機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面剩余壽命檢測(cè)要素探討

湯俊杰，運(yùn) 昊，范文哲

（廣東建科交通工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司 廣州 510500）

0 引言

國(guó)家民用航空局日前公布的數(shù)據(jù)顯示，2015～2019年，民航運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量、旅客運(yùn)輸量、貨郵運(yùn)輸量年均增長(zhǎng)分別達(dá)到11.0%、10.7%和4.6%，民航旅客周轉(zhuǎn)量在國(guó)家綜合交通體系中的比重從24.2%提升至33.1%［2］。截至2021 年底，我國(guó)境內(nèi)頒證運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)達(dá)到241 個(gè)，比2012 年新增58 個(gè)，民用運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)覆蓋92%以上的地級(jí)市，航空服務(wù)覆蓋全國(guó)88%的人口和93%的經(jīng)濟(jì)總量［3］。面對(duì)航空行業(yè)的迅速發(fā)展，航班數(shù)量和最大重量持續(xù)增加的情況下，機(jī)場(chǎng)道面承受的荷載也不斷遞增，部分機(jī)場(chǎng)道面的使用頻率已超過(guò)設(shè)計(jì)的使用情況。機(jī)場(chǎng)道面運(yùn)行狀況、道面結(jié)構(gòu)承載能力是機(jī)場(chǎng)日常運(yùn)營(yíng)工作關(guān)注的重點(diǎn)之一。

飛機(jī)起降次數(shù)更是日益增多，使機(jī)場(chǎng)道面承受荷載遞增的同時(shí)，也加速了機(jī)場(chǎng)道面使用性能的惡化，嚴(yán)重影響到機(jī)場(chǎng)的正常運(yùn)行。本文通過(guò)總結(jié)日常道面檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)有道面檢測(cè)評(píng)價(jià)要素進(jìn)行探討，希望能促進(jìn)我國(guó)機(jī)場(chǎng)道面的檢測(cè)評(píng)價(jià)體系的發(fā)展。

1 道面剩余壽命主要影響因素分析

機(jī)場(chǎng)道面剩余壽命是評(píng)估機(jī)場(chǎng)道面的安全穩(wěn)定性能的一個(gè)重要參數(shù)［4］，2001年以后，凌建明等人［5］根據(jù)中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)道面設(shè)計(jì)方法，借鑒國(guó)外機(jī)場(chǎng)道面評(píng)價(jià)體系以及機(jī)場(chǎng)道面管理系統(tǒng)等方面的相關(guān)研究，提出逆設(shè)計(jì)法，建立國(guó)內(nèi)首個(gè)機(jī)場(chǎng)道面剩余壽命預(yù)測(cè)模型。

按照《民用機(jī)場(chǎng)道面管理評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范：MH∕T 5024—2019》［6］規(guī)定的計(jì)算方法，機(jī)場(chǎng)道面剩余壽命計(jì)算涉及航空交通規(guī)劃、預(yù)測(cè)以及歷史資料確定評(píng)價(jià)機(jī)型；同時(shí)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試并結(jié)合道面修建及維護(hù)歷史資料確定道面結(jié)構(gòu)參數(shù)，如道面板的彎拉彈性模量Er、基頂反應(yīng)模量K和道面結(jié)構(gòu)有效厚度he等；依據(jù)上述參數(shù)確定評(píng)價(jià)機(jī)型產(chǎn)生的板邊計(jì)算應(yīng)力；然后根據(jù)水泥混凝土的疲勞規(guī)律，對(duì)機(jī)型累計(jì)作用次數(shù)Ne進(jìn)行估算。

機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面剩余使用年限的計(jì)算公式如下：

式中：Ys為道面剩余使用年限（年）；Ne為價(jià)機(jī)型剩余累計(jì)作用次數(shù)；T為通行寬度（m），跑道取11.4 m，滑行道和機(jī)坪取2.3 m；nw為評(píng)價(jià)機(jī)型主起落架的輪子數(shù)；Wt為價(jià)機(jī)型主起落架一個(gè)輪印的寬度；瓦價(jià)機(jī)型的年當(dāng)量運(yùn)行次數(shù)。

式⑴中除主要參數(shù)評(píng)價(jià)機(jī)型剩余累計(jì)作用次數(shù)Ne外，其他參數(shù)均可視為指定常數(shù)，Ne計(jì)算公式如下：

式中：fcm為水泥混凝土的彎拉強(qiáng)度，一般采用芯樣強(qiáng)度代表值；frm為水泥混凝土的彎拉疲勞強(qiáng)度，取frm=σp（道面板邊應(yīng)力）；σp計(jì)算公式如下：

式中：σp為板邊計(jì)算應(yīng)力（MPa）；LT為應(yīng)力折減率，根據(jù)彎沉比傳遞系數(shù)LTEδ推算；Me為板邊彎矩（MN·m∕m）；he為水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)的有效厚度。

其中板面有效厚度he主要影響因素為芯樣厚度及道面PCI；Me為板邊彎矩，可采用影像圖計(jì)算法或有限元計(jì)算法，主要影響因素為荷載大小、基底當(dāng)量回彈模量、混凝土板彈性模量及剛度半徑lp；

根據(jù)水泥混凝土的彈性模量Er計(jì)算公式：

式中：Er為水泥混凝土板的彈性模量（GPa）；μ為水泥混凝土材料的泊松比，取值為0.15；K為基層頂面的反應(yīng)模量（MN∕m3）；l為道面結(jié)構(gòu)的相對(duì)剛度半徑（m）；he為道面結(jié)構(gòu)的有效厚度（m）；fr為板面彎拉強(qiáng)度（MPa）。

由式⑷可知由彈性模量Er、有效厚度he和剛度半徑l 可推出基頂反應(yīng)模量K，由式⑸可知道面水泥混凝土板彈性模量Er可由彎拉強(qiáng)度f(wàn)r推導(dǎo)。

綜上，影響機(jī)場(chǎng)道面剩余壽命計(jì)算結(jié)果的參數(shù)中，主要影響因素為板面彎拉強(qiáng)度f(wàn)r、剛度半徑l及有效厚度he。各主要參數(shù)對(duì)剩余壽命的影響情況如表1所示。

表1 剩余壽命影響因素計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation Results of Influencing Factors of Remaining Life

由表1計(jì)算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，水泥板彎拉強(qiáng)度、有效厚度及剛度半徑對(duì)剩余壽命的預(yù)估值影響都非常大，在案例中，其它條件相同情況下，減少0.1 MPa 水泥板彎拉強(qiáng)度會(huì)減少3.57年剩余壽命，減少1 cm的有效厚度會(huì)減少6.96年的剩余壽命，減少1 cm相對(duì)剛度半徑會(huì)增加1.23 年的剩余壽命，而一般機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)使用壽命為30年，可證明相關(guān)參數(shù)對(duì)道面剩余壽命評(píng)估影響非常大。因此，在檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集必須非常準(zhǔn)確。

2 彎沉檢測(cè)荷載級(jí)別研究

承載力檢測(cè)評(píng)價(jià)分為有損試驗(yàn)和非破損試驗(yàn)兩種方法。有損試驗(yàn)通過(guò)鉆芯取樣，通過(guò)劈裂強(qiáng)度及彎拉強(qiáng)度的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)道面混凝土的彎拉強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，得出彎拉彈性模量，比較由計(jì)算得出的力學(xué)指標(biāo)與設(shè)計(jì)值來(lái)評(píng)價(jià)道面承載能力；而非破損試驗(yàn)是通過(guò)重錘式彎沉儀（HWD）檢測(cè)所得的道面彎沉數(shù)據(jù)，結(jié)合彈性地基板理論，再通過(guò)反演跑道地基及道面各結(jié)構(gòu)層的模量來(lái)評(píng)價(jià)道面承載能力［6］。

文獻(xiàn)［6］規(guī)定，相對(duì)剛度半徑l可由彎沉盤面積指數(shù)Aw查圖確定，超出取值部分可由回歸公式計(jì)算，文獻(xiàn)［1］中對(duì)FWD測(cè)試荷載最小級(jí)位的規(guī)定如表2所示。

表2 FWD彎沉測(cè)試荷載最小級(jí)別Tab.2 Minimum Level of FWD Deflection Test Load（kN）

以某4E 級(jí)機(jī)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)為例，現(xiàn)場(chǎng)取芯厚度為0.413 m，芯樣彎拉強(qiáng)度為5.15 MPa，計(jì)算水泥板彈性模量Er為35.511 GPa，在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中采集數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 現(xiàn)場(chǎng)不同荷載測(cè)試結(jié)果Tab.3 Test Results of Different Loads on Site

對(duì)比表3 中測(cè)算的水泥板彈性模量Er值，落錘沖擊荷載為110 kN 對(duì)應(yīng)的是82.01 GPa，250 kN 對(duì)應(yīng)的是36.62 GPa，測(cè)試結(jié)果證明按照文獻(xiàn)［1］中FWD測(cè)試荷載最小級(jí)位進(jìn)行測(cè)試，由于荷載不足檢測(cè)結(jié)果會(huì)與真實(shí)值偏差較大。因此，在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，建議荷載級(jí)位應(yīng)以承載板中心彎沉d0不小于110 μm 進(jìn)行控制，有條件時(shí)盡可能選用更大荷載級(jí)位。

3 道面板邊應(yīng)力計(jì)算方法

在道面板邊應(yīng)力計(jì)算中，主要有《民用機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面設(shè)計(jì)規(guī)范：MH∕T 5004—2010》［10］中采用的影響圖計(jì)算法和有限元計(jì)算法。在計(jì)算原理上，影響圖法是基于飛機(jī)荷載作用在半無(wú)限自由混凝土板上，而有限元法計(jì)算法模型為參考板面實(shí)際尺寸設(shè)置的邊界約束有限尺寸板［8］，兩種計(jì)算方法各有優(yōu)點(diǎn)，有限元計(jì)算法Ansys、Abaqus軟件有豐富的材料庫(kù)，可自由定義板面大小、強(qiáng)度和約束條件，能按道面板實(shí)際情況設(shè)定參數(shù)，影響圖計(jì)算法方便使用，能適應(yīng)于一般水泥道面的板邊應(yīng)力計(jì)算。同條件下有限元計(jì)算法與影響圖計(jì)算法計(jì)算結(jié)果如表4 所示，有限元計(jì)算結(jié)果出處如圖1所示。

圖1 有限元計(jì)算結(jié)果Fig.1 Finite Element Calculation Results

表4 有限元計(jì)算法與影響圖計(jì)算法對(duì)比參數(shù)設(shè)定Tab.4 Comparison between Finite Element Calculation Method and Influence Diagram Calculation Method and Parameter Setting

由計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，同等條件下有限元計(jì)算結(jié)果與影像圖計(jì)算結(jié)果差異百分比在5%以內(nèi)，計(jì)算結(jié)果大致相符。影響圖法作為傳統(tǒng)道面板邊應(yīng)力計(jì)算方法具有普遍適用性；而有限元計(jì)算法可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置道面大小、板邊約束等情況，隨著有限元軟件的快速發(fā)展，無(wú)疑具有更大的發(fā)展空間。

4 結(jié)論

⑴在道面剩余壽命計(jì)算中，水泥板彎拉強(qiáng)度、有效厚度及剛度半徑對(duì)剩余壽命的預(yù)估值影響都非常大，因此鉆取芯樣和彎沉盤數(shù)據(jù)采集的必須準(zhǔn)確和具有代表性。

⑵通過(guò)比對(duì)測(cè)試證明文獻(xiàn)［1］中規(guī)定的最小級(jí)位荷載不能滿足反算一般道面水泥板彈性模量Er值的要求，在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中建議荷載級(jí)位應(yīng)以承載板中心彎沉d0不小于110 μm 進(jìn)行控制，有條件時(shí)盡可能選用更大的荷載級(jí)位。

⑶通過(guò)模擬計(jì)算，同等條件下有限元計(jì)算結(jié)果與影像圖計(jì)算結(jié)果的差異百分比在5%以內(nèi)，計(jì)算結(jié)果大致相符。