基于智慧跑道道面脫空實(shí)時(shí)評(píng)估技術(shù)的研究

趙振宇

（中國(guó)民航大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院）

1 引言

機(jī)場(chǎng)道面在長(zhǎng)期受到飛機(jī)起降滑行以及環(huán)境影響等因素的共同作用下，場(chǎng)道內(nèi)會(huì)出現(xiàn)道面板板底脫空的情況，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，可能會(huì)威脅到機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全。目前在機(jī)場(chǎng)道面檢測(cè)中的落錘式彎沉儀技術(shù)只是通過(guò)加載時(shí)各傳感器的測(cè)試結(jié)果反算出彎沉盆來(lái)推斷道面內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，無(wú)法從根本上研究道面內(nèi)部的力學(xué)響應(yīng)，并且在現(xiàn)實(shí)中只能利用航班停止間隙定期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)道面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這就為跑道高效安全運(yùn)行、科學(xué)養(yǎng)護(hù)等方面的工作帶來(lái)了一系列問(wèn)題。

隨著傳感器技術(shù)在土木工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的運(yùn)用，大大增強(qiáng)了人們對(duì)于結(jié)構(gòu)安全方面的監(jiān)測(cè)能力，在1987年美國(guó)實(shí)施的SHRP計(jì)劃中就通過(guò)在路面內(nèi)埋設(shè)大量傳感器，收集動(dòng)靜荷載作用下路面應(yīng)變響應(yīng)等力學(xué)數(shù)據(jù)[1]。2020年，Graziano等肯定了對(duì)道路結(jié)構(gòu)進(jìn)行持續(xù)有效監(jiān)測(cè)能夠起到降低運(yùn)營(yíng)成本和延長(zhǎng)道路使用壽命的作用[2]。在國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究中，面向機(jī)場(chǎng)工程方向的研究也已逐漸興起，凌建明等提出了在智慧城市、智慧交通大背景下智慧跑道的應(yīng)用前景[3]。

2 有限元模型構(gòu)建

基于ABAQUS有限元軟件建立跑道全寬尺寸為45m的足尺模型，有限元模型的尺寸為45m×15m×10m，道面結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 機(jī)場(chǎng)混凝土道面板結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)

對(duì)脫空時(shí)的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，假設(shè)只沿板邊橫向矩形脫空，且脫空區(qū)域在深度方向上為完全脫空，長(zhǎng)度為0m，0.4m，0.8m，1.2m四種。采用國(guó)內(nèi)常用機(jī)型B737-800加載，荷載參數(shù)可根據(jù)參考文獻(xiàn)[4-5]計(jì)算。

3 傳感器布設(shè)

在橫縫兩側(cè)的相鄰道面板下埋置動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器，動(dòng)態(tài)應(yīng)變傳感器可測(cè)出長(zhǎng)度內(nèi)的應(yīng)變變化，傳感器的位置示意如圖1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)變傳感器埋設(shè)方案示意

4 不同道面結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)脫空的影響

改變跑道各層的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以飛機(jī)荷載正對(duì)跑道中線加載到板邊，記錄道面脫空0m、0.4m、0.8m、1.2m四種不同長(zhǎng)度時(shí)的傳感器的應(yīng)變值，得到未脫空時(shí)道面板下傳感器的應(yīng)變值為47.392με，相同脫空狀況下，增大各層的彈性模量，接縫處傳感器的應(yīng)變值減小，其中隨土基模量的改變，接縫處傳感器數(shù)值變化最為顯著。可見(jiàn)，在實(shí)際工程中，增大土基模量增強(qiáng)土基對(duì)道面的承載能力可減少脫空的發(fā)生，并能明顯降低道面脫空發(fā)生時(shí)對(duì)道面產(chǎn)生的影響[6]。

5 板底脫空評(píng)估

以模型未脫空時(shí)飛機(jī)沿跑道中線移動(dòng)到板邊板下傳感器的應(yīng)變值作為標(biāo)定值，將不同道面結(jié)構(gòu)參數(shù)下得到的應(yīng)變?cè)隽恐颠M(jìn)行修正。飛機(jī)在跑道上滑行時(shí)，到達(dá)接縫處應(yīng)變傳感器測(cè)得的應(yīng)變值與此值進(jìn)行比較判斷板下是否發(fā)生脫空，其計(jì)算公式如下。

式（1）中：ζ為修正值，με；ε為實(shí)測(cè)受荷板的應(yīng)變值，με；△ε1、△ε2、△ε3分別為面層模量、基層模量、土基彈性模量修正值，με。

5.1 判別方法

以現(xiàn)有的光纖光柵傳感器為例，精度可達(dá)±1με，測(cè)量時(shí)通過(guò)合適的布置以及封裝處理，靈敏度可達(dá)到0.1με[7-9]。在上文研究中，當(dāng)板邊未存在脫空，飛機(jī)沿中線經(jīng)過(guò)接縫時(shí)，受荷板傳感器的應(yīng)變值為47.392με，考慮到監(jiān)測(cè)時(shí)傳感器的靈敏度和精度，脫空判斷的界限值定為47±傳感器的精度范圍，判別方式如表2所示。

表2 道面脫空判別表

5.2 不同道面結(jié)構(gòu)參數(shù)接縫處應(yīng)變修正

5.2.1 不同面層彈性模量應(yīng)變修正式

以初建模型板彈性模量36GPa所得應(yīng)變?yōu)榛鶞?zhǔn)，小于該值則取負(fù)，大于該值取正值，得到基層彈性模量從24GPa到40GPa下受荷板應(yīng)變傳感器的應(yīng)變值，如表3所示。

表3 不同板的彈性模量E1應(yīng)變?cè)隽勘?/p>

根據(jù)多項(xiàng)式擬合函數(shù)原理，可得不同面板彈性模量時(shí)應(yīng)變的修正計(jì)算公式：

5.2.2 不同基層彈性模量應(yīng)變修正式

以初建模型板彈性模量1500MPa所得應(yīng)變?yōu)榛鶞?zhǔn)，小于該值則取負(fù)，大于該值取正值，得到板彈性模量從1500MPa到2500MPa下受荷板應(yīng)變傳感器的應(yīng)變值，如表4所示。

表4 不同基層的彈性模量E2應(yīng)變?cè)隽勘?/p>

根據(jù)多項(xiàng)式擬合函數(shù)原理，可得不同基層彈性模量時(shí)應(yīng)變的修正計(jì)算公式：

5.2.3 不同土基彈性模量應(yīng)變修正式

以初建模型土基彈性模量80MPa所得應(yīng)變?yōu)榛鶞?zhǔn)，小于該值則取負(fù)，大于該值取正值，得到土基彈性模量從20MPa到100MPa受荷板應(yīng)變傳感器的應(yīng)變值，如表5所示。

表5 不同土基的彈性模量E3應(yīng)變?cè)隽勘?/p>

根據(jù)多項(xiàng)式擬合函數(shù)原理，可得不同土基彈性模量時(shí)應(yīng)變的修正計(jì)算公式：

5.3 算例

取道面板彈性模量35GPa，基層彈性模量1600MPa，土基彈性模量70MPa，傳力桿彈性模量210000MPa，偏移跑道0.4m，輪距中線偏移應(yīng)變傳感器0.044m，具體的道面參數(shù)如表6所示。

表6 道面結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過(guò)有限元模擬未脫空和脫空發(fā)生時(shí)（板邊脫空長(zhǎng)度0.4m），受荷板傳感器所得的應(yīng)變值和修正值的比較：根據(jù)道面結(jié)構(gòu)信息和飛機(jī)的位置算出，有限元計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7 算例結(jié)果

由表7可知，脫空發(fā)生時(shí)，受荷板下應(yīng)變傳感器的應(yīng)變值會(huì)增加；通過(guò)標(biāo)定的道面結(jié)構(gòu)計(jì)算出未脫空時(shí)受荷板下應(yīng)變傳感器的應(yīng)變值，可用此方法判斷道面是否發(fā)生脫空。

6 結(jié)語(yǔ)

利用ABAQUS有限元軟件建立了平面尺寸45m×15m的跑道模型探究各結(jié)構(gòu)層參數(shù)變化對(duì)道面脫空的影響；針對(duì)目前機(jī)場(chǎng)常出現(xiàn)的脫空病害提出了可利用道面板下埋置應(yīng)變傳感器的方式判斷道面是否存在脫空，給出了評(píng)估模型并利用算例證明了模型的準(zhǔn)確性。

①各道面結(jié)構(gòu)層的模量越大，相同加載和脫空情況下道面板下應(yīng)變傳感器數(shù)值越小，道面脫空所帶來(lái)的不利影響越??；其中土基模量的增大對(duì)應(yīng)變傳感器的數(shù)值減小變化最大，說(shuō)明在實(shí)際工程中，增大土基模量增強(qiáng)土基對(duì)道面的承載能力可以很大程度上減少脫空的發(fā)生，并且能夠明顯的降低道面脫空發(fā)生時(shí)對(duì)道面產(chǎn)生的不良的影響。

②道面脫空評(píng)估可利用在道面內(nèi)預(yù)埋應(yīng)變傳感器的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以大大提高對(duì)道面的監(jiān)測(cè)能力，對(duì)保證機(jī)場(chǎng)的安全運(yùn)行、科學(xué)維護(hù)、構(gòu)建確定合理的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)參數(shù)、進(jìn)行跑道結(jié)構(gòu)性能精確評(píng)價(jià)和缺陷診斷具有重要意義。