機(jī)場瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)的力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法

(中國民航大學(xué)機(jī)場學(xué)院　天津　300300)

引言

機(jī)場瀝青道面損壞的主要類型有輪轍、龜裂和縱橫向裂縫，其中前兩種屬于結(jié)構(gòu)性損壞。現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法中雖主要分析了道面結(jié)構(gòu)的受力和變形特性，但遠(yuǎn)沒有有效解決其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中無法控制發(fā)生結(jié)構(gòu)性損壞的突出問題。

一、美國聯(lián)邦航空局LEDFAA

美國FAA開發(fā)的LEDFAA系列程序中，道面輪轍損壞通過土基頂面的最大豎向壓應(yīng)變與荷載反復(fù)作用次數(shù)的關(guān)系來表征。對(duì)于給定的土基頂面豎向應(yīng)變值，確定道面損壞前所能承受的飛機(jī)覆蓋次數(shù)的損壞模式方程為:

(1)

式中:C-道面在損壞前所能承受的覆蓋次數(shù)；ESG-土基回彈模量；εv-土基頂面的豎向壓應(yīng)變

該模型中的土基模量反映了土基的損壞效應(yīng)。對(duì)于給定的應(yīng)變值，隨著土基模量的下降，道面在損壞前所能承受的覆蓋次數(shù)也呈下降趨勢(shì)，這樣設(shè)置是為了模擬當(dāng)土基強(qiáng)度下降時(shí)，道面結(jié)構(gòu)通常會(huì)產(chǎn)生塑性變形增加效應(yīng)。

LEDFAA1.3中采用分段方程的形式來表征輪轍損壞模型:

根據(jù)NAPTF的現(xiàn)場輪轍足尺試驗(yàn)數(shù)據(jù)，回歸了輪轍預(yù)估模型:

logN=A+bεv(3)

式中:N-疲勞損壞時(shí)的作用次數(shù);A-材料常數(shù);b-材料損壞指數(shù);εv-土基頂面壓應(yīng)變

二、FAA力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法

美國聯(lián)邦航空局FAA針對(duì)新一代大型飛機(jī)，建立了以彈性層狀體系為理論基礎(chǔ)、以飛機(jī)荷載作用下瀝青層底的水平拉應(yīng)變以及土基頂面的豎向壓應(yīng)變作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)的力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法，并且開發(fā)了設(shè)計(jì)軟件LEDFAA，該軟件以FAA自行開發(fā)的彈性層狀體系分析軟件LEAF，作為道面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的核心計(jì)算程序，具體瀝青道面厚度設(shè)計(jì)流程見圖1。

圖1　FAA瀝青道面設(shè)計(jì)流程圖

設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于多輪起落架荷載，采用疊加原理進(jìn)行計(jì)算，通過該程序獲得設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的力學(xué)響應(yīng)量，然后代入使用性能預(yù)估方程進(jìn)行計(jì)算，而則采用上述新的覆蓋次數(shù)的概念確定，通過幾輪試算最終達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)0.95

三、設(shè)計(jì)指標(biāo)的累積損傷

根據(jù)Miner定律，不同飛機(jī)荷載對(duì)道面產(chǎn)生的疲勞損傷可以線性疊加。按照該定律針對(duì)各種飛機(jī)不同的設(shè)計(jì)參數(shù)，分別計(jì)算得到其對(duì)道面的疲勞損傷程度，然后把不同飛機(jī)的疲勞損傷程度進(jìn)行線性累加，得到一個(gè)累積損傷因子CDF(cumulative damage factor)，根據(jù)CDF是否接近1來判定道面是否達(dá)到疲勞損壞狀態(tài),這一概念就稱為累積損傷原理。

累積損傷因子CDF是道面在各種機(jī)型作用下已經(jīng)使用疲勞壽命的表征，可通過各種機(jī)型的線性疊加得到，參見式(3-1)：

(3-1)

式中：ni—第i種飛機(jī)的預(yù)期重復(fù)作用次數(shù)；k—使用飛機(jī)的總數(shù)；Ni—第i種飛機(jī)的允許重復(fù)作用次數(shù)，由設(shè)計(jì)指標(biāo)的損壞預(yù)估方程決定；

道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用CDF作為指標(biāo)時(shí)，以CDF的大小來判定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，CDF與設(shè)計(jì)控制損壞標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

當(dāng)CDF=1時(shí)，道面在到達(dá)預(yù)期的設(shè)計(jì)使用年限時(shí)達(dá)到損壞標(biāo)準(zhǔn)；

當(dāng)CDF<1時(shí)，道面在到達(dá)預(yù)期的設(shè)計(jì)使用年限時(shí)，尚未達(dá)到損壞標(biāo)準(zhǔn)，還有剩余的使用壽命；

當(dāng)CDF>1時(shí)，道面在未到預(yù)期設(shè)計(jì)使用年限時(shí)就提前達(dá)到損壞標(biāo)準(zhǔn)，壽命不足。

在道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以把CDF控制在0.95～1.05的范圍內(nèi)作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，也可以根據(jù)可靠度的概念，動(dòng)態(tài)地制定CDF的可接受標(biāo)準(zhǔn)。

四、結(jié)論

新一代大型飛機(jī)起飛重量大、起落架構(gòu)型復(fù)雜、機(jī)輪多，在其復(fù)雜起落架構(gòu)型多輪荷載的長期作用下，對(duì)機(jī)場道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了新的要求。

基于道面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法已成為新一代機(jī)場道面設(shè)計(jì)方法發(fā)展的趨勢(shì)，本論文提出的設(shè)計(jì)方法新體系即采用力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法，針對(duì)柔性基層瀝青道面疲勞開裂和輪轍變形的控制設(shè)計(jì)，采用基于累積損傷的設(shè)計(jì)方法，建立了道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程和詳細(xì)步驟，力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法已成為世界各國積極發(fā)展的研究方向。