機場瀝青加鋪道面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的發(fā)展與展望

文 | 劉若琪 陳金章 國 洋

導(dǎo)語：

近年來，我國的機場建設(shè)方興未艾。據(jù)悉，到2020年全國運輸機場的總數(shù)將達到260個。在已建成的機場中，絕大部分采用了水泥混凝土跑道的設(shè)計方案。但是隨著航空量和重載飛機數(shù)量的增長，越來越多的水泥混凝土道面不僅沒能體現(xiàn)出優(yōu)良的性能，反而表現(xiàn)出維修養(yǎng)護困難等缺點。

一些研究和實踐證明，白改黑加鋪方案是滿足機場不停航要求下的最佳解決方案。

01 引言

機場由平行滑行道、聯(lián)絡(luò)道、跑道等部分組成，其中供飛機起飛、著陸、滑行及維修、停放的坪道，應(yīng)具有一定的強度、平坦度、粗糙度和穩(wěn)定性，以保證飛機起降的安全[1]。截至2015年底，我國民用機場數(shù)量已經(jīng)超過200個，其中95%的新建、改建及老機場跑道采用強度高、穩(wěn)定性好、耐久性好、有利于夜間及不良天氣狀況起降的水泥混凝土道面。

隨著航空量的增長和重載飛機的出現(xiàn)，越來越多的水泥混凝土道面不僅沒能體現(xiàn)出優(yōu)良的性能，反而出現(xiàn)維修養(yǎng)護困難等缺點，已不能滿足民航飛行要求。實踐證明，白改黑加鋪方案是滿足不停航要求下的最佳解決方案。本文通過調(diào)研大量國內(nèi)外相關(guān)研究資料，對目前國內(nèi)外機場瀝青道面結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法進行總結(jié)和評述，并結(jié)合中國現(xiàn)有民用機場瀝青道面設(shè)計，詳細地分析各種設(shè)計理論和規(guī)范指標(biāo)，對現(xiàn)有設(shè)計方法中存在的問題進行探討。

02 設(shè)計方法現(xiàn)狀

國際上瀝青混凝土加鋪層的設(shè)計方法有很多，包括美國陸軍工程兵在設(shè)計時采用的CBR法、美國地瀝青學(xué)會（AI）出版的適用于運輸機的機場全厚度瀝青道面設(shè)計規(guī)范、美國聯(lián)邦航空局基于CBR法提出的FAA法[2]。以上方法都為經(jīng)驗法，其他還有基于彈性層狀體系和數(shù)值分析等方法，形成的力學(xué)-經(jīng)驗法。隨著高速計算機的發(fā)展，越來越多的學(xué)者將有限元法應(yīng)用到機場道面的設(shè)計中。中國現(xiàn)行的機場瀝青道面設(shè)計規(guī)范是按照美國機場瀝青道面經(jīng)驗設(shè)計法的框架，并借鑒日本機場和中國道路的設(shè)計方法及經(jīng)驗積累完成的，缺乏大的足尺試驗和深入的理論分析，并且在機場瀝青道面的修筑和使用等方面缺乏工程經(jīng)驗的有效指導(dǎo)。根據(jù)中國機場道面的實際情況，加鋪結(jié)構(gòu)存在輪轍、裂縫、推移等病害問題（圖1），阻礙了我國機場瀝青道面結(jié)構(gòu)的設(shè)計與應(yīng)用。

圖1 機場跑道病害

機場道面結(jié)構(gòu)設(shè)計目前仍然存在很多問題，缺乏科學(xué)的設(shè)計控制指標(biāo)和參數(shù)以及完整的設(shè)計方法體系。

03 設(shè)計方法

國際上民用機場瀝青混凝土道面的設(shè)計方法可分為經(jīng)驗法和力學(xué)-經(jīng)驗法，具體的瀝青道面設(shè)計方法見圖2[3]。

經(jīng)驗 法

經(jīng)驗法主要通過對試驗路的連續(xù)觀測、試驗或借鑒道路的修筑經(jīng)驗，建立道面結(jié)構(gòu)、荷載軸載及路面性能三者間的經(jīng)驗關(guān)系。國際上設(shè)計瀝青道面采用的經(jīng)驗法主要以CBR法為代表，該方法是以CBR值作為路基土和路面材料（主要是粒料）的參數(shù)性能指標(biāo)，以土基的抗剪強度作為設(shè)計指標(biāo)，控制土基變形以及道面輪轍等損壞模式。通過足尺試驗或現(xiàn)有道面的調(diào)查，建立起“CBR-輪載作用次數(shù)-路面結(jié)構(gòu)層厚度”三者的經(jīng)驗關(guān)系。利用不同飛機起落架構(gòu)型的關(guān)系曲線，按當(dāng)量飛機年作用次數(shù)和土基的CBR值，確定道面的總厚度及其結(jié)構(gòu)層的厚度[4]。機場瀝青混凝土道面經(jīng)驗法設(shè)計流程如圖3所示。

力學(xué) -經(jīng)驗法

圖2 瀝青道面設(shè)計方法

力學(xué)-經(jīng)驗法主要是以彈性層狀體系理論作為理論模型。在該理論模型中，主要的設(shè)計參數(shù)為泊松比和彈性模量，而主要的設(shè)計控制指標(biāo)為瀝青層底面的水平拉應(yīng)變和土基頂面的豎向壓應(yīng)變，分別控制土基的永久變形和瀝青混凝土的疲勞開裂。機場瀝青混凝土道面力學(xué)-經(jīng)驗法設(shè)計流程見圖4。隨著當(dāng)前道面設(shè)計技術(shù)的進一步發(fā)展，試驗與有限元分析相結(jié)合的方法開始應(yīng)用于機場瀝青混凝土道面的設(shè)計，也取得了良好的使用效果。在該方法中，將道面結(jié)構(gòu)離散成許多小單元，通過數(shù)值模擬計算求解傳統(tǒng)彈性層狀體系方法無法考慮的材料非線性、幾何非線形等復(fù)雜特性，這是有限元分析的主要思想[5]。

兩種設(shè)計方法的對比

圖3 機場瀝青混凝土道面經(jīng)驗法設(shè)計流程

圖4 機場瀝青混凝土道面力學(xué)-經(jīng)驗法設(shè)計流程

經(jīng)驗法的設(shè)計理論與技術(shù)已經(jīng)相對成熟，而且無需設(shè)計過多的參數(shù)，是國外機場瀝青道面設(shè)計中采用最多的方法；但經(jīng)驗法依靠足尺試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，存在局限性。CBR設(shè)計方法是公路道面設(shè)計結(jié)合試驗研究，然后改進成為適合飛機交通荷載和機輪構(gòu)型的機場道面設(shè)計方法。但是，由于環(huán)境的差異，加之飛機荷載變化和機型的快速發(fā)展、新材料的不斷使用，基礎(chǔ)試驗之外的數(shù)據(jù)需通過外延等手段獲得，經(jīng)驗法結(jié)論的代表性與可靠性受到質(zhì)疑。此外，CBR值主要表征土基的抗剪強度，隨著飛機荷載軸重和次數(shù)的攀升，經(jīng)驗法主要反映的道面土基破壞的單一損壞模式，并不能確保道面的疲勞開裂、溫度開裂以及道面結(jié)構(gòu)的其他損壞，不足之處開始顯現(xiàn)。傳統(tǒng)的力學(xué)-經(jīng)驗法能夠表征由于荷載和溫度變化引起的結(jié)構(gòu)層疲勞開裂，并計算基層穩(wěn)定材料的厚度，能夠彌補CBR經(jīng)驗法的不足[6-7]。

04 國內(nèi)外設(shè)計方法評析

機場道面設(shè)計方法是一個復(fù)雜的系統(tǒng)理論，國內(nèi)外機場道面研究人員其進行了長期研究，積累了大量的試驗數(shù)據(jù)資料，并取得了較豐富的研究成果。通過調(diào)研國內(nèi)外有代表性的機場道面設(shè)計方法，可知各個國家或地方針對本區(qū)域的氣候地質(zhì)條件、工程建設(shè)特點、交通荷載情況、瀝青道面結(jié)構(gòu)組合以及道面材料類型，進行了大的室內(nèi)足尺試驗和現(xiàn)場測試，建立了具有自身特色的道面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。

混合交通組成

由于不同機型飛機起落架幾何構(gòu)型差異較大，對道面的力學(xué)作用也不盡相同，機場道面設(shè)計時需要考慮混合交通和不同起落架構(gòu)型的影響。表1列出了幾個國家機場的混合交通考慮方式。

考慮混合機型交通組合，是根據(jù)各種飛機機型及不同類型的起落架在道面上產(chǎn)生的疲勞等效原則，將各種機型的實際運行架次轉(zhuǎn)換成設(shè)計飛機的當(dāng)量年作用次數(shù)。道面結(jié)構(gòu)是一種多層體系，各結(jié)構(gòu)層具有不同的材料和力學(xué)特性，起落架荷載對道面各結(jié)構(gòu)層會產(chǎn)生不同的疲勞效應(yīng)，道面加鋪層受起落架產(chǎn)生的荷載疊加疲勞效應(yīng)十分明顯。采用單一轉(zhuǎn)換系數(shù)不能完全反映道面實際，應(yīng)充分考慮多個主起落架之間的相互作用?；诶鄯e損傷原理的新方法（CDF）是以 Miner 定律為理論基礎(chǔ)，將不同飛機荷載對道面產(chǎn)生的疲勞損傷進行線性疊加，以累積的疲勞損傷程度（CDF是否等于1）來判定道面是否達到疲勞損壞狀態(tài)，這種設(shè)計方法不僅避免了不同飛機與設(shè)計飛機之間的換算，而且可以考慮材料參數(shù)隨時間的衰變規(guī)律，因而與傳統(tǒng)的設(shè)計飛機法相比更加準(zhǔn)確合理。

多輪起落架荷載

各種飛機的主起落架通常由多個機輪組成，多輪荷載對道面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的力學(xué)響應(yīng)量與單輪荷載有較大差別，設(shè)計時需考慮多輪荷載的當(dāng)量單輪化。單軸單輪、單軸雙輪、雙軸雙輪、雙軸單輪、三軸雙輪及復(fù)合型等構(gòu)型是現(xiàn)有常用的主起落架構(gòu)型，B737-200、B747-400、B777-200LR主起落架構(gòu)型如圖5所示。我國機場瀝青道面設(shè)計規(guī)范中均采用土基頂面的彎沉等效原則，將多輪荷載轉(zhuǎn)換成當(dāng)量單輪荷載。多輪荷載當(dāng)量單輪化是假定當(dāng)量單輪與多輪裝置所有機輪具有相同的接觸面積，在到達道面結(jié)構(gòu)一定深度處兩者產(chǎn)生等效的力學(xué)響應(yīng)量。許多設(shè)計方法都是基于土基頂面彎沉等效的原則將多輪荷載當(dāng)量單輪化；然而由大量試驗觀測分析可知，隨著離輪子中心線距離的增加，土基頂面彎沉的衰減速率比土基頂面豎直應(yīng)力、豎直應(yīng)變和剪應(yīng)力的慢，因此基于彎沉等效進行計算就夸大了輪子之間荷載相互影響對道面結(jié)構(gòu)造成的損壞。另外，道面結(jié)構(gòu)的損壞（開裂和車轍等）主要是由應(yīng)力和應(yīng)變控制的，而不能僅通過彎沉來表征。因此，根據(jù)實踐分析該種理論仍有不足，需要在實踐中不斷地完善。

輪跡橫向分布

在實際情況下，當(dāng)飛機在機場道面上運行時，其中心線與跑道或者滑行道中心線有一定的橫向偏離，而機場道面橫斷面上各點實際受到的輪荷重復(fù)作用次數(shù)并不等于設(shè)計飛機的實際運行次數(shù)。因此，在對機場瀝青混凝土道面的實際設(shè)計中需要對飛機輪載的輪跡橫向作用分布進行仔細考慮，從而取得更加經(jīng)濟、科學(xué)、合理的道面設(shè)計厚度。

表1 機場混合交通組成對比分析

圖5 常用飛機起落架構(gòu)型

環(huán)境氣候因素

機場道面大多直接暴露在大氣環(huán)境之下，環(huán)境中的干濕、冷熱和凍融都對道面產(chǎn)生一定的作用，因此道面設(shè)計中需考慮周圍環(huán)境因素的影響。許多機場的道面設(shè)計考慮了凍融深度的影響，明確最小防凍厚度，但實際情況表明，高溫多雨地區(qū)的輪轍病害非常嚴重，因此降雨、濕度、高溫等條件的影響亦不可忽視，還需要在未來的設(shè)計實踐中不斷完善。

05 展望

（1）目前機場道面設(shè)計方法主要分為經(jīng)驗法和經(jīng)驗-力學(xué)法，兩者相比，經(jīng)驗-力學(xué)法更適于實際應(yīng)用。

（2）在道面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，從多輪荷載當(dāng)量單輪化考慮，建議采用基于土基頂面受剪破壞等效的原則進行荷載換算；采用累積損傷法能夠考慮不同機型對道面產(chǎn)生的疲勞損傷；對于輪跡橫向分布計算，在考慮道面荷載統(tǒng)計分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，還要考慮在相同荷載作用下道面結(jié)構(gòu)的總厚度差異、產(chǎn)生的損傷折減值不同等特性。

（3）機場道面設(shè)計方法都屬于定值設(shè)計方法，無法考慮各項參數(shù)的隨機變異性。在以后的設(shè)計中，可以考慮引入概率統(tǒng)計理論，兼顧各個參數(shù)概率分布和變異特性，嘗試建立基于可靠度的設(shè)計方法，從而更加準(zhǔn)確地反映現(xiàn)場實際。

（4）加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計中，還需要結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度、濕度、飛機荷載、不同區(qū)域行駛條件等因素，并且應(yīng)將跑道設(shè)計與處于高溫、重載、低速耦合作用下的平行滑行道和聯(lián)絡(luò)道區(qū)別開。

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