機場瀝青混凝土道面設計的力學—經驗法

(中國民航大學機場學院　天津　300300)

引言

機場瀝青道面損壞的主要類型有輪轍、龜裂和縱橫向裂縫，其中前兩種屬于結構性損壞。現有的設計方法中雖主要分析了道面結構的受力和變形特性，但遠沒有有效解決其結構設計中無法控制發生結構性損壞的突出問題。

一、美國聯邦航空局LEDFAA

美國FAA開發的LEDFAA系列程序中，道面輪轍損壞通過土基頂面的最大豎向壓應變與荷載反復作用次數的關系來表征。對于給定的土基頂面豎向應變值，確定道面損壞前所能承受的飛機覆蓋次數的損壞模式方程為:

(1)

式中:C-道面在損壞前所能承受的覆蓋次數；ESG-土基回彈模量；εv-土基頂面的豎向壓應變

該模型中的土基模量反映了土基的損壞效應。對于給定的應變值，隨著土基模量的下降，道面在損壞前所能承受的覆蓋次數也呈下降趨勢，這樣設置是為了模擬當土基強度下降時，道面結構通常會產生塑性變形增加效應。

LEDFAA1.3中采用分段方程的形式來表征輪轍損壞模型:

根據NAPTF的現場輪轍足尺試驗數據，回歸了輪轍預估模型:

logN=A+bεv(3)

式中:N-疲勞損壞時的作用次數;A-材料常數;b-材料損壞指數;εv-土基頂面壓應變

二、FAA力學—經驗法

美國聯邦航空局FAA針對新一代大型飛機，建立了以彈性層狀體系為理論基礎、以飛機荷載作用下瀝青層底的水平拉應變以及土基頂面的豎向壓應變作為設計控制指標的力學—經驗法，并且開發了設計軟件LEDFAA，該軟件以FAA自行開發的彈性層狀體系分析軟件LEAF，作為道面結構力學響應的核心計算程序，具體瀝青道面厚度設計流程見圖1。

圖1　FAA瀝青道面設計流程圖

設計過程中，對于多輪起落架荷載，采用疊加原理進行計算，通過該程序獲得設計指標對應的力學響應量，然后代入使用性能預估方程進行計算，而則采用上述新的覆蓋次數的概念確定，通過幾輪試算最終達到標準0.95

三、設計指標的累積損傷

根據Miner定律，不同飛機荷載對道面產生的疲勞損傷可以線性疊加。按照該定律針對各種飛機不同的設計參數，分別計算得到其對道面的疲勞損傷程度，然后把不同飛機的疲勞損傷程度進行線性累加，得到一個累積損傷因子CDF(cumulative damage factor)，根據CDF是否接近1來判定道面是否達到疲勞損壞狀態,這一概念就稱為累積損傷原理。

累積損傷因子CDF是道面在各種機型作用下已經使用疲勞壽命的表征，可通過各種機型的線性疊加得到，參見式(3-1)：

(3-1)

式中：ni—第i種飛機的預期重復作用次數；k—使用飛機的總數；Ni—第i種飛機的允許重復作用次數，由設計指標的損壞預估方程決定；

道面結構設計采用CDF作為指標時，以CDF的大小來判定結構設計的合理性，CDF與設計控制損壞標準的對應關系如下：

當CDF=1時，道面在到達預期的設計使用年限時達到損壞標準；

當CDF<1時，道面在到達預期的設計使用年限時，尚未達到損壞標準，還有剩余的使用壽命；

當CDF>1時，道面在未到預期設計使用年限時就提前達到損壞標準，壽命不足。

在道面結構設計中可以把CDF控制在0.95～1.05的范圍內作為設計準則，也可以根據可靠度的概念，動態地制定CDF的可接受標準。

四、結論

新一代大型飛機起飛重量大、起落架構型復雜、機輪多，在其復雜起落架構型多輪荷載的長期作用下，對機場道面結構設計提出了新的要求。

基于道面結構力學響應的力學—經驗法已成為新一代機場道面設計方法發展的趨勢，本論文提出的設計方法新體系即采用力學—經驗法，針對柔性基層瀝青道面疲勞開裂和輪轍變形的控制設計，采用基于累積損傷的設計方法，建立了道面結構設計流程和詳細步驟，力學—經驗法已成為世界各國積極發展的研究方向。