通航機場跑道道面承載能力分析

劉文芝，鄧月秋，何潔茹

（內蒙古工業大學 航空學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

機場跑道是飛機載荷的主要承載區域，ICAO 規定，起飛重量超過5 700 kg 的飛機，用飛機等級序號ACN 和道面等級序號PCN 的方法來確定飛機壓強和跑道強度間的關系；若PCN 大于ACN 值，則這類跑道可無限使用，特殊情況下，如果ACN 超過PCN 的5%～10%時，仍可使用，但跑道使用壽命會縮短[1]。

目前，根據承載機型的不同，機場跑道道面材料主要有剛性水泥混凝土和非剛性瀝青道面，采用哪種材料的道面，一方面取決于其承載強度，另一方面還需考慮其承載變形問題。雖然通航機場運行的飛機機型一般為中小型飛機，但隨使用時間的推移，道面的裂紋、破損和局部沉降等問題依然存在，對飛機和人員的安全產生威脅。因此，在跑道承載機型一定的前提下，道面材料承載能力的影響問題，是保證飛行和機場運行安全的關鍵。

基于以上問題，本文以飛行區指標Ⅱ為B 的通用航空機場跑道道面承載能力問題為算例，在A 類通航飛機總體設計[2]的基礎上，最大承載起飛重量為9 975 kg，考慮機輪間距以及機輪與道面間的摩擦，建立飛機與剛性和柔性兩種材料的道面摩擦接觸有限元計算模型；采用CAE 方法，直觀地分析了兩種材料的跑道道面，在飛機載荷作用下，不均勻下沉和承載能力問題。

1 水泥混凝土道面的承載能力分析

結合MH/T 5004—2010《民用機場水泥混凝土道面設計規范》[3]設置道面結構及相關參數。道面干燥時，機輪與道面間的靜摩擦因數為0.4～0.8，取0.6。

1.1 有限元計算模型

前起落架機輪與主起落架機輪分別與跑道表面接觸。根據機體和跑道參數，建立飛機與道面摩擦接觸有限元計算模型，如圖1 所示。

圖1 飛機與道面摩擦接觸有限元計算模型

1.2 道面承載強度

在飛機載荷作用下，水泥混凝土干燥道面的Z、X和Y 方向的應力計算結果如圖2-圖4 所示。

圖2 Z 方向的應力

圖3 X 方向的應力

圖4 Y 方向的應力

由圖2-圖4 可知，在飛機最大重量載荷作用下，后主起落架機輪對道面的壓力大于前起落架機輪的壓力。Z、X 和Y 方向的應力極值分別為2.16、1.44 和1.49 MPa；在垂直跑道面的Z 方向，應力最大，產生在機輪作用面的中心位置。由于摩擦的存在，X 和Y 方向的應力極值，分別產生在機輪壓縮變形趨勢方向。

對于飛行區指標Ⅱ為B 的機場，滿足水泥混凝土道面4.5 MPa 的強度要求。因此，該水泥混凝土道面，滿足強度要求。

1.3 道面沉降

1.3.1 沉降區域

在飛機載荷作用下，水泥混凝土干燥道面的Z、X 和Y 方向的變形作用區域的計算結果，如圖5-圖7 所示。

圖5 Z 方向的變形作用區域

圖6 X 方向的變形作用區域

由圖5-圖7 可知，在飛機載荷作用下，水泥混凝土干燥道面沿垂向Z 方向主要向深度方向延伸；在機輪變形和機體載荷共同作用下，沿道面寬度X 方向，道面變形有一定擴展；而沿道面長度Y 方向，道面變形擴展最為嚴重，前起落架和主起落架的作用下，變形區域級別連通。因此，跑道道面如果出現強度不足，其裂紋主要向長度方向擴展。

1.3.2 沉降量

在飛機載荷作用下，水泥混凝土干燥道面的Z、X和Y 方向的沉降情況的計算結果，放大后的顯示，如圖8-圖10 所示。

圖8 Z 方向的沉降

圖9 X 方向的沉降

圖10 Y 方向的沉降

由圖8-圖10 可知，在飛機載荷作用下，水泥混凝土干燥道面沿Z、X 和Y 方向沉降極值分別為0.164×10-5、0.223×10-6和0.189×10-6mm；最大沉降變形產生在垂直道面的Z 方向。

水泥混凝土干燥道面，跑道三個方向的沉降很小，同時強度滿足要求，因此，正常承載情況下，不會有微裂紋的產生；道面第二層會受機體載荷一定程度的影響，其余層強度支撐作用很好。

2 瀝青道面承載能力分析

結合MH/T 5010—2017《民用機場瀝青道面設計規范》[4]設置道面結構及相關參數。道面干燥時，機輪與道面間的靜摩擦因數為0.4～0.8，取0.7。

2.1 道面強度

在飛機載荷作用下，瀝青混凝土干燥道面的Z、X和Y 方向的應力計算結果，如圖11-圖13 所示。

圖11 Z 方向的應力

圖12 X 方向的應力

圖13 Y 方向的應力

由圖10-圖13 可知，與水泥混凝土道面相比，在飛機載荷作用下，瀝青混凝土的較軟的材料和較大的變形，使得在飛機最大重量載荷作用下，Z、X 和Y 方向的應力極值分布并不相同；由于瀝青道面較軟，且層數多，三個方向的應力極值逐漸減小；垂直道面的Z 方向，前起落架和主起落架機輪對道面承載能力影響皆大，最大應力為0.131 MPa，滿足道面材料0.44 MPa 許用應力要求。

2.2 道面沉降

在飛機載荷作用下，瀝青混凝土干燥道面的Z、X和Y 方向的變形和沉降計算結果，放大顯示，如圖14-圖16 所示。

圖14 Z 方向沉降

圖15 X 方向沉降

圖16 Y 方向沉降

由圖14-圖16 可知，在飛機載荷作用下，與水泥混凝土干燥道面相比，瀝青混凝土沿Z、X 和Y 方向的沉降大于水泥混凝土道面，其變形極值分別為0.296×10-4、0.318×10-5和0.348×10-5mm；最大沉降變形產生在垂直道面的Z 方向。

與水泥混凝土道面相比，瀝青道面的最大沉降是其18.048 倍；其沉降深度影響和變形范圍更大，其余層強度支撐作用很好。

3 結束語

對飛行區指標Ⅱ為B 的通航機場，以水泥混凝土道面和瀝青道面為算例，建立了飛機與道面間的摩擦接觸有限元計算模型，對兩種材料跑道道面的強度和不均勻下沉的情況，用CAE 方法進行了對比分析，簡單直觀易于理解；計算中未考慮地區環境溫度、濕度以及飛機著陸沖擊力等對跑道道面材料性能的影響。計算結果表明，在靜載荷作用下，水泥混凝土干燥道面主要失效形式是強度，而瀝青混凝土道面的主要失效形式是變形。