中美機(jī)場水泥混凝土道面加鋪厚度設(shè)計方法對比分析

趙鴻鐸，陳峙昂

（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實驗室，上海201804）

中美機(jī)場水泥混凝土道面加鋪厚度設(shè)計方法對比分析

趙鴻鐸，陳峙昂

（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實驗室，上海201804）

通過計算不同荷重級別的設(shè)計飛機(jī)類型（波音-737、空客-300、波音-747）、不同厚度和模量的既有道面結(jié)構(gòu)（面層、基層）、不同既有道面條件（主要狀況為輕微或嚴(yán)重?fù)p壞）、不同加鋪類型（水泥混凝土、瀝青層）等256種工況下的加鋪層厚度，對中國民航機(jī)場道面設(shè)計規(guī)范中既有水泥混凝土道面加鋪設(shè)計方法與美國聯(lián)邦航空管理局、陸軍工程兵團(tuán)、Rollings等加鋪設(shè)計方法進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，在繁重交通荷載作用下加鋪水泥混凝土?xí)r，我國民航設(shè)計方法厚度在既有水泥道面結(jié)構(gòu)較強(qiáng)計算結(jié)果相對保守；加鋪瀝青層時，在既有水泥道面結(jié)構(gòu)不強(qiáng)時計算結(jié)果較為保守，不符合經(jīng)驗預(yù)估范圍。其它工況下與其它方法厚度設(shè)計結(jié)果相差不大。

機(jī)場；水泥混凝土加鋪；瀝青層加鋪；厚度設(shè)計

據(jù)我國民航局發(fā)布的全國機(jī)場生產(chǎn)統(tǒng)計公報，截止到2014年底，我國民用機(jī)場總數(shù)達(dá)到202個 （不含港、澳、臺），這其中超過90%的跑道為水泥道面［1］。近十幾年，各大機(jī)場航空交通量顯著上升，大型飛機(jī)比例有所提高，早期修建的水泥道面的結(jié)構(gòu)性能或表面功能不能繼續(xù)滿足通航要求。既有水泥道面上加鋪水泥混凝土或瀝青層，可有效解決此問題。

至今，國外已有較多加鋪實例，國內(nèi)也已有數(shù)十條條跑道進(jìn)行了瀝青層加鋪，據(jù)我國機(jī)場道面20年的設(shè)計壽命推算，其余近1/3的跑道將在未來十年實施加鋪改造。一方面，較大應(yīng)用需求須對應(yīng)較精確、具有較強(qiáng)適應(yīng)性的道面加鋪設(shè)計方法；另一方面，道面復(fù)雜的工程與氣候條件、材料與結(jié)構(gòu)組合、荷載與交通量變異性、不同設(shè)計方法的損壞指標(biāo)差異性，勢必導(dǎo)致不同設(shè)計方法結(jié)果的差異化。因此，有必要將我國加鋪設(shè)計方法與美國先進(jìn)設(shè)計方法的厚度計算結(jié)果進(jìn)行對比，分析我國現(xiàn)有設(shè)計方法的不足、國外先進(jìn)設(shè)計方法可借鑒之處，指出我國加鋪厚度設(shè)計方法的適應(yīng)特性。

1　加鋪厚度設(shè)計（計算）方法

國內(nèi)外眾多機(jī)構(gòu)有“厚度補(bǔ)差法”和“力學(xué)-經(jīng)驗法”兩類厚度設(shè)計（計算）方法。厚度補(bǔ)差法是一種經(jīng)驗設(shè)計方法，按經(jīng)驗得出當(dāng)前設(shè)計壽命下所需面層總厚度，再扣除既有道面厚度得到加鋪厚度；力學(xué)-經(jīng)驗法通過計算荷載作用下的道面結(jié)構(gòu)響應(yīng)量，并將其與加鋪厚度、設(shè)計壽命建立某種關(guān)系，從而得到所需加鋪厚度。相關(guān)設(shè)計方法提出的年鑒如下：

1946年，美國COE在6條跑道53個試驗項目的基礎(chǔ)上，最早提出厚度補(bǔ)差法用于加鋪設(shè)計［2］。1975年，美國聯(lián)邦航空局（Federal Aviation Administration，下簡稱FAA），在資訊通告AC150/5320-6C指出，加鋪厚度采用厚度補(bǔ)差法這種經(jīng)驗法的方式，并在1995年發(fā)布6D改良版本（此方法下簡稱FAA（6D）法）進(jìn)行厚度計算［3-4］。1988年，R S Rollings等人在Design of Overlay for Rigid Airport Pavement報告中，提出基于“彈性層狀理論”的力學(xué)-經(jīng)驗法用于加鋪設(shè)計（下簡稱SCI法），以結(jié)構(gòu)條件指數(shù)（Structure Condition Index，以下簡稱SCI）作為設(shè)計指標(biāo)，利用SCI的衰減隨荷載作用次數(shù)的關(guān)系，通過SCI與道面結(jié)構(gòu)性能的對應(yīng)得到加鋪厚度［5］。1999年，我國《民用機(jī)場瀝青混凝土道面設(shè)計規(guī)范（MH 5010-1999，下簡稱MH法）》指出采用厚度補(bǔ)差法進(jìn)行瀝青混凝土加鋪設(shè)計［6］。2001年，COE發(fā)布了“統(tǒng)一設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)”（Unified Facilities Criteria，下簡稱UFC法），其中道面加鋪設(shè)計章節(jié)采用厚度補(bǔ)差法，但也將SCI法作為備選方法錄入［2］。2009年，F(xiàn)AA發(fā)布最新資訊通告（AC 150/5320-6E）中的加鋪設(shè)計方法，利用基于有限元法計算的力學(xué)-經(jīng)驗法道面結(jié)構(gòu)響應(yīng)量，求得加鋪厚度（下簡稱FAA（6E）法），其過程通過“FAARFIELD”軟件實現(xiàn)［7］。2010年，我國新出《民用機(jī)場水泥混凝土道面設(shè)計規(guī)范（MHT 5004-2010，下簡稱MH法）》，其中水泥混凝土加鋪厚度計算公式與原理完全參考厚度補(bǔ)差法，僅對部分參數(shù)采用一定的取值修正［8］。

不同設(shè)計方法的區(qū)分要素包括設(shè)計方法種類、飛機(jī)荷載處理方式、道面響應(yīng)計算理論、損壞指標(biāo)。飛機(jī)荷載處理方式包括設(shè)計飛機(jī)法和損傷疊加法。設(shè)計飛機(jī)法是將所有飛機(jī)交通量換算成設(shè)計飛機(jī)交通量進(jìn)行計算的方式；損傷疊加法是分別計算各飛機(jī)對道面的疲勞損傷并采用Miner定律進(jìn)行疊加的計算方式。目前的道面響應(yīng)計算方法包含Westergaard板邊解析理論（下簡稱Wes.）、彈性層狀理論（Layer Elastic Theory，下簡稱LET）、三維有限元方法（Three-Dimensional Finite Element Method）。各方法的要素詳見表1。

表1　不同厚度設(shè)計方法要素Tab.1　The key point of different thickness design methods

2　飛機(jī)荷載與道面結(jié)構(gòu)條件擬定

2.1飛機(jī)荷載擬定

為了使各類設(shè)計方法能夠具有相同的設(shè)計條件，須采用設(shè)計飛機(jī)法進(jìn)行對比。通過查詢上海某機(jī)場機(jī)型數(shù)據(jù)，可選用機(jī)場常用中型荷載飛機(jī)B-737和超重型荷載飛機(jī)B-747，并可限定荷載范圍；選用重型荷載飛機(jī)A300，使3種設(shè)計飛機(jī)荷載重量逐漸遞增，便于結(jié)果對比。交通量擬定采用繁重荷載，即采用換算后的各類飛機(jī)的交通量上限 （AC150-5320-6D中，B-737、A-300上限為年起飛次數(shù)25 000次，B-747年起飛次數(shù)為6 000次）。

故擬定三類設(shè)計飛機(jī)及航空交通量如表2所示。

表2　設(shè)計飛機(jī)荷載擬定示意表Tab.2　The aircraft load assumed

2.2道面結(jié)構(gòu)擬定

不同時期我國各地建設(shè)的道面結(jié)構(gòu)各不相同，為了綜合考慮強(qiáng)度不同的道面對于上述荷載的應(yīng)力響應(yīng)，應(yīng)設(shè)置多個等級的道面，通過改變基層不同的材料（級配碎石基層與水泥穩(wěn)定碎石基層作為代表）以及既有道面和基層（20，30，40 cm）的厚度即可。故擬定由弱到強(qiáng)的四種既有道面結(jié)構(gòu)，如表2～表6所示。

表3　結(jié)構(gòu)s1—較弱結(jié)構(gòu)Tab.3　Structure s1—quite weak structure

表4　結(jié)構(gòu)s2—稍弱結(jié)構(gòu)Tab.4　Structure s2—weak structure

表5　結(jié)構(gòu)s3—稍強(qiáng)結(jié)構(gòu)Tab.5　Structure s3—strong structure

表6　結(jié)構(gòu)s4—較強(qiáng)結(jié)構(gòu)Tab.6　Structure s4—quite strong structure

根據(jù)相關(guān)規(guī)范［5］，加鋪混凝土彎拉強(qiáng)度可取5.17 MPa（750psi），模量可取34 000 MPa地基反應(yīng)模量可取k=40 MN·m-3（147pci）。級配碎石厚度當(dāng)量系數(shù)可取1.0，水泥碎石厚度當(dāng)量系數(shù)可取1.4，加鋪瀝青層模量取1 379 MPa（200 000psi）。

2.3水泥混凝土加鋪條件擬定

擬定加鋪前既有道面的3種條件及其加鋪方式：

1）既有道面狀況較差，大部分板出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞，難以繼續(xù)使用。取C=0.35（厚度補(bǔ)差法公式中既有道面厚度折減系數(shù)）或SCI=55，此時宜進(jìn)行隔離式或直接式加鋪設(shè)計。

3）既有道面狀況良好，板面、板角處有初期裂縫，但處于不發(fā)展?fàn)顟B(tài)，可修復(fù)，取C=0.75或SCI=80，此時宜進(jìn)行隔離式或直接式加鋪設(shè)計。

3）既有道面狀況優(yōu)秀，道面混凝土板完整，無構(gòu)造裂縫，取C=1.00或SCI=100此時可進(jìn)行結(jié)合式加鋪設(shè)計。

上述文字部分摘自我國MH法，其中參數(shù)SCI（structure condition index，衡量既有道面結(jié)構(gòu)狀況的參數(shù)）的數(shù)值取自SCI法和FAA（6E）法的推薦取值，參數(shù)C取自厚度補(bǔ)差法公式（1）：

式中：h0——加鋪厚度；

hd——假定即有道面面層不存在時，計算所需的新道面的設(shè)計厚度；

hE——即有道面厚度；

C——舊混凝土板折減系數(shù)，按即有道面破損情況取值，見上文擬定數(shù)值；

α——加鋪瀝青層時，α=2.5（FAA6D法和我國MH法規(guī)定）或3.0（UFC法規(guī)定）；加鋪水泥板時，α=1；

r——加鋪瀝青層時，r＝1。加鋪水泥混凝土板時，新舊道面層間聯(lián)接形式采用結(jié)合式時，r＝1；采用部分結(jié)合式時，r＝1.4；采用隔離式時，r＝2。

至此，所有參數(shù)均已擬定完畢，各設(shè)計方法具有了相同或相近的設(shè)計條件，可進(jìn)行各方法的加鋪厚度計算。

3　加鋪設(shè)計各方法厚度計算結(jié)果

按上述擬定條件進(jìn)行計算，水泥混凝土加鋪設(shè)計厚度計算結(jié)果見表7，瀝青層加鋪設(shè)計厚度計算結(jié)果見表8。按不同情況分別將表中結(jié)果繪制于圖1～圖2中（對于水泥混凝土加鋪方式僅選取3張圖作為代表，便于查看差異趨勢）。

表7　水泥混凝土加鋪厚度計算結(jié)果匯總Tab.7　The cement concrete overlay thickness of different methods cm

表8　瀝青層加鋪厚度計算結(jié)果匯總Tab.8　The asphalt concrete overlay thickness of different methods cm

圖1　C=0.35或SCI=55，3種飛機(jī)荷載條件下水泥混凝土板加鋪設(shè)計厚度Fig.1　Design thickness of cement concrete overlay under three kinds of aircraft loading when C=0.35 or SCI=55

圖2　3種飛機(jī)荷載條件下的瀝青層加鋪設(shè)計厚度Fig.2　Design thickness of asphalt concrete overlay under three kinds of aircraft loading

4　加鋪設(shè)計方法分析評價

4.1水泥混凝土加鋪

由表7、圖1對比可得，美國軍方設(shè)計方法代表——COE（UFC）法的計算厚度最大，比其它方法相對保守；Rollings.改良的設(shè)計方法——SCI法的計算厚度變化范圍大，應(yīng)結(jié)合更多現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行失效指標(biāo)的標(biāo)定（即確定SCI由100降低至何值時將道面認(rèn)定失效），以此準(zhǔn)確計算所需道面厚度。

加鋪水泥混凝土板時，我國MH法（MHT 5004-2010）設(shè)計厚度相比于FAA（6D）法和FAA（6E）法較為接近，比FAA兩種方法稍厚，詳見表9。計算可得MH法平均比FAA兩種方法略厚——比FAA（6D）法厚3.2 cm（11.5%）、比FAA（6E）法厚3.4 cm（12.1%）。

考慮到FAA（6E）法是FAA在FAA（6D）法基礎(chǔ)上結(jié)合新的計算理論以及足尺試驗數(shù)據(jù)所得到［7］，可以認(rèn)為FAA（6E）法計算結(jié)果相對可靠。從較多工況下與FAA（6E）厚度結(jié)果吻合或較小偏差，可以認(rèn)為我國MH設(shè)計方法在繁重交通條件下具有較高的設(shè)計水準(zhǔn)；但是，計算結(jié)果中也包括少數(shù)差異較大的工況——如既有道面結(jié)構(gòu)取較強(qiáng)結(jié)構(gòu)時（如S4假定），此時無論交通荷載為何種飛機(jī)，我國MH法均得到較為保守的設(shè)計厚度，這不符合實際經(jīng)驗，且相比FAA（6E）法也有較大偏差。

通過板邊彎矩影響圖進(jìn)行厚度迭代計算，使計算過程十分繁瑣、耗時巨大，是我國MH法的不足之處.相比于附帶設(shè)計曲線圖的FAA（6D）法和附帶FAARFIELD計算程序的FAA（6E）法，效率較低，且易受到不同人員習(xí)慣不同導(dǎo)致的計算誤差或錯誤。可借鑒FAA（6D）法，繪制設(shè)計曲線圖，或編制計算程序，方便相關(guān)人員操作，提高效率。

從厚度計算角度看，我國MH法對加鋪方式不夠敏感:采取隔離式相比于部分結(jié)合式加鋪，平均加鋪厚度僅增加3.4 cm（12.5%）。考慮到部分結(jié)合式加鋪很難把握實際路面層間接觸方式，從而難以把握道面壽命，也易出現(xiàn)局部損壞；完全結(jié)合式加鋪的施工技術(shù)較難滿足，故本論文推薦在加鋪水泥混凝土板時使用隔離式加鋪方式。

表9　水泥混凝土加鋪MH法與FAA（6D）法、FAA（6E）加鋪厚度對比表Tab.9　The cement concrete overlay design thickness of MH，F(xiàn)AA（6D）and FAA（6E）

4.2瀝青層加鋪

由表8、圖2對比可得，加鋪瀝青層時，在繁重交通荷載條件下，各設(shè)計方法所得計算厚度較大，超出經(jīng)驗預(yù)估范圍。其原因在于厚度補(bǔ)差公式中的放大系數(shù)α（公式（1）中的α，α=2.5或3.0）；假設(shè)通過先前計算得到所需總水泥混凝土的厚度約為40 cm，扣除較強(qiáng)既有道面結(jié)構(gòu)折減后的厚度 （40 cm），可得所需加鋪水泥混凝土道面厚度最小約為10 cm。將其乘此放大系數(shù)α后，可得所需最小加鋪瀝青層厚度為25 cm，因此在既有道面結(jié)構(gòu)不夠強(qiáng)的條件下（我國各地早期建設(shè)的道面，如2.2假定），若面向未來的較繁重交通（如交通荷載較大或交通量較大，如2.1節(jié)假定）進(jìn)行加鋪設(shè)計，則會得到較大的瀝青層計算厚度，這種現(xiàn)象可稱之厚度補(bǔ)差法（經(jīng)驗法）中的“系數(shù)放大效應(yīng)”。這是我國MH法（MH 5010-1999）的不足之處.而在采用力學(xué)-經(jīng)驗法理論時（LET或3D-FEM），如FAA（6E）法則不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

與水泥混凝土加鋪設(shè)計相同，COE（UFC）法的計算厚度最大，比其它方法相對更保守；SCI法的計算厚度變化范圍大，計算厚度數(shù)據(jù)僅作對比參考.我國MH法較FAA（6D）法較為接近，但相比FAA（6E）法有一定差異，詳見表9。計算可得MH法平均比FAA（6D）法厚3.8 cm（9%）、比FAA（6E）法厚11.8 cm（31.6%）。

由擬定條件數(shù)據(jù)、厚度計算結(jié)果及上述分析可得，瀝青層加鋪設(shè)計的厚度補(bǔ)差法在繁重交通情況下難免會得到較為保守的厚度?？紤]到未來我國大多數(shù)機(jī)場會為了減少經(jīng)濟(jì)損失而采用不停航施工的方式進(jìn)行加鋪改造，即采用瀝青層加鋪方式，因此我國規(guī)范（MH 5010-1999）中瀝青層加鋪設(shè)計方法有待改良，結(jié)合足尺試驗數(shù)據(jù)及各地設(shè)計參數(shù)，更新計算理論與模型（可借鑒FAA（6E）法的三維有限元計算方式），以更好地適應(yīng)各機(jī)場加鋪需求。

5　結(jié)論

1）既有水泥混凝土道面上加鋪水泥混凝土?xí)r，我國MH法（MH5004-2010）的厚度計算結(jié)果具有繁重交通條件下的較高設(shè)計水準(zhǔn)，其設(shè)計厚度比FAA（6D）法和FAA（6E）法稍厚，平均比FAA（6D）法厚3.2 cm （11.5%）、比FAA（6E）法厚3.4 cm（12.1%）；

表10　瀝青層加鋪MH法與FAA（6D）法、FAA（6E）加鋪厚度對比表Tab.10　The asphalt concrete overlay design thickness of MH，F(xiàn)AA（6D）and FAA（6E）

2）既有水泥混凝土道面上加鋪水泥混凝土?xí)r，我國MH法（MH5004-2010）采用板邊彎矩影響圖進(jìn)行厚度迭代計算，使計算過程十分繁瑣、耗時巨大，可借鑒FAA設(shè)計方法，繪制設(shè)計曲線圖或編制計算程序，方便設(shè)計人員操作，提高效率；

3）既有水泥混凝土道面上加鋪水泥混凝土?xí)r，從設(shè)計方法的厚度計算角度推薦采用隔離式加鋪方式；

4）既有水泥混凝土道面上加鋪瀝青層時，我國MH（MH 5010-1999）法平均比FAA（6D）法厚3.8cm （9%）、比FAA（6E）法厚11.8 cm（31.6%）。由于厚度補(bǔ)差法的“系數(shù)放大效應(yīng)”，我國各地早期建設(shè)的道面若采用MH法（MH 5010-1999）進(jìn)行設(shè)計，則面向未來的繁重交通條件，則往往會得到較大的瀝青層設(shè)計厚度，超出經(jīng)驗預(yù)估范圍；

5）我國民航現(xiàn)行機(jī)場道面加鋪設(shè)計方法改良可行方向：對于水泥混凝土加鋪設(shè)計方法，可借鑒FAA （6D）法，繪制設(shè)計曲線圖或編制計算程序，方便相關(guān)人員操作，提高效率；對于瀝青層加鋪設(shè)計方法，需重新研究計算理論與結(jié)構(gòu)模型（可借鑒FAA（6E）法的三維有限元計算方式），結(jié)合我國各地民航機(jī)場設(shè)計參數(shù)，進(jìn)行室內(nèi)外足尺試驗并驗證，以適應(yīng)各機(jī)場加鋪需求。

［1］中國民用航空局.全國機(jī)場生產(chǎn)統(tǒng)計公報［EB/OL］.Http://www.caac.gov.cn/H1/H2/，2015.

［2］Unified Facilities Criteria.Pavement Design for Airfields（UFC 3-260-02）［S］.Washington DC：U S Army Corps of Engineers，2001.

［3］Advisory Circular（AC 150/5320-6C）.Airport Pavement Design and Evaluation［S］.Washington DC：Federal Aviation Administration，1978.

［4］Advisory Circular（AC 150/5320-6D）.Airport Pave-ment Design and Evaluation［S］.Washington DC:Federal Aviation Administration，1995.

［5］Rollings R S.Design of overlays for rigid airport pavements［R］.Washington DC：Federal Aviation Administration，1988.

［6］MH 5010-1999.民用機(jī)場瀝青混凝土道面設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國民用航空總局，2000.

［7］Advisory Circular（AC 150/5320-6E）.Airport Pavement Design and Evaluation［S］.Washington DC：Federal Aviation Administration，2009.

［8］MH5004-2010.民用機(jī)場水泥混凝土道面設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國民用航空總局，2010.

（責(zé)任編輯王建華）

Comparative Analysis of Overlay Thickness Design for Sino-American Airport Cement Concrete Pavement

Zhao Hongduo，Chen Zhi’ang
（Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804）

For overlay design of airport pavement，this paper compares and analyzes methods of overlay thickness design between Civil Aviation Administration of China（CAAC）and the U.S.A Corps of Engineers，the U.S.A Federal Aviation Administration（etc.）by calculating thickness value of overlay under more than 256 working conditions，including different designing aircraft（Boeing-737，Airbus-300 and Boeing-747），different existing pavement conditions（mainly slight，or serious damage），different overlay types（cement concrete or asphalt concrete）.Results show that value for cement concrete overlay calculated by CAAC is a little more conservative when existing pavement is strong.However，for asphalt concrete overlay，CAAC’s value is apparently conservative and not in correspondence with the experience estimates when existing pavement is not strong enough.No apparent thickness values in different overlay thickness designs can be figured out under the other conditions.

airport；cement concrete overlay；asphalt concrete overlay；thickness design

U416.224

A

1005-0523（2016）04-0010-06

2016－04－05

國家自然科學(xué)基金項目（U1433201）

趙鴻鐸（1976—），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為道路與機(jī)場工程。

陳峙昂（1992—），男，在讀碩士研究生，研究方向為機(jī)場復(fù)合道面結(jié)構(gòu)行為與應(yīng)用。