平整度劣化條件下機場復合道面力學特性分析

朱杰濤 馬俊鵬

中國民航大學

1.道面結構模型建立

本文選取上海虹橋機場作為研究對象，應用ABAQUS有限元軟件，結構層參數及層間結合系數見表1。模型選取四塊水泥板，每塊板的尺寸為5m×5m，接縫寬度為0.01m，總的尺寸為10.01m×10.01m。接縫傳荷能力用虛擬材料來代替，彈模為50Mpa。邊界條件設置：在飛機滑行方向和垂直滑行方向約束道面結構的水平位移。有限元模擬時，連續模型層間采用綁定設置；接觸模型罰函數公式(Penalty)模擬，法向接觸采用“硬”接觸(Hard Contact)。機輪荷載參數見表2，荷載和接縫位置見圖1。

2.受力分析

按照[1]動載系數求解公式，求解IRI=4時的綜合動載系數為1.12，用有限元模擬劣化復合道面，提取數據進行受力分析如下。

2.1 水泥板應力分析

由于水泥板時主要的承重層，在復合道面劣化條件下，水泥板會受到較大的荷載沖擊，所以本文提取水泥板最大主應力進行力學分析，數據如下。

由圖3可知水泥板底拉應力全大于板頂壓應力，其中何位4最大主應力值最大，最大拉應力為1.6Mpa，最大壓應力為0.895Mpa，拉應力時壓應力的1.8倍，并且上下板最大拉壓應力差最大。說明當荷載作用在接縫邊緣時是最不利的荷載位置。

圖3 水泥板最大主應力

2.2 路表位移分析

路表位移表示道面整體剛度特性，所以提取機輪下道面位移進行分析。由圖4可知，幾種荷載作用下彎沉值走向一致，最大彎沉值產生在機輪下方。荷位1和何位4作用下路表反向彎沉值較大，道面容易產生翹曲，層間結合能力不足時，在外界荷載和溫度作用下，容易產生開裂等各種病害，使用壽命急劇降低。

表1 復合道面結構層參數

表2 B737-800荷載參數

圖1 機輪與接縫位置圖

圖4 路表彎沉值

2.3 層間剪應力分析

復合道面層間結合處是受力薄弱的環節，所以本文選取層間最大剪應力作為分析對象。提取各層間最大剪應力如下圖5所示，由圖可以得出最大剪應力產生在最上層底，依次第二第三加鋪層底剪應力減小，且每層剪應力在不同荷位狀態下變化很小，但水泥板頂最大剪應力由于接縫的存在最大剪應力值變化很大，水泥板頂最小剪應力產生在荷位6處值為1.237Mpa，最大值產生在何位4處值為1.959，增加了53.4%，所以荷位4是受力最不利情況。

圖5 各層間最大剪應力

3.結論

水泥板底拉應力大于板頂壓應力，荷位4是最不利情況，容易產生各種破壞。荷位1、4產生較大翹曲，最大翹曲值產生在板邊處對板邊產生較大破壞。最大剪應力產生在最上層瀝青板底，第二層第三層剪應力依次減小，且各層剪應力在不同荷位狀態下差值很小。水泥板頂剪應力在荷位4處產生最大值，所以在復合道面加鋪設計時考慮不同荷位對道面受力影響。

[1]董倩，基于航空器滑行剛性道面位移場的跑道承載力研究[D].天津：中國民航大學，2013.