基于動載系數的機場復合道面剩余壽命研究

朱杰濤

（濱州學院，山東 濱州 256601）

機場道面剩余壽命預估是道面評價的主要指標之一。公路道面剩余壽命預估比較成熟，但機場復合道面剩余壽命預估還相對欠缺，目前，國內外學者對其進行了研究。周正峰等[1]應用多種方法對機場復合道面剩余壽命進行預估，并對結果的實用性進行分析。蔡良才等[2]基于累計損傷的機場道面剩余壽命預測模型，通過與機場實際道面對比來驗證正確性。凌建明等[3]研究機場瀝青道面剩余壽命預測方法，并用實例進行驗證。在公路方面，秦昊等[4]先分析不平整道面的動載系數，然后求解瀝青道面剩余壽命。張敏霞等[5]對水泥道面進行動載試驗，預估疲勞壽命及分析影響因素。史軍強[6]以層間接觸狀態對公路道面疲勞壽命進行分析。

1 基于動載系數的復合道面剩余壽命求解

1.1 動載系數分析

以B737-800為例，求解在不同國際平整度指數（International Roughness Index，IRI）條件下的機場復合道面動載系數得到：整體動載系數隨著滑行速度的加快，呈現先增大后減小的趨勢；隨著IRI增大而增大，當IRI不超過6時，道面整體劣化程度對動載系數影響較小（1.02～1.19），實地調查道面劣化程度遠大于規范要求，所以，分別計算IRI為20、30、40的動載系數的最大值為1.8、2.4、2.7。在局部劣化條件下，計算飛機經過坑槽時產生的最大動載系數得出：滑行速度低于10 m/s，動載系數為1.0～1.6；速度在10～25 m/s時，系數為1.3～2.4，局部劣化對動載系數產生的影響要遠大于整體劣化。動荷載是加速道面使用壽命縮短的關鍵因素，柔性道面的設計壽命為15年以上，實際使用壽命為7年左右，因此，研究動載系數對剩余壽命的影響具有重要意義。依據前文研究結果，考慮規范[7]要求及道面實際情況動載系數取值為1.1～1.6。以上海虹橋機場為例，參照[8]選用B777-200作為換算機型，得到設計機型年運行次數為34 146次，對動載系數作用下機場復合道面剩余壽命進行預估。

1.2 機型及道面結構

本研究選取多次加鋪的上海虹橋機場作為研究對象，參考相關資料及實地調查復合道面結構參數，如表1所示。根據溫克樂地基上的彈性薄板理論，應用ABAQUS建立四邊自由的三維有限元模型，層間結合系數從上到下依次為0.8、0.7、0.6。B777-200起落架構型與幾何尺寸如表2所示。

表1 復合道面結構層參數

表2 飛機起落架構型與幾何尺寸

1.3 預估方法

對于多次加鋪的道面，進行傳統復合道面設計時，大多根據彈性層狀體系，假設各結構間是一個整體，沒有考慮層間結合狀態，也沒有考慮道面整體和局部破壞時產生的動荷載，所以，道面的設計壽命遠大于使用壽命。傳統預測復合道面的疲勞壽命都是采用單一面層材料，少有方法對復合道面疲勞壽命進行計算，對平整度劣化的復合道面剩余壽命預估更是空白。分別提取劣化條件下舊水泥砼道面、瀝青道面、復合道面中最危險的點進行剩余壽命預估，在改進劣化條件下對復合道面剩余壽命進行預估。

對瀝青道面剩余壽命的預估采用美國FAA開發的LEDFAA，該方法以累積疲勞損傷原理為依據，瀝青砼加鋪層覆蓋率—應變模型為[2]：

式中：Ne為疲勞破壞時的作用次數；εa為加鋪層底最大水平拉應變；EA為瀝青砼彈性模量，MPa。

采用Miner準則計算各類機型作用下的年累計疲勞損傷率之和D，其中，ni表示第i類飛機年預計作用次數。道面的剩余使用年限y=1/D。

對水泥砼疲勞壽命的計算，則采用美國NCHRP-26疲勞方程，有限元模擬結果能更好地適應該方程[1]：

式中：Ne為機輪作用處50%水泥板開裂時累計作用次數；MR為水泥板設計強度，取5.2 MPa；σ為水泥板底最大拉應力，MPa。

計算道面剩余使用年限為：

式中：Ne為評價機型剩余累計作用次數；Ns為評價機型的年當量運行次數；T為通行寬度，跑道取11.4 m；nw為一個主起落架的輪子數，個；Wt為輪印寬度，cm。

1.4 預估結果

應用ABAQUS建立三維有限元模型，提取相關數據，根據公式（1）和公式（3）分別對水泥板和瀝青混凝土加鋪層進行剩余壽命預估（見表3～4），上海虹橋機場剩余壽命預估如表5所示。

表3 瀝青混凝土剩余壽命預估

表4 水泥板剩余壽命預估

表5 上海虹橋機場剩余壽命預估

對比以上結果，在動載系數不超過1.2時，水泥砼板的剩余壽命大于瀝青面層；在動載系數不小于1.3時，瀝青面層的剩余壽命大于水泥砼板。復合道面任一結構層發生破壞，將直接影響道面使用性能，因此，傳統對單一水泥板或者瀝青面層剩余壽命進行預估是不合理的，應采用多種方法，分別對水泥板和瀝青面層進行剩余壽命預估。美國NCHRP-26疲勞分析法和LEDFAA兩種預估方法選取控制指標不同，導致結果具有差異性。上述計算結果與實際道面實際情況具有一定的差距，但整體趨勢相同，同樣具有重要的指導價值。

2 結語

（1）道面平整度劣化是導致機場復合道面剩余壽命縮短的主要原因，且局部劣化影響遠大于整體劣化。

（2）隨著道面不平整的加劇，道面動載系數逐漸減小，當動載系數為1.3時，剩余壽命降幅很大，大于等于1.6時趨于0。

（3）兩種不同的評估方法由于評估模型選取指標不同，結果具有差異性。