機場道面結構荷載作用深度的數值模擬

李香香 王慧穎 田昱文 劉鄭 王巖梓

摘? 要：隨著科技的日益發展，民航事業的突飛猛進，針對機場道面的研究也越來越多。在飛機往復的起飛與降落作用下，許多的因素會對道面產生不同程度的影響，以至于對機場道面的建設會產生許多的要求。其中，荷載作用深度對道面會產生不可忽視的影響。因此，文章通過利用有限差分方法進行數值模擬，對機場道面的荷載作用深度進行研究。研究表明，在道面下一定深度范圍內，道面荷載會對道面產生影響，且影響大小隨深度逐漸降低;超出這個范圍，道面荷載對道面的影響太小基本上可以忽略。

關鍵詞：機場道面;道面荷載;作用深度;數值模擬

中圖分類號：V351? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）34-0035-02

Abstract： With the development of science and technology， the civil aviation industry has made rapid progress， and there are more and more researches on airport pavement. Under the action of repeated take-off and landing， many factors will have different degrees of impact on the runway， so that there will be a lot of requirements on the construction of airport runway. Among them， the loading depth has a significant influence on the pavement surface. Therefore， the loading depth of airport pavement was studied by numerical simulation in this paper. The research shows that within a certain depth range under the pavement the pavement load will have an impact on the pavement， and the value decreased with the depth. Beyond this range， the impact of pavement load on the pavement is too small to be ignored.

Keywords： airport pavement; pavement load; depth; numerical simulation

引言

隨著科學技術的日益發展，民航事業的蓬勃發展，研究者對機場的各方面已經有了大量深刻的研究，其中關于機場道面荷載作用的研究比較廣泛。姚妙嫻等[1]在研究中指出飛機荷載引起的附加應力沿深度方向迅速衰減。周蘇杰[2]等發現道面與地基會在飛機荷載作用下，會產生沉降的問題。利用對不同起落架的荷載作用研究，表明在荷載作用下，道面會產生裂縫甚至斷板，混凝土損壞后，可能會導致路基出現空洞或不均勻變形。張寶鵬[3]等利用對荷載作用的研究，表明荷載在不同位置作用時，對道面結構的影響不同。其中，荷載作用于板角時，道面位移最大。因此，荷載作用因素對道面的影響非常大。然而目前對于荷載深度的研究普遍較少，機場道面荷載作用深度影響著土基的沉降以及道面結構的耐久性，對于不停航條件下的機場道面下穿工程也有普遍的參考意義，因此極有必要進行深入研究。

1 道面結構數值模擬參數

1.1 水泥混凝土設計強度

根據《民用機場水泥混凝土道面設計規范》（MH/T5004-2010）道面水泥混凝土的設計強度，應采用28d齡期彎拉強度。對于飛行區指標Ⅱ為C、D、E、F的機場，其水泥混凝土設計強度不應低于5.0MPa。

1.2 水泥混凝土彎拉彈性模量和泊松比

當水泥混凝土的彎拉設計強度為5MPa時，水泥混凝土彎拉彈性模量為37GPa，水泥混凝土泊松比μ設為0.15。

1.3 基層頂面反應模量最低值

基層頂面反應模量，對于飛行區指II為C、D、E、F時，不應低于80MN/m3。

1.4 新建道面水泥混凝土板的最小厚度

新建道面水泥混凝土板的厚度，飛行區指標Ⅱ為C、D、E、F時不應小于240mm。

由以上機場建設規范對道面結構參數的要求，設計模型中的參數如表1所示。

2 本構模型的選擇

FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）為三維有限差分數值方法，通過調整三維網格中的多面體單元來擬合實際的結構，單元材料可采用線性或非線性本構模型。常海鋒[4]利用FLAC3D模擬路基的沉降、應力變化，為路基填筑工作提供現實依據，并為安全生產提供一定的保障。本文采用FLAC3D塑性模型中的摩爾庫倫模型進行計算。摩爾庫倫本構模型對于粉土、砂土、巖石等符合彈塑性本構關系的材料均有較好的模擬效果。

3 模型設計

機場道面是多層次的層狀結構，根據各層次的功能和所用材料特性， 將其劃分為面層、基層和土基三個層次[5]。道面結構層設計時，通常假設道面板簡化為矩形薄板[6]。

設計5m×5m×5m，網格的三邊長度均為2mm的數據分析模型，以更加直觀的數據進行表達，來對道面進行模擬分析。荷載作用對道面的影響范圍，即荷載作用深度的測定。其中設定圖中綠色代表跑道面層（A），紅色代表基層（B），紫色代表墊層（C），最下面的藍色代表土基（D），模型網格劃分如圖1所示。

4 荷載的施加

導入道面參數后。利用各項同性的彈性模型，計算結構層在只有重力的情況下道面產生的位移與應力，將得到的數據清零。對歸零后的模型使用摩爾庫倫模型，機輪荷載沿z軸方向作用在面層表面。這樣可以去除重力對模型計算的影響。

本文采用A320為機輪荷載測試機型，A320的輪載為1.14MPa，輪胎著地寬度為0.25m，輪胎著地長度為0.4m，起落架胎數為2個，輪胎間距為0.78m。

5 荷載作用深度的確定

為了確保道面產生明顯的位移，本次實驗設置兩種荷載。第一種荷載：只施加重力;第二種荷載：施加重力和機輪荷載，位移隨深度對的變化如圖2所示。

從圖中可知：

（1）不加荷載的位移隨深度的加深，位移緩慢減小，位移最大值約為2.5mm，加荷載的位移隨著深度的增加，在0～1m處出現峰值約5mm，之后位移也減小，但減小速度較不加荷載情況快。

（2）加荷位移與不加荷位移在深度為0～1m處，相差約2.5mm，相差比較大，隨后位移差逐漸減小，趨于相等，位移深度為4m時，加荷位移與不加荷位移基本一致。

（3）荷載作用深度在0～4m的深度范圍內，荷載會對道面位移產生影響，荷載作用深度超過4m以后，荷載對道面位移的影響可以忽略不計。

6 結論

本論文利用有限差分方法對于某一特定機型的荷載作用深度進行研究，通過數值模擬可以得出以下結論：

（1）利用有限差分方法可以對道面受荷情況進行很好的模擬，其荷載作用規律與理論解基本一致。

（2）飛機荷載大小及作用效果隨著深度的增加，逐漸減小，飛機荷載僅對基層淺部土體應力產生影響，對于深部土體影響有限。

（3）對于模擬工況，A320的飛機荷載作用深度為4m，超過4m以后，飛機荷載作用的影響深度可以忽略不計。

（4）對于荷載較大的機型需對機場道面受力情況進行專項評估，對于機場不停航穿越工程，當位于飛機荷載影響區內時，需考慮飛機荷載的影響。

參考文獻：

[1]姚妙嫻，韓進寶，張合青.飛機荷載作用下道面及地基土數值分析[J].低溫建筑技術，2016，38（01）：109-111.

[2]周蘇杰.飛機荷載作用下機場道基動力響應及沉降分析[D].南京航空航天大學，2018.

[3]張寶鵬.局部嵌固式修復體結構優化與施工工藝研究[D].中國民航大學，2017.

[4]常海鋒.淺談FLAC3D在巖土工程中的應用[J].四川建材，2020，46（05）：51-52.

[5]咼潤華，凌建明.飛機荷載作用下場道地基附加應力特征[J].同濟大學學報（自然科學版），2001（03）：288-293.

[6]鄭飛，翁興中.飛機荷載下水泥混凝土道面板應力計算方法[J].交通運輸工程學報，2010，10（04）：8-15.