機(jī)場舊水泥混凝土道面瀝青加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

韓 慶

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車建筑工程系,河南商丘 476100)

機(jī)場舊水泥混凝土道面瀝青加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

韓 慶

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車建筑工程系,河南商丘 476100)

針對(duì)目前中國機(jī)場舊水泥混凝土道面瀝青加鋪結(jié)構(gòu)尚無成熟的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)體系,以及現(xiàn)有機(jī)場加鋪工程在設(shè)計(jì)、施工、管理等方面已不能滿足機(jī)場日益復(fù)雜的交通、荷載、氣候及運(yùn)行條件的現(xiàn)狀,通過對(duì)國內(nèi)外設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析與比較,指出國內(nèi)多個(gè)機(jī)場舊水泥混凝土道面在使用過程中存在的主要問題和需要改進(jìn)的地方,為基于飛機(jī)在不同飛行區(qū)域的行駛特性進(jìn)行瀝青加鋪結(jié)構(gòu)分區(qū)域差異設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù).

加鋪工程;機(jī)場;舊水泥混凝土道面;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引 言

瀝青加鋪層具有足夠的力學(xué)強(qiáng)度,能承受飛機(jī)輪胎荷載施加在道面上的各種作用力;其良好的形變及高度的減振性可保障飛機(jī)快速平穩(wěn)行駛;而且它與輪胎的附著力較好,可增加飛機(jī)行駛的安全性;鋪筑完成后可迅速通航,保證機(jī)場道面不停航養(yǎng)護(hù)施工[2].因此,國內(nèi)不少機(jī)場的舊混凝土道面都應(yīng)用了瀝青加鋪處治技術(shù).但是,從近年來使用過程中暴露出的一些問題可以看出,現(xiàn)有機(jī)場加鋪工程的設(shè)計(jì)、施工、管理等方面已不能滿足機(jī)場日益復(fù)雜的交通、荷載、氣候及運(yùn)行等條件,需要對(duì)加鋪工程進(jìn)行更深入、更精細(xì)化的設(shè)計(jì)及研究[3-5].本文對(duì)國內(nèi)外機(jī)場道面瀝青加鋪層的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行簡述,并在對(duì)其材料及厚度組合進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上,詳細(xì)分析現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法中存在的問題,同時(shí)提供一些建議.

1 機(jī)場道面加鋪層設(shè)計(jì)方法

1．1 國外設(shè)計(jì)方法

在國外機(jī)場舊水泥混凝土道面瀝青加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,以美國聯(lián)邦航空局(FAA)的設(shè)計(jì)方法最為典型.該方法最開始采用有效厚度法,設(shè)計(jì)思路是:首先通過剛性道面的設(shè)計(jì)方法計(jì)算出設(shè)計(jì)使用期內(nèi)預(yù)計(jì)交通量所需水泥混凝土板的厚度,然后將原有道面根據(jù)損壞程度予以折減,最后由新舊水泥混凝土道面的差值等效轉(zhuǎn)換為瀝青加鋪層厚度.但隨著大型寬體飛機(jī)的迅速增多,面對(duì)較為復(fù)雜的起落架構(gòu)型及荷載分布形式,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法所得的厚度值偏于保守,因此FAA提出了以彈性層狀體系為理論基礎(chǔ)、以層底的疲勞開裂為損壞模式、以層底拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)的加鋪結(jié)構(gòu)力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,并開發(fā)了設(shè)計(jì)軟件LEDFAA1．2.隨后,又以NAPTF的足尺試驗(yàn)為基礎(chǔ)推出了同時(shí)滿足大型飛機(jī)和普通飛機(jī)的設(shè)計(jì)程序LEDFAA1．3.設(shè)計(jì)過程中不再采用設(shè)計(jì)飛機(jī)的概念,而是采用Miner準(zhǔn)則中表示結(jié)構(gòu)疲勞壽命的“累計(jì)損傷因子(CDF)”;道面結(jié)構(gòu)層取消原有的K值表征,采用彈性模量和泊松比表征[6-9],設(shè)計(jì)流程(X為CDF的值)如圖1所示.

圖1 FAA設(shè)計(jì)流程

1．2 國內(nèi)設(shè)計(jì)方法

中國機(jī)場舊水泥道面瀝青加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法還是采用有效厚度法,包括結(jié)構(gòu)性加鋪和功能性加鋪2類.對(duì)于沒有結(jié)構(gòu)性破壞的舊水泥道面進(jìn)行功能性加鋪時(shí),首先對(duì)裂縫及接縫處進(jìn)行防裂處置,然后加鋪7.5 cm以上厚度的瀝青混凝土罩面;過渡段則單獨(dú)處置.在舊水泥混凝土道面上進(jìn)行結(jié)構(gòu)性瀝青加鋪時(shí)采用補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的方式,瀝青加鋪層厚度應(yīng)不小于15 cm[10-12].

當(dāng)加鋪厚度不超過原水泥道面厚度時(shí),計(jì)算公式為

式中:tj為瀝青加鋪厚度(cm);F為控制原有水泥道面開裂程度的系數(shù);h為預(yù)測交通量所需的水泥道面厚度(cm),根據(jù)土基反應(yīng)模量K及原有水泥道面彎拉強(qiáng)度查板邊彎矩影響圖得到;Cb為原有道面狀況系數(shù),在0.75～1.0之間;le為原有道面厚度(cm).

2）分析智慧城市需要具備的功能，結(jié)合智慧城市理念規(guī)劃設(shè)計(jì)的現(xiàn)代化新型城市要求具備多種功能，尤其需要具有信息化功能；

當(dāng)加鋪厚度大于原水泥道面厚度時(shí),加鋪層采用瀝青道面補(bǔ)強(qiáng)方式設(shè)計(jì),將原有水泥道面作為高強(qiáng)基層.計(jì)算公式為

式中:hc為需加鋪厚度(cm);tc為換算成瀝青混凝土的道面總厚度(cm);∑aibi為舊道面基層、墊層換算成瀝青混凝土的厚度(cm).

對(duì)原有水泥道面進(jìn)行二次或多次加鋪補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí),假定原瀝青層不存在,先計(jì)算加鋪厚度,再計(jì)算原瀝青層有效厚度,最終得出所需加鋪的厚度,計(jì)算公式為

式中:C0為原有瀝青層損壞狀況系數(shù);h1為原有瀝青層厚度(cm);t為所需瀝青層總厚度(cm);hc為需加鋪厚度(cm).

1．3 國內(nèi)外設(shè)計(jì)方法對(duì)比

從上述國內(nèi)外設(shè)計(jì)方法中可以看出:中國現(xiàn)有的瀝青加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法主要參考國外設(shè)計(jì)框架,并沒有結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行大量的室內(nèi)足尺試驗(yàn)和理論分析,同時(shí)實(shí)體工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較少,導(dǎo)致加鋪結(jié)構(gòu)厚度及材料設(shè)計(jì)過于保守,無法滿足現(xiàn)有大型飛機(jī)荷載的要求.以FAA為代表的國外新的力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中存在的問題,可以表征溫度、荷載耦合作用下加鋪層的疲勞開裂,通過彈性層狀理論體系及數(shù)值模擬的方法,不僅可以考慮加鋪結(jié)構(gòu)的線彈性受力響應(yīng),而且還可以考慮材料非線性、幾何非線性等問題,具有很大的靈活性和較好的適應(yīng)能力.

2 結(jié)構(gòu)組合形式及病害特征

2．1 流亭國際機(jī)場

隨著流亭機(jī)場水泥混凝土道面使用年限的增長及使用性能的下降,原有道面結(jié)構(gòu)不能滿足使用要求,于是在2006年對(duì)該機(jī)場道面實(shí)施了瀝青加鋪改造工程.跑道采用雙層或三層瀝青加鋪結(jié)構(gòu),跑道南端500 m范圍內(nèi)采用6 cm厚SMA-16改性瀝青混凝土上面層、6 cm厚AC-20改性瀝青混凝土中面層、6 cm厚AC-20改性瀝青混凝土下面層;跑道北端2 900 m范圍內(nèi)采用6 cm厚SMA-16改性瀝青混凝土上面層、7～9 cm厚AC-20改性瀝青混凝土下面層;平行滑行道及聯(lián)絡(luò)道采用6 cm厚SMA-16改性瀝青混凝土上面層、7～9 cm厚AC-20改性瀝青混凝土下面層.隨著機(jī)場航空量的增長及大型寬體飛機(jī)的增加,部分加鋪區(qū)域損壞嚴(yán)重,使用性能復(fù)雜多變,對(duì)機(jī)場正常運(yùn)行和飛行安全產(chǎn)生了顯著影響.2013年,在對(duì)平行滑行道、聯(lián)絡(luò)道、跑道整體使用質(zhì)量進(jìn)行檢測后,對(duì)原有SMA-16加鋪層進(jìn)行6 cm銑刨并等厚重新加鋪.

該機(jī)場在施工過程中發(fā)現(xiàn)平行滑行道局部區(qū)域的輪轍最大達(dá)10 cm左右.飛機(jī)在平行滑行道上處于低速行駛或停滯狀態(tài),如果飛機(jī)在50 m·s－1的行駛速度下1次作用時(shí)間為0.01 s,則其在5 m·s－1速度下1次作用時(shí)間為0.1 s,也就是后者作用1次相當(dāng)于前者作用10次.因此,在低速行駛的不利狀態(tài)下,如果飛機(jī)在平行滑行道某一區(qū)域的停滯時(shí)間和停滯幾率較大時(shí),荷載在該區(qū)域的作用時(shí)間將急劇增大到其他區(qū)域的十倍甚至幾十倍,從而使道面很快出現(xiàn)早期變形病害.同時(shí),大型寬體飛機(jī)、交通量迅速增長及夏季高溫季節(jié)等不利條件的耦合作用也加劇了這種早期變形類病害的發(fā)生.

2．2 地窩堡國際機(jī)場

地窩堡國際機(jī)場所處地區(qū)季節(jié)溫差大、極端溫度低、冰凍時(shí)間長,惡劣的氣候因素導(dǎo)致了機(jī)場道面的表面破損病害較為嚴(yán)重,尤其是凍融作用引發(fā)的掉邊、掉角、剝落等表面功能性破壞.加上機(jī)場連續(xù)運(yùn)行時(shí)間較長(已達(dá)13年)且并無大修歷史,跑道和聯(lián)絡(luò)道的表面功能正處于加速衰退期,道面結(jié)構(gòu)剩余壽命約為6年.為了保障飛機(jī)的運(yùn)行安全,避免跑道和聯(lián)絡(luò)道上表面破損病害的加劇和惡化,對(duì)跑道和聯(lián)絡(luò)道進(jìn)行功能性大修改造.

結(jié)合機(jī)場區(qū)域的氣候條件,參考國內(nèi)其他同類機(jī)場的加鋪改造經(jīng)驗(yàn),根據(jù)初步設(shè)計(jì)評(píng)估報(bào)告及批復(fù),大修采用的道面加鋪結(jié)構(gòu)為:5 cm厚SMA-13瀝青混凝土上面層、6～8 cm厚AC-20改性瀝青混凝土下面層(不含找平層);考慮找平層后,下面層最小和最大施工厚度分別按4 cm、10 cm控制.道肩及防吹坪加鋪采用5 cm厚AC-13改性瀝青混凝土上面層、4～6 cm厚AC-13改性瀝青混凝土下面層;考慮找平層后,加鋪層最小攤鋪厚度按8 cm控制.

在使用過程中發(fā)現(xiàn),該機(jī)場聯(lián)絡(luò)道端部區(qū)域出現(xiàn)較嚴(yán)重的單側(cè)輪轍現(xiàn)象.飛機(jī)通過聯(lián)絡(luò)道從平行滑行道低速進(jìn)入跑道,聯(lián)絡(luò)道的兩端部通常為小半徑的圓弧,但是飛機(jī)的起落架間距較大,導(dǎo)致飛機(jī)在此處低速行駛時(shí)靠近圓弧內(nèi)側(cè)的起落架輪組近乎處于原地旋轉(zhuǎn)狀態(tài),對(duì)加鋪層產(chǎn)生較大的扭剪作用.聯(lián)絡(luò)道端部在這種扭剪力作用下處于不利受力狀態(tài),而且荷載作用時(shí)間將顯著增加.以飛機(jī)主起落架間距10 m為例,當(dāng)內(nèi)側(cè)圓弧半徑為10～20 m時(shí),內(nèi)側(cè)荷載作用時(shí)間為外側(cè)的1.5～2.0倍,且內(nèi)徑越小越不利.可見內(nèi)側(cè)不僅容易出現(xiàn)剪切拉裂破壞,還會(huì)出現(xiàn)推移、輪轍等變形破壞.也就是說,聯(lián)絡(luò)道加鋪層常處于重載、低速及內(nèi)側(cè)扭剪的受力狀態(tài),在夏季高溫季節(jié)會(huì)迅速出現(xiàn)單側(cè)輪轍病害.

2．3 貢嘎國際機(jī)場

貢嘎國際機(jī)場現(xiàn)有民航跑道長4 000 m、寬45 m,軍用跑道長3 800 m、寬45 m,飛行區(qū)等級(jí)為4E,可供空客A340等大型飛機(jī)起降.為了適應(yīng)新機(jī)型以及航空業(yè)務(wù)量的不斷增長,對(duì)該機(jī)場跑道進(jìn)行了加蓋工程.根據(jù)飛機(jī)在跑道上的運(yùn)行特性,兼顧施工的可行性以及節(jié)省投資和有利排水的需要,以15 cm為主要控制厚度,跑道加鋪結(jié)構(gòu)如表1所示.

表1 貢嘎機(jī)場跑道加鋪結(jié)構(gòu)組合形式

在使用過程中,機(jī)場跑道中部存在的問題相對(duì)較少,僅在跑道中間道肩出現(xiàn)些許裂縫;最主要的問題是在跑道西端出現(xiàn)局部推移變形、坑槽及小片裂痕等.飛機(jī)在跑道西端聯(lián)絡(luò)道端部進(jìn)入跑道,在這過程中飛機(jī)需緩慢垂直調(diào)轉(zhuǎn)機(jī)頭,從而對(duì)道面產(chǎn)生低速扭剪作用,逐漸產(chǎn)生滑移、推移等變形破壞.加鋪結(jié)構(gòu)層與舊水泥混凝土層間由于剪切及彎拉應(yīng)力作用出現(xiàn)疲勞破壞,處于不利接觸狀況.而且,隨著荷載及外界環(huán)境的反復(fù)作用,瀝青混合料內(nèi)部空隙率逐漸增大,外界水分通過空隙進(jìn)入混合料內(nèi)部及層間,使瀝青與集料間的黏結(jié)性能逐漸下降,尤其是在層間動(dòng)水壓力的作用下,混合料逐漸松散老化,瀝青膜剝落,最終導(dǎo)致層間完全分離.

3 存在的問題

3．1 加鋪結(jié)構(gòu)形式及厚度變化

從上述幾個(gè)機(jī)場道面加鋪結(jié)構(gòu)中可以看出,在已加鋪的工程中,層數(shù)以兩層或三層居多,每層厚度在5～10 cm,且平行滑行道、聯(lián)絡(luò)道、跑道上的加鋪結(jié)構(gòu)基本相同,僅在厚度上有2 cm左右的差異,選用的結(jié)構(gòu)組合形式較為單一.

3．2 加鋪材料的選擇

從中國機(jī)場瀝青加鋪層材料可以看出,上面層一般采用SMA瀝青瑪蹄脂碎石混合料,利用粗集料的嵌擠作用提高混合料的高溫穩(wěn)定性,并形成足夠粗糙的表面,大幅提高表層抗滑耐磨性能,加之瀝青瑪蹄脂填充于集料間隙形成高致密、小空隙材料,從而表現(xiàn)出出色的抗變形能力及耐久性.下面層則采用AC改性瀝青混合料,這種結(jié)構(gòu)材料在重載、高溫的長時(shí)間作用下抗剪切能力不足,很容易產(chǎn)生塑性流動(dòng)變形,造成輪轍、推移、擁包等病害.從幾個(gè)機(jī)場的病害特征中可以看出,這種結(jié)構(gòu)及材料組合形式在跑道中部飛機(jī)高速行駛下是可以滿足使用要求的;但是在平行滑行道飛機(jī)低速行駛或停滯、聯(lián)絡(luò)道飛機(jī)低速行駛且單側(cè)扭剪、跑道端部飛機(jī)低速且扭剪制動(dòng)的情況下,永久變形量迅速累積,從而造成飛行區(qū)早期局部變形破壞.

4 結(jié) 語

(1)現(xiàn)有機(jī)場瀝青加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在著一些問題,其中很重要的一點(diǎn)就是飛行區(qū)各區(qū)域加鋪結(jié)構(gòu)材料類型及結(jié)構(gòu)組合形式基本相同,僅在厚度上有2 cm左右的差異,而飛機(jī)在各平行滑行道、聯(lián)絡(luò)道及跑道的行駛特性差異較大,導(dǎo)致飛行區(qū)局部區(qū)域在外界環(huán)境、大型飛機(jī)荷載及不利行駛狀態(tài)的耦合作用下,很快出現(xiàn)早期變形破壞.

(2)從現(xiàn)有加鋪工程的使用情況來看:一方面在飛機(jī)荷載及環(huán)境因素作用下,接縫或裂縫處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,且在荷載反復(fù)作用下加鋪層底會(huì)因剪切作用產(chǎn)生疲勞裂縫并逐漸向上擴(kuò)展;另一方面,瀝青加鋪材料在荷載重復(fù)剪切作用下將產(chǎn)生剪切流動(dòng)變形,尤其是在低速、高溫、重載條件下,瀝青混合料抗變形能力顯著降低,從而很快產(chǎn)生永久變形.所以,需要對(duì)飛行區(qū)不同區(qū)域的容許剪應(yīng)力及容許輪轍深度進(jìn)行控制.

(3)飛機(jī)在平行滑行道低速行駛或停滯、聯(lián)絡(luò)道低速行駛且單側(cè)扭剪、跑道端部低速行駛且扭剪制動(dòng)及跑道中部高速行駛幾種狀態(tài)下,道面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及荷載作用時(shí)間存在較大差別,應(yīng)采用數(shù)值計(jì)算理論和大型足尺試驗(yàn)進(jìn)行不同區(qū)域差異設(shè)計(jì).

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[責(zé)任編輯:高 甜]

Structural Design of Asphalt Overlay on Existent Cement Concrete Pavement of Airport

HAN Qing
(Department of Automotive and Architectural Engineering,Shangqiu Polytechnic,Shangqiu 476100,Henan,China)

In view of the fact that there are still no mature methods and system for the design of asphalt overlay on existent cement concrete pavement of airport at present,and the overlay engineering has been unable to meet the increasingly complex traffic,load and climate conditions and the operation of airport in terms of design,construction and management．The main problems and weaknesses of existent cement concrete pavement during the serving of the airport were pointed out by comparing domestic and overseas design methods and analyzing several airport overlay projects in the country,which provides reference for regional difference design of asphalt overlay based on the travel characteristics of airplanes in different flight areas．

overlay engineering;airport;existent cement concrete pavement;structure design

U416．2

B

1000-033X(2017)05-0051-04

2016-11-22

韓 慶(1982-),男,河南商丘人,講師,工學(xué)碩士,研究方向?yàn)榈缆方ㄖ牧?