胥祥偉，廖述清，王選倉(cāng)，汪日燈 ，孔二春

(1.中交機(jī)場(chǎng)勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引 言

機(jī)場(chǎng)道面相比于公路路面，受力環(huán)境更加惡劣[1-4]，飛機(jī)輪胎接地壓力約為汽車(chē)輪胎接地壓力的1.5～2.2倍[5-6]，且飛機(jī)在加速起飛及高速運(yùn)行狀態(tài)下剎車(chē)時(shí)也會(huì)對(duì)機(jī)場(chǎng)道面產(chǎn)生較大的水平荷載[7]，從而使道面內(nèi)部出現(xiàn)較大水平剪應(yīng)力[8]，若層間黏結(jié)強(qiáng)度不足，在高溫條件下，瀝青面層易產(chǎn)生輪轍、滑移及擁包等病害[9-11]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)非洲地區(qū)機(jī)場(chǎng)道面層間工作狀態(tài)的研究較少，大多數(shù)加鋪模型基于特定條件和邊界假設(shè)得到，并無(wú)實(shí)際的指導(dǎo)意義[12-13]。本文借助ABAQUS有限元軟件分析了機(jī)場(chǎng)道面在B767-200飛機(jī)荷載作用下的層間工作狀態(tài)，并與BZZ-100標(biāo)準(zhǔn)汽車(chē)荷載計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到道面結(jié)構(gòu)層中剪應(yīng)力的空間分布及受剪切最不利位置；并進(jìn)一步分析道面層間工作狀態(tài)與各影響因素之間的關(guān)系，結(jié)果可為相似項(xiàng)目提供理論支撐。

1 道面結(jié)構(gòu)參數(shù)

參考南蘇丹朱巴機(jī)場(chǎng)原有道面結(jié)構(gòu)，建立非洲熱帶地區(qū)典型柔性機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)模型并給出相應(yīng)的參數(shù)，如表1所示。建立有限元模型時(shí)，以空間直角坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，尺寸為5 m×5 m×5 m。X方向?yàn)榈烂婵v向，Y方向?yàn)榈烂鏅M向，Z方向?yàn)樯疃确较颉＿吔鐥l件為：限制橫向水平位移及縱向水平位移[14]；路基底面約束各個(gè)方向的位移，選用8節(jié)點(diǎn)減縮積分單元C3D8R計(jì)算單元[15-17]。

表1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 荷載作用形式

飛機(jī)荷載主要由飛機(jī)的主起落架承擔(dān)，由于起落架構(gòu)型不同，飛機(jī)荷載作用在道面的形式比較復(fù)雜。按照軸數(shù)和輪數(shù)，主起落架的構(gòu)型主要包括單軸單輪、單軸雙輪、雙軸單輪、雙軸四輪、三軸雙輪，同時(shí)也有以A380飛機(jī)為代表的復(fù)合式構(gòu)型。

根據(jù)《民用機(jī)場(chǎng)瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)規(guī)范》(MH 5010—1999)，在道面設(shè)計(jì)時(shí)選用設(shè)計(jì)年限內(nèi)對(duì)道面要求最高的機(jī)型作為設(shè)計(jì)飛機(jī)，設(shè)計(jì)飛機(jī)主起落架的單輪荷載

(1)

式中：Ps為設(shè)計(jì)飛機(jī)主起落架上的單輪荷載(kN)；G為設(shè)計(jì)飛機(jī)最大起飛荷載(kN)；ρ為主起落架荷載分配系數(shù)；ne為設(shè)計(jì)飛機(jī)的主起落架個(gè)數(shù)；nw為單獨(dú)主起落架的輪子數(shù)目。

包括中國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)規(guī)范中，都把單個(gè)輪印設(shè)為由一個(gè)矩形和兩個(gè)半圓組成的橢圓形，橢圓形的長(zhǎng)寬比為1∶0.6。在有限元計(jì)算中為方便單元?jiǎng)澐?，并減少計(jì)算中橢圓形荷載周邊產(chǎn)生的應(yīng)力突變，故將荷載作用形狀簡(jiǎn)化為長(zhǎng)寬比為0.871 2∶0.6的矩形，如圖1所示。

圖1 飛機(jī)單輪荷載簡(jiǎn)化

橢圓形的長(zhǎng)度

(2)

式中：L為輪印長(zhǎng)度(mm)；q為輪胎壓強(qiáng)(MPa)。

朱巴機(jī)場(chǎng)加鋪后，最大機(jī)型由B737升級(jí)為B767。根據(jù)機(jī)場(chǎng)航空量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，可知2020年左右B767型飛機(jī)為是朱巴機(jī)場(chǎng)道面要求最高的機(jī)型，本文在分析時(shí)以B767-200作為設(shè)計(jì)飛機(jī)，其參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 B767-200飛機(jī)參數(shù)

對(duì)于B767-200機(jī)型，將橢圓荷載簡(jiǎn)化為矩形荷載，得到L=0.487 1 m，單輪荷載簡(jiǎn)化為0.424 4 m×0.292 3 m的矩形，根據(jù)B767-200機(jī)型參數(shù)，其荷載與汽車(chē)軸載BZZ-100分布形式如圖2、3所示。

圖2 B767-200荷載布置形式

圖3 BZZ-100荷載布置形式

3 層間工作狀態(tài)

為了研究不同因素對(duì)層間剪應(yīng)力的影響規(guī)律，首先需要確定在路面層間所產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力的作用位置。本文通過(guò)ABAQUS軟件計(jì)算設(shè)計(jì)飛機(jī)在荷載作用下不同位置的受力情況，從而確定最不利位置?？紤]到B767-200單個(gè)輪組荷載的對(duì)稱(chēng)性，故這里僅討論X>0、Y>0的情況。

3.1 垂直于行駛方向

計(jì)算B767-200飛機(jī)荷載和BZZ-100汽車(chē)軸載在垂直于行駛方向上的不同點(diǎn)位所產(chǎn)生的沿行駛方向剪應(yīng)力的變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖4、5。

圖4 B767-200荷載垂直于行駛方向的剪應(yīng)力

圖5 BZZ-100荷載垂直于行駛方向的剪應(yīng)力

由圖4、5可知：在垂直于行駛方向，對(duì)于B767-200荷載和BZZ-100荷載，當(dāng)條件限定為X=0、Z=0.1時(shí)，分別在Y=0.55 m及Y=1.5δ(δ=0.106 5 m)位置附近產(chǎn)生了最大的剪應(yīng)力；對(duì)于2種不同的荷載，發(fā)現(xiàn)其受剪最不利位置的Y坐標(biāo)與輪跡中線(xiàn)的Y坐標(biāo)一致。

3.2 沿行駛方向

計(jì)算B767-200和BZZ-100荷載在行駛方向上的不同點(diǎn)位所產(chǎn)生的沿行駛方向剪應(yīng)力的變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖6、7。

圖6 B767-200荷載沿行駛方向的剪應(yīng)力

圖7 BZZ-100荷載沿行駛方向的剪應(yīng)力

由圖6、7可知，在行駛方向上，對(duì)于B767-200荷載和BZZ-100荷載，當(dāng)條件分別限定為Y=0.55、Z=0.1 和Y=1.5δ、Z=0.1時(shí)，分別在X=0.9 m及X=1.0δ(δ=0.106 5 m)位置附近產(chǎn)生了最大的剪應(yīng)力。分析其受剪最不利位置，發(fā)現(xiàn)無(wú)論對(duì)于飛機(jī)荷載還是汽車(chē)荷載，沿X軸方向最大剪應(yīng)力位置均出現(xiàn)在輪印的前緣附近。

3.3 沿深度分布情況

計(jì)算B767-200和BZZ-100荷載在行駛方向上的不同點(diǎn)位所產(chǎn)生的沿深度方向剪應(yīng)力變化情況，計(jì)算點(diǎn)位及結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 B767-200和BZZ-100荷載沿深度方向剪應(yīng)力

由圖8可知，當(dāng)條件分別限定為X=0.9、Y=0.55和X=1.0δ、Y=1.5δ時(shí)，BZZ-100荷載在深度方向上產(chǎn)生的剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)在0.04 m深處，約為0.3 MPa；飛機(jī)起落架荷載引起的最大剪應(yīng)力約為標(biāo)準(zhǔn)軸載的2倍，B767-200飛機(jī)荷載剪應(yīng)力峰值在0.06 m深處附近，但在深度0.03～0.11 m之間行車(chē)方向的剪應(yīng)力均大于0.60 MPa，在深度0.15 m以?xún)?nèi)剪應(yīng)力均大于0.5 MPa。

BZZ-100荷載出現(xiàn)最大剪應(yīng)力的位置在上中面層之間，而B(niǎo)767-200荷載出現(xiàn)剪應(yīng)力較大的深度范圍較廣，對(duì)于中下面層之間和原有路面與加鋪層間的抗剪強(qiáng)度要求更高，如若在剪應(yīng)力大的區(qū)域出現(xiàn)層間黏結(jié)強(qiáng)度不足的情況，在反復(fù)剪切作用下路面易出現(xiàn)疲勞破壞[18]。

4 層間工作狀態(tài)的影響因素

4.1 加鋪層回彈模量

加鋪層模量取值范圍為1 000～2 000 MPa，以100 MPa為梯度遞增，不同模量的機(jī)場(chǎng)加鋪層層間最大剪應(yīng)力如表3及圖9所示?？芍杭愉仦r青混凝土模量的增加可以在一定程度上起到降低層間最大剪應(yīng)力的效果，但效果并不明顯；當(dāng)加鋪層模量從1 000 MPa增至2 000 MPa時(shí)，B767-200和BZZ-100荷載產(chǎn)生的層間剪應(yīng)力分別下降了4%和6%。故選用模量較大的瀝青混合料作為機(jī)場(chǎng)加鋪層材料可以降低層間的剪應(yīng)力。

表3 加鋪層模量對(duì)層間最大剪應(yīng)力的影響

圖9 加鋪層模量對(duì)加鋪層間最大剪應(yīng)力的影響

4.2 加鋪層厚度

《民用機(jī)場(chǎng)瀝青混凝土道面設(shè)計(jì)規(guī)范》(MH5010—1999)中規(guī)定，原有瀝青道面加鋪層厚度不小于5 cm，故加鋪層厚度取值范圍為5～20 cm，以2.5 cm為梯度遞增。層間最大剪應(yīng)力與加鋪層厚度的關(guān)系如圖10及表4所示。

圖10 加鋪層厚度對(duì)層間最大剪應(yīng)力的影響

由圖可知，加鋪層厚度變化對(duì)層間剪應(yīng)力有較大影響，對(duì)于B767-200荷載，當(dāng)加鋪層厚度由5 cm上升至 20 cm時(shí)，層間剪應(yīng)力下降了45.5%，而B(niǎo)ZZ-100荷載則下降約70%。由此可見(jiàn)，通過(guò)增加加鋪層厚度可以顯著減少層間的剪應(yīng)力。

表4 加鋪層厚度對(duì)層間最大剪應(yīng)力的影響

4.3 設(shè)置柔性層

設(shè)置柔性層可以減緩舊道面反射裂縫對(duì)加鋪層層間剪應(yīng)力的影響[19-20]。實(shí)際設(shè)置柔性層厚度一般在10 cm左右，故模型中舊路與加鋪層間柔性層的厚度統(tǒng)一為10 cm，模量在400～800 MPa之間，分析不同柔性層模量對(duì)層間剪應(yīng)力的影響，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 設(shè)置柔性層對(duì)層間最大剪應(yīng)力的影響 MPa

分析表5可知：設(shè)置柔性層可以有效減少層間剪應(yīng)力，柔性層頂?shù)募魬?yīng)力高于柔性層底；對(duì)于柔性層頂?shù)募魬?yīng)力，當(dāng)柔性層模量從400 MPa上升至800 MPa時(shí)，B767-200和BZZ-100荷載的層間剪應(yīng)力分別上升23%和28.7%。

4.4 原有道面回彈模量的影響

原有道面回彈模量取值在200～1 400 MPa范圍內(nèi)，以200 MPa為梯度遞增，原有道面不同模量情況下沿行駛方向的剪應(yīng)力變化如表6所示。

由表6可知，原有道面模量的變化對(duì)層間剪應(yīng)力影響較大：對(duì)于B767-200荷載，當(dāng)原有道面模量由400 MPa上升至1 400 MPa時(shí)，層間剪應(yīng)力增大了46.4%；而對(duì)于BZZ-100荷載則增大了約35.5%。但是，在實(shí)際加鋪過(guò)程中，如果原有道面模量過(guò)低會(huì)造成道路整體結(jié)構(gòu)承載能力不足，因此需要對(duì)舊路病害進(jìn)行處理，必要時(shí)銑刨掉舊路并填充新料，同時(shí)可以通過(guò)在舊路和加鋪層間設(shè)置柔性層來(lái)降低加鋪層的層間剪應(yīng)力。

表6 原有道面模量對(duì)層間最大剪應(yīng)力的影響 MPa

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)ABAQUS軟件分析了機(jī)場(chǎng)道面在B767-200飛機(jī)荷載作用下的層間工作狀態(tài)，并與BZZ-100標(biāo)準(zhǔn)荷載計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)對(duì)道面層間工作狀態(tài)的影響因素進(jìn)行深入分析，得出以下結(jié)論。

(1)對(duì)于給定的道面結(jié)構(gòu)，在B767-200和BZZ-100荷載作用下，道面受剪最不利位置均出現(xiàn)在輪印前緣附近。BZZ-100荷載作用時(shí)，最大剪應(yīng)力位于上中面層之間；B767-200荷載作用時(shí)，在較寬的深度范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)較大的剪應(yīng)力。

(2)在其他條件不變情況下，提高加鋪層材料的模量和厚度均能降低層間最大剪應(yīng)力，且增加厚度帶來(lái)的最大剪應(yīng)力降低效果更顯著。

(3)設(shè)置柔性層可有效降低層間剪應(yīng)力，柔性層頂部和底部的剪應(yīng)力均隨柔性層材料彈性模量的增加而增大。

(4)原有道面模量的變化對(duì)層間剪應(yīng)力的影響較大，對(duì)于B767-200荷載，當(dāng)舊路模量由400 MPa上升至1 400 MPa時(shí)，層間剪應(yīng)力增大了46.4%，而荷載為BZZ-100時(shí)則增大約35.5%。