機(jī)場(chǎng)道面受熱環(huán)境下反射裂縫形成機(jī)理分析

江圣澤，徐 軒

（1.中國(guó)民航飛行學(xué)院，四川 廣漢618307；2.深圳市市政工程總公司，廣東 深圳518000）

引言

目前我國(guó)民用機(jī)場(chǎng)跑道以水泥混凝土道面為主，當(dāng)機(jī)場(chǎng)的航班客運(yùn)量增加，水泥道面由于主起落架的不斷作用而導(dǎo)致強(qiáng)度下降產(chǎn)生破損。為了繼續(xù)維護(hù)機(jī)場(chǎng)的安全運(yùn)行，部分機(jī)場(chǎng)會(huì)對(duì)損壞較大的水泥混凝土道面進(jìn)行蓋被。通常采用瀝青混凝土作為材料在原有道面的基礎(chǔ)上進(jìn)行攤鋪。反射裂縫是瀝青混凝土面層在投入運(yùn)營(yíng)后產(chǎn)生較多的病害，它主要沿著原水泥混凝土道面板塊間施工縫分布，是一種由面層內(nèi)部逐漸向上開(kāi)裂發(fā)展而來(lái)的裂縫。機(jī)場(chǎng)在夏季高溫運(yùn)行期間，道面材料會(huì)受熱膨脹，此時(shí)若飛機(jī)滑行時(shí)從施工縫上部的瀝青混凝土面層滑過(guò)，則會(huì)加劇反射裂縫的發(fā)展。反射裂縫導(dǎo)致瀝青混凝土加鋪層開(kāi)裂，使水沿縫下滲，在荷載和溫度的反復(fù)作用下，新鋪道面將發(fā)生破壞，危及飛行安全[1]。因此在飛機(jī)荷載作用下，有必要對(duì)此種高溫膨脹狀態(tài)下的復(fù)合道面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，探究反射裂縫形成的機(jī)理。

1 有限元模型及參數(shù)

1.1 模型設(shè)置

在原水泥混凝土道面上鋪筑瀝青混凝土加鋪層，受到溫度和荷載應(yīng)力的共同作用。這兩種應(yīng)力隨著加鋪層的厚度，當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件等因素的不同所起的作用[2]。目前，機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面防反射裂縫的方法是設(shè)置應(yīng)力吸收夾層[3]或是在瀝青混凝土層與舊水泥混凝土道面之間鋪設(shè)土工布[4]。機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面兼顧剛性路面和柔性路面的特點(diǎn)[5]。結(jié)合國(guó)內(nèi)某機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面結(jié)構(gòu)，模型設(shè)置為兩塊5m×5m 的水泥混凝土板，中間覆蓋一層厚度為0.09m 的AC-20 瀝青混凝土層，最上部為0.06m 的SMA 改性瀝青混凝土層（見(jiàn)圖1），水泥混凝土板與瀝青面層間不加設(shè)應(yīng)力吸收材料，各層材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)表

1.2 荷載施加

夏季高溫天氣易使瀝青面層在太陽(yáng)光照射下吸收大量的熱量，部分地區(qū)的道面溫度作用下會(huì)達(dá)到60℃。按照實(shí)際機(jī)場(chǎng)道面的受熱狀況，使用ANSYS 軟件對(duì)模型進(jìn)行熱分析。為進(jìn)一步模擬主起落架產(chǎn)生的作用，分別對(duì)模型上表面進(jìn)行兩種荷載布置。第一種荷載施加于下部混凝土板的臨界荷位對(duì)應(yīng)處（見(jiàn)圖2），第二種荷載施加于下部混凝土板縫對(duì)應(yīng)的中間位置處（見(jiàn)圖3）。

由于該機(jī)場(chǎng)的道面可無(wú)限制運(yùn)行B737-800，對(duì)A321 需進(jìn)行限制運(yùn)行，故取這兩種機(jī)型在最大起飛重量下的主起落架荷載對(duì)道面進(jìn)行分析，各參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 三維有限元模型圖

圖2 荷載施加位置-1 示意圖

圖3 荷載施加位置-2 示意圖

1.3 邊界條件及網(wǎng)格劃分

根據(jù)《民用機(jī)場(chǎng)道面評(píng)價(jià)管理技術(shù)規(guī)范》規(guī)定利用評(píng)價(jià)機(jī)型評(píng)估機(jī)場(chǎng)的最大起飛重量時(shí)，采用的有限元模型應(yīng)為板邊自由狀態(tài)下[6]。板體在受熱膨脹后，處于四邊不自由狀態(tài)[7]，因此設(shè)置邊界條件時(shí)，保持模型的上表面為自由狀態(tài)，模型四周約束水平方向的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)溫克勒地基上的彈性板理論，板底的基頂反應(yīng)模量取120MN/m3，對(duì)板底施加彈性支撐。

考慮到計(jì)算效率和誤差，一般對(duì)荷載作用區(qū)域的網(wǎng)格密度進(jìn)行細(xì)化，以荷載作用區(qū)域?yàn)橹行臐u變?cè)黾泳W(wǎng)格的大小，以減少單元的數(shù)量，節(jié)約計(jì)算成本[8]。整體模型共40050 個(gè)節(jié)點(diǎn)，11748 個(gè)單元。

2 模型計(jì)算與分析

2.1 計(jì)算結(jié)果分析

復(fù)合道面受荷載和溫度耦合作用，當(dāng)瀝青層底產(chǎn)生的主應(yīng)力大于材料的容許拉應(yīng)力時(shí)，容易產(chǎn)生反射裂縫[9]。結(jié)合機(jī)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，計(jì)算了兩種機(jī)型作用下沿板縫分布的橫向應(yīng)力、位移以及沿單輪中線分布的縱向位移。

B737-800 在最大起飛重量下的單輪輪印尺寸取長(zhǎng)為0.49m，寬為0.3m 的矩形面，A321 在最大起飛重量下的單輪輪印尺寸取長(zhǎng)為0.53m，寬為0.32m 的矩形面。兩種機(jī)型主起落架在荷載位置-1 處造成的表面應(yīng)力分布見(jiàn)圖4 和圖5。

由于受熱膨脹，處于四邊不自由狀態(tài)下的板體周圍產(chǎn)生應(yīng)力，B737-800 和A321 起落架作用下最大應(yīng)力值分別為1.08MPa 和0.85MPa；位于主起落架作用區(qū)域的最大應(yīng)力值分別為0.7MPa 和0.58MPa；模型中央橫向2500mm 處的應(yīng)力值分別為0.03MPa 和0.09MPa。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，B737-800 產(chǎn)生的主輪作用區(qū)和板邊的應(yīng)力值要大于A321，但是A321 在橫向中心位置處的應(yīng)力數(shù)值要大于B737-800。

計(jì)算得到了兩種機(jī)型產(chǎn)生的沿橫向板縫對(duì)應(yīng)處瀝青混凝土表面產(chǎn)生的豎向位移，B737-800 和A321 作用下產(chǎn)生的整體最大變形分別為0.21mm 和0.22mm，主起落架作用區(qū)域的最大位移約為0.06mm。沿單輪中心線分布的縱向位移，B737-800 和A321 產(chǎn)生的最大位移為0.28mm，縱向5000mm 處的最大位移為0.06mm。

表3 為作用在荷載位置-1 時(shí)的瀝青面層底部沿板縫橫向分布的應(yīng)力計(jì)算數(shù)值，B737-800 和A321 在瀝青混凝土底層周邊產(chǎn)生的最大應(yīng)力為1.15MPa，主起落架附近區(qū)域產(chǎn)生的最大應(yīng)力值為0.44MPa 和0.48MPa。

分別以兩種機(jī)型的最大起飛重量對(duì)板塊接縫位置對(duì)應(yīng)的瀝青面層施加作用，通過(guò)對(duì)此種荷載下的計(jì)算，得到荷載位置-2 瀝青混凝土面層縱向分布的位移、應(yīng)力結(jié)果。

圖6 為B737-800 荷載位置-2 處的橫向應(yīng)力分布圖，圖7 為A321 荷載位置-2 處的橫向應(yīng)力分布圖。圖中，B737-800 和A321 的受力區(qū)域的最大應(yīng)力值分別為1.71MPa 和1.12MPa；板體邊緣產(chǎn)生的最大應(yīng)力值為0.78MPa 和0.58MPa；模型中橫向2500mm 處產(chǎn)生的應(yīng)力值為0.06MPa 和0.02MPa。從數(shù)據(jù)看，B737-800 產(chǎn)生的應(yīng)力數(shù)值要略大于A321 產(chǎn)生的應(yīng)力數(shù)值。

表3 為作用在荷載位置-2 時(shí)的瀝青面層底部沿板縫橫向分布的應(yīng)力計(jì)算數(shù)值，B737-800 和A321 在瀝青混凝土底層周邊產(chǎn)生的最大應(yīng)力分別為1.19MPa 和1.18MPa，主起落架附近區(qū)域產(chǎn)生的最大應(yīng)力值為1.02MPa 和1.09MPa。

根據(jù)兩架飛機(jī)對(duì)應(yīng)的接縫位置產(chǎn)生的豎向位移分布結(jié)果，B737-800 和A321 產(chǎn)生的最大變形值為0.22mm。當(dāng)主起落架作用在模型表面的中間位置時(shí)，板體產(chǎn)生的總體變形要大于處于荷載位置-1 時(shí)的變形。

提取主起落架在兩種荷載位置時(shí)沿單輪中心線縱向分布的位移結(jié)果，兩種機(jī)型產(chǎn)生的最大變形位移為0.27mm。荷載位置-1 時(shí)的A321 和B737-800 在縱向距離5000mm 處的最大位移值為0.065mm。荷載位置-2 時(shí)的A321 在縱向5000mm 處產(chǎn)生的位移為0.1mm，B737-800 產(chǎn)生的相應(yīng)位移為0.12mm。

表2 主起落架參數(shù)表

圖4 B737-800 荷載位置-1 橫向應(yīng)力分布圖

圖5 A321 荷載位置-1 橫向應(yīng)力分布圖

表3 荷載位置-1 瀝青混凝土層底應(yīng)力

2.2 形成機(jī)理分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果將兩種機(jī)型各位置作用下的應(yīng)力、位移的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖8、9 為B737-800 在荷載位置-1 與荷載位置-2 產(chǎn)生的沿板縫橫向分布的豎向位移與應(yīng)力對(duì)比圖。

圖10、11 為A321 機(jī)型在不同荷載位置處產(chǎn)生的沿板縫橫向分布的豎向位移與應(yīng)力分布對(duì)比圖。當(dāng)主起落架作用在荷載位置-2 時(shí)，水泥混凝土板接縫對(duì)應(yīng)的瀝青混凝土上表面靠近輪胎周圍處應(yīng)力值和位移數(shù)值大于荷載位置-1 時(shí)產(chǎn)生的結(jié)果。而模型的兩側(cè)靠近板邊的位移值相差不大，荷載位置-1 作用下產(chǎn)生的應(yīng)力值要大于荷載位置-2 的結(jié)果。在相關(guān)位置，瀝青混凝土底層產(chǎn)生的應(yīng)力值要大于荷載位置-1 時(shí)的應(yīng)力數(shù)值。

通過(guò)觀察圖12、圖13 兩種機(jī)型沿單輪中線分布的橫向位移分布對(duì)比結(jié)果，可知在縱向距離5000mm 處，荷載位置-1 產(chǎn)生的應(yīng)力小于荷載位置-2 的應(yīng)力。飛機(jī)向前滑行的過(guò)程中（見(jiàn)圖14）板塊對(duì)應(yīng)的接縫位置附近會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力變形，當(dāng)滑行至與接縫對(duì)應(yīng)的位置時(shí)圖15中產(chǎn)生的最大應(yīng)力值向反方向偏移。

當(dāng)荷載作用在舊道面裂縫或接縫一側(cè)，舊道面在這個(gè)荷載作用下，板縫兩側(cè)的道面板產(chǎn)生相對(duì)的豎向位移[10]。當(dāng)荷載作用在舊道面的裂縫或接縫上，道面結(jié)構(gòu)橫向中心位置處的應(yīng)力和位移會(huì)隨著機(jī)輪的靠近而增大，這種作用會(huì)使得瀝青混凝土層在不斷的剪切變形下從內(nèi)部產(chǎn)生裂縫并且繼續(xù)向表層拓展形成反射裂縫。

圖6 B737-800 荷載位置-2 橫向應(yīng)力分布圖

圖7 A321 荷載位置-2 橫向應(yīng)力分布圖

表4 荷載位置-2 瀝青混凝土層底應(yīng)力

3 結(jié)論

本文分別計(jì)算了B737-800 和A321 在不同荷載位置下對(duì)道面產(chǎn)生的位移和應(yīng)力。通過(guò)對(duì)比兩種機(jī)型的數(shù)據(jù)結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）道面板在兩種機(jī)型作用在兩種不同荷載位置時(shí)，由于材料受熱出現(xiàn)膨脹，板體周邊會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力。主起落架作用區(qū)域的橫向應(yīng)力最大，荷載位置-2 情況下的應(yīng)力值大于荷載位置-1 情況下的應(yīng)力值。

（2）兩種機(jī)型作用區(qū)域在荷載位置-2 下的橫向位移要大于荷載位置-1 下的豎向位移，說(shuō)明當(dāng)主起落架壓過(guò)模型中間位置時(shí)的豎向位移最大，其余部位產(chǎn)生的豎向位移變化規(guī)律基本一致。

（3）觀察兩種機(jī)型單輪中心線整體模型的縱向位移，荷載位置-2 情況下縱向5000mm 處的位移要大于荷載位置-1 產(chǎn)生的位移。當(dāng)?shù)烂娼Y(jié)構(gòu)受熱膨脹后，瀝青混凝土層在剪切-彎拉-剪切的持續(xù)作用下便容易產(chǎn)生反射裂縫。

圖8 B737-800 沿板縫表面豎向位移對(duì)比圖

圖10 A321 沿板縫表面豎向位移對(duì)比圖

圖11 A321 沿板縫表面應(yīng)力對(duì)比圖

圖13 A321 表面縱向?yàn)榉植紝?duì)比圖

圖14 機(jī)輪靠近接縫處示意圖

圖15 機(jī)輪通過(guò)接縫處示意圖