）

為了應對快速增長的航空交通量，提高跑道結構承載能力和使用性能，延長跑道使用壽命，中國很多繁忙機場自20世紀90年代以來相繼對跑道進行了瀝青混凝土面層加鋪。通常瀝青混凝土加鋪的設計使用壽命在10年左右，待達到使用壽命后需再次進行改造。中國部分機場跑道已經歷過數次加鋪，以虹橋機場東跑道為例，已分別在1991年、1998年、2005年和2011年進行了4次加鋪。因此，跑道多次加鋪將是中國繁忙機場未來十余年將陸續(xù)面臨的問題。

中國針對機場道面柔性加鋪頒布過相應設計規(guī)范，由于機場柔性道面應用較少，設計規(guī)范并不完善，在實際設計過程當中大多是依據經驗和國外的一些設計方法。國際上機場道面加鋪結構設計一般有3種方法：有效厚度法、撓度法和力學-經驗法。加鋪層設計最常用的方法是有效厚度法，美國工程兵團提出了在原有剛性道面上鋪設瀝青或柔性加鋪層的經驗公式。國外機場道面加鋪層結構設計方法以美國FAA最為典型。FAA加鋪層設計方法經歷了一個由有效厚度法→彈性層狀體系法→有限元方法的發(fā)展歷程[1]。隨著諸如B777和A380等大型寬體飛機的出現，由于其新型的起落架構形和輪胎布置形式，當采用傳統的FAA設計方法確定道面結構厚度時，所得到的厚度值往往過于保守。因此，FAA提出了一種新的道面結構分析方法——彈性層狀體系法[2]。

機場道面多次重復加鋪與第一次加鋪有顯著的差別，主要體現在以下幾個方面。

1）不停航施工難度大。多次加鋪的機場多為最繁忙機場，不僅無法關閉跑道停航施工，且夜間允許施工時間短，一般僅有5～6 h。對改造方案的選擇及施工都帶來很大的限制。

2）多次加鋪后瀝青面層厚度大，道面在使用過程中易出現輪轍病害。

3）既有加鋪層道面材料性能衰減嚴重，受不停航施工影響難以完全銑刨，既有瀝青混凝土層的再利用成為難題。

由于中國相關規(guī)范并不完善，未針對道面多次加鋪制定相應的設計方法，只能憑借經驗或借鑒國外設計方法。設計得到的道面結構是否合理更無從評價。

本文以虹橋機場東跑道第4次加鋪工程為例，分別從瀝青層疲勞開裂控制、水泥板疲勞開裂控制和輪轍控制3方面，探討多次加鋪道面結構設計方案的合理性。依據設計，虹橋機場第4次加鋪采用中厚層加鋪形式，設計使用壽命為10年，加鋪厚度分別取10 cm、12 cm和14 cm，通過結構合理性分析，以最終確定加鋪層厚度。道面結構示意圖如圖1所示。

圖1 道面結構示意圖Fig.1 Pavement structure diagram

1 道面合理性評價思路

根據多次加鋪道面的特點，本文認為有必要從以下3個方面來評價道面結構方案的合理性。

1.1 瀝青加鋪層疲勞開裂控制

通常情況下，柔性道面或“白+黑”道面結構設計中，瀝青面層的拉應力可不作為控制指標。但是，一方面考慮到多次加鋪后道面瀝青加鋪層厚度較大，另一方面考慮到既有瀝青面層材料的性能較差，抗彎拉強度較低。因此，有必要對設計方案中加鋪層底部最大拉應力的位置以及拉應力大小進行理論計算，在此基礎上進行瀝青加鋪層疲勞開裂的校核。

1.2 水泥板疲勞開裂控制

根據道面結構設計理論，對于“白+黑”復合道面結構，道面的荷載擴散作用主要還是由復合道面中的水泥混凝土板塊承擔，即水泥混凝土板塊是道面結構中的主要承重結構層。而對于多次加鋪的道面，通常其使用年限已大大超過了水泥混凝土板塊的設計使用壽命，材料性能衰減嚴重。因此，有必要對飛機輪載作用下水泥混凝土板塊是否會出現疲勞開裂來進行校核。

1.3 輪轍控制

以虹橋機場東跑道為例，經過4次加鋪后，上面層瀝青混凝土層平均厚度為37 cm，最厚處超過50 cm。如此厚的瀝青混凝土面層在重型飛機高頻率持續(xù)作用下出現輪轍病害的概率很大，而輪轍病害一旦出現很難處治，因此在加鋪設計中會重點考慮輪轍的防止問題。

國內外并無機場新建或加鋪瀝青道面的輪轍控制標準。但從道面使用角度對瀝青道面輪轍病害作出的相關規(guī)定，主要有以下幾點。

1）《民用機場飛行區(qū)場地維護手冊》、《民用機場運行安全管理規(guī)定》規(guī)定，“瀝青混凝土道面必須完整、平理、3 m范圍內的高低差不得大于15 mm”；

2）《民用機場道面評價管理技術規(guī)范》、美國ASTM規(guī)定，瀝青混凝土道面輪轍當用3 m直尺測試間隙為6 mm～13 mm時，屬于輕微損壞，小于6 mm不屬于病害。

根據以上規(guī)定，本次虹橋機場加鋪設計中的輪轍控制標準確定為：設計年限內預計航空交通量作用下加鋪層輪轍總量不大于5 mm。

道面結構合理性分析技術流程如圖2所示。

圖2 道面結構合理性分析技術流程圖Fig.2 Technical flow chart of pavement structure rationality analysis

2 瀝青面層疲勞開裂控制

瀝青面層疲勞開裂控制的評價首先采用有限元軟件，計算設計機型作用下道面瀝青面層內的荷載應力。有限元模型采用K地基模型理論，模型參數設置如下。

2.1 道面結構參數

上面層為瀝青混凝土，分為4層，分別是1991年、1998年、2005年和2011年加鋪層；下面層為水泥混凝土道面。各結構層的詳細參數如表1所示。

表1 道面結構層參數Tab.1 Parameters of pavement structure layers

2.2 荷載參數

計算模型荷載采用B747-400飛機主起落架荷載。飛機起落架構型示意圖如圖3所示[3]，B747-400主起落架荷載參數如表2所示。

圖3 B747-400機型起落架構型示意圖Fig.3 B747-400 aircraft landing gear configuration diagram

表2 飛機荷載參數Tab.2 Parameters of aircraft load

2.3 有限元模型

有限元模型示意圖如圖4所示。通過將荷載加載到道面有限元模型當中，計算得到各種工況條件下瀝青加鋪層的最大彎拉應力。

圖4 有限元模型示意圖Fig.4 Finite element model diagram

圖5 瀝青面層最大拉應力計算云圖Fig.5 Cloud chart of asphalt surface maximum tensile stress

分別針對加鋪厚度10 cm、12 cm和14 cm，計算得到瀝青面層最大拉應力，結果如表3所示。

表3 不同加鋪厚度的瀝青面層最大拉應力Tab.3 Maximum tensile stress of asphalt surface under different overlay thickness

通過分析可以得出以下結論：

1）加鋪層內的最大水平拉應力隨深度的增加迅速減小。當深度大于5 cm時，最大水平拉應力普遍小于0.1 MPa，當深度大于10 cm時，最大水平拉應力普遍小于0.05 MPa，屬于較低水平；

2）瀝青面層最大拉應力出現在道面上面層，這是道面結構受力的有利模式。因為道面上面層都是新加鋪/新建道面，瀝青混凝土性能好，有利于承受拉應力。

3）輪載作用部位瀝青層底為壓應力，這也是有利的受力模式。通常在輪載作用區(qū)域為最不利部位，是道面最大拉應力最可能出現的位置。

4）隨著加鋪層厚度增大，瀝青層受到的最大拉應力變大，雖然10 cm、12 cm、14 cm三種加鋪厚度下拉應力級位都較小，但加鋪厚度為14 cm時，瀝青層最大拉應力比加鋪層厚度為10 cm時增大約45%，而12 cm和10 cm兩種厚度對應的最大拉應力相差較小。

瀝青面層最大拉應力遠小于瀝青混凝土材料的彎拉強度，因此三種加鋪厚度都能滿足加鋪設計使用壽命的要求。從最大拉應力來看，加鋪厚度為10 cm和12 cm時瀝青面層受力較為有利。

3 水泥板疲勞開裂控制

水泥板疲勞開裂控制的分析方法與瀝青面層疲勞開裂控制方法相似。首先采用有限元軟件，計算設計機型作用下水泥板內的荷載應力。模型與第3節(jié)相同，計算得到不同工況條件下水泥板內最大彎拉應力，如表4所示。其中σe為有限元直接計算得到的最大彎拉應力，σp為計算應力，是考慮接縫傳荷能力的應力折減作用計算得到的。兩者關系如式1所示?？梢钥闯?，隨著瀝青加鋪層厚度增大，水泥板塊受到的最大拉應力減小。這是因為較厚的瀝青層對水泥板起到了更好的保護作用。

式中：σp為板邊計算應力 （MPa）；σe為板邊應力（MPa）；LT為應力折減率，一般取0.25。

表4 不同加鋪厚度的水泥板最大拉應力Tab.4 Maximum tensile stress of concrete surface under different overlay thickness

依據水泥混凝土材料疲勞方程式（2）[4]，可以得到不同加鋪厚度對應的使用壽命。其中fcm=5.0 MPa，將σp代入式中的frm，求得Ne。Ne即為道面剩余累積作用次數，依據《民用機場道面評價管理技術規(guī)范》（MH/T5024－2009）[5]，通過對航空交通量的預測，可以將Ne反算得到道面使用壽命。

計算結果表明，三種加鋪厚度對應的道面使用壽命都大于10年。

4 輪轍控制

2000年，Kaloush和Witczak利用大量的重復荷載永久變形試驗和1989年Leahy，R.B.的原始試驗數據，回歸了以下方程，由于應用效果較好，現已被AASHTO2002設計指南采用。本文對跑道道面的輪轍預估即采用該方法[6－9]。

式中：A= －3.74938；B=2.02755；C=0.4626；εp為荷載重復作用N次產生的累積塑性應變；εr為瀝青材料的彈性應變；T為道面溫度；N為荷載重復作用次數。

計算得到各瀝青亞層的塑性應變εp后，再用下式得到總輪轍量。

式中：RD為輪轍變形量；εpi為荷載重復作用N次在第i亞層產生的累積塑性應變；hi為第i亞層厚度。

依據上述公式中，要計算得到設計使用年限內道面的累計輪轍量，首先是計算各亞層彈性應變εr，代入式（3）中，即可以計算得到N次作用后的各亞層累積塑性應變εp，再將各亞層累積塑性應變εp代入式（4）中，計算得到整個道面厚度內累計輪轍量。

在計算過程中需要注意以下幾點：

1）計算參數εr采用有限元軟件通過數值模擬得到，數值模型與第3節(jié)相同。

2）在式（3）所示的輪轍預估方程中，道面溫度是一個重要的參數。由于不同季節(jié)道面溫度相差很大，會對輪轍預估產生明顯影響。因此，本文將一年劃分為12個月，按月計算累計輪轍量，再累加得到整年的輪轍量。計算時將年航空交通量按12個月平均分配。

在分析道面溫度時，本文依據孫立軍等[10]對瀝青路面內溫度分布的研究成果，分別應用式（5）和式（6）計算道面瀝青層內部不同深度的最高溫度和最低溫度，再取其平均值，得到瀝青層各深度的平均溫度。

式中：Tpmax為道面某深度日最高溫度（℃）；Tamax為日最高溫度（℃）；H為道面深度（cm）；Tm為歷年月平均氣溫（℃）；m1～ m7為回歸系數。

式中：Tpmin為道面某深度日最低溫度（℃）；Tamin為日最低溫度（℃）；H為道面深度（cm）；Tm為歷年月平均氣溫（℃）；n1～n7為回歸系數。

式（5）和式（6）中的回歸系數m和n分別見表5和表6。

表5 式（3）中的回歸系數Tab.5 Regression coefficient in formula（3）

表6 式（4）中的回歸系數Tab.6 Regression coefficient in formula（4）

針對虹橋機場加鋪設計方案，依據上述方法，采用B747－400為評價機型，分別選取8、10、12和15年共4種評價年限，計算了加鋪厚度分別為10、12和14 cm的輪轍量預估結果，如表7所示。從計算結果可以看出，按最大輪轍量5 mm為控制標準，設計使用壽命取10年，加鋪層厚度宜為12 cm。

表7 加鋪層輪轍量預估結果Tab.7 Expected results of overlay rut （mm）

5 結語

1）基于瀝青面層疲勞開裂控制、水泥板疲勞開裂控制和輪轍控制為指標，提出了機場道面多次加鋪的道面結構合理性評價方法。

2）針對多次加鋪復合道面的既有瀝青面層和水泥板材料性能嚴重老化的特點，提出了瀝青面層和水泥板應力計算方法及疲勞開裂控制的評價方法。

3）依據國內外對道面輪轍的相關規(guī)定，首次提出了新建道面結構設計時的輪轍控制標準，為5 mm。

4）以有限元軟件為分析平臺，借鑒Kaloush和Witczak輪轍預估模型及孫立軍對瀝青道面溫度場研究成果，提出了新建瀝青道面的輪轍預估方法。

5）以虹橋機場東跑道第4次加鋪為例，通過對設計結構的合理性分析，認為加鋪厚度12 cm最佳。

[1] Unified Facilities Criteria（UFC）.Pavement Design for Airfields（UFC 3－260－02）.US Army Corps of Engineers （Preparing Activity），Naval Facilities Engineering Command，Air Force Civil Engineer Support Agency[P].2001，6.

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[4]MH/J5004－95，民用航空運輸機場水泥道面設計規(guī)范[S].北京：中國民用航空局，1995.

[5]MH/T5024－2009，民用機場道面評價管理技術規(guī)范[S].北京：中國民用航空局，2009.

[6]劉 松.機場道面瀝青混凝土加鋪層輪轍預估方法[J].城市建設理論研究，2011，12（1）：58－60.

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[10] 孫立軍.瀝青路面結構行為理論[M].北京：人民交通出版社，2005.