武俊東，薛小剛

(中國民航機場建設(shè)集團公司 西北分公司， 陜西 西安 710075)

在機場工程中，水泥道面由于其取材方便、使用年限長、后期維護成本低的特點在我國民用機場道面結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，我國80%以上的機場道面采用水泥混凝土道面，長期以來，機場工程水泥道面面層厚度根據(jù)機場飛行區(qū)等級、最大使用機型來確定，而忽略了不同道面區(qū)域、不同設(shè)計荷載、不同運行架次等因素對計算結(jié)果的影響[3-6]。

西安咸陽國際機場屬于4F民用機場，位于西安市西北方向直線距離25 km處，場區(qū)地貌單元屬渭河北岸低級黃土塬，地形開闊、起伏較小。地層以巨厚濕陷性黃土為主。

2017年，機場完成年起降31.9萬架次，運行交通量非常繁重，機場現(xiàn)有道面以水泥道面結(jié)構(gòu)為主。咸陽機場三期擴建工程中，新建道面面積約360萬m2，結(jié)合機場現(xiàn)有道面的使用情況，除與現(xiàn)有跑道連接處滑行道因不停航施工需求采用瀝青道面外，其余新建道面均采用水泥道面。

對道面進行分區(qū)、不同分區(qū)作用荷載(機型)及荷載作用次數(shù)(運行架次)的確定是民用機場道面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計的特色之處，本文擬結(jié)合咸陽機場三期擴建工程中各道面區(qū)域運行情況的不同，對機場工程水泥道面面層厚度計算影響因素作初步分析研究。

1 水泥道面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法概述

目前國內(nèi)機場水泥道面結(jié)構(gòu)設(shè)計主要采用波特蘭水泥協(xié)會(PCA)法，該方法以Winkler彈性地基薄板為理論模型[7-8]，考慮了水泥道面的設(shè)計年限、疲勞強度、土基特征等多種因素，以外部作用引起的水泥混凝土面層的最大應(yīng)力不超過混凝土的疲勞強度作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[9-10]，是一種比較完善的方法，PCA法計算水泥混凝土道面厚度可采用兩種方法進行。

(1) 安全系數(shù)法。選定幾種設(shè)計機型，根據(jù)道面所在部位、機型運行次數(shù)選用相應(yīng)的安全系數(shù)，由90 d齡期的混凝土彎拉強度除以安全系數(shù)得容許彎拉應(yīng)力[σ]。利用不同機型作用情況下面板厚度hi與面板的彎拉應(yīng)力σi關(guān)系曲線圖/表，查圖/表確定每一種設(shè)計機型當(dāng)σi≤[σ]時所需的面層厚度。取σ=max1≤i≤n(σi)對應(yīng)的面板厚度作為道面所在部位的設(shè)計厚度。

(2) 疲勞分析法。按使用年限內(nèi)機場實際運行的機型種類，分別計算各機型在假定面層厚度條件下的最大彎拉應(yīng)力σp與水泥混凝土面層的設(shè)計彎拉強度fcm之比，利用混凝土疲勞方程式(1)得到各機型容許重復(fù)作用次數(shù)Nei

(1)

再求出該機型疲勞損傷因子Fi(該機型累計作用次數(shù)nei與容許重復(fù)作用次數(shù)Nei之比)并代入式(2)，如滿足式(2)要求，則假定面層厚度合理，否則調(diào)整面層厚度并重新計算直至符合式(2)要求。

(2)

我國現(xiàn)行《民用機場水泥混凝土道面設(shè)計規(guī)范》[9](MH/T 5004—2010)采用PCA法中的疲勞分析法進行道面結(jié)構(gòu)厚度計算。

2 水泥道面結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)分析確定

對于水泥道面，PCA法采用先假定結(jié)構(gòu)層基層厚度，然后對面層厚度進行試算以尋找合適的面層厚度。結(jié)合咸陽機場現(xiàn)狀水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)，先假定道面結(jié)構(gòu)基層為20 cm水泥穩(wěn)定砂礫、底基層為20 cm水泥穩(wěn)定砂礫。根據(jù)《民用機場水泥混凝土道面設(shè)計規(guī)范》[9](MH/T 5004—2010)3.0.5條，土基反應(yīng)模量為70 MN/m3～80 MN/m3；基層頂面反應(yīng)模量取120 MN/m3；水泥混凝土設(shè)計抗彎拉強度為5.0 MPa。

機場道面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，疲勞分析法的難點之一在于如何對機場實際運行機型進行合理分類，并從中選擇部分機型作為設(shè)計機型，以最大程度的代表機場實際運行狀況；另一個難點在于對于機場不同的道面區(qū)域，在使用年限內(nèi)各設(shè)計機型的重復(fù)作用次數(shù)的確定。

2.1 機場業(yè)務(wù)量及使用年限確定

咸陽機場三期擴建工程業(yè)務(wù)量預(yù)測基準(zhǔn)年為2016年，年旅客吞吐量3 699萬人次，年飛機起降架次29.1萬架次。預(yù)測近期目標(biāo)年2030年，遠(yuǎn)期目標(biāo)年2050年，主要預(yù)測結(jié)果見表1。

表1 咸陽機場年起降架次預(yù)測

水泥道面結(jié)構(gòu)設(shè)計年限按30年考慮，咸陽機場三期擴建工程預(yù)計2020年底投入運行，即使用年限為2021年—2050年，利用基準(zhǔn)年、目標(biāo)年之間的等比數(shù)列關(guān)系，得使用年限內(nèi)平均運行架次見表2。

表2 使用年限內(nèi)平均運行架次

2.2 機場業(yè)務(wù)量及使用年限確定

(1) 機型分類及機型組合劃分。結(jié)合國內(nèi)各航空公司在咸陽機場運行的主要機型，按飛機座位數(shù)將機型分為I—V共5類機型見表3。

結(jié)合咸陽機場2012年—2016年起降機型分類統(tǒng)計，各類機型比例統(tǒng)計見表4。民航行業(yè)內(nèi)將飛機按其最大翼展或最大主起落架外輪外側(cè)邊的間距分為A—F共6類，其構(gòu)成與按座位數(shù)分類的Ⅰ—Ⅴ之間的關(guān)系見表5。

表3 機型分類表

注：Ⅱ類機型中B737載客量為149人、A320最多為159人、C919載客量為190人，平均座位數(shù)按150人考慮；Ⅲ類機型中B757載客量為200人～280人、A310為210人～250人，平均座位數(shù)按230人考慮。

表4 各分類機型在機場年起降架次中的比例

表5 B、C、D、E、F類飛機構(gòu)成表

注：咸陽機場無A類飛機起降。

圖1咸陽機場三期擴建工程平面規(guī)劃(灰色填充為現(xiàn)有道面范圍)

綜合表2、表4、表5，將使用年限內(nèi)所使用機型平均運行架次進行分配，得到一年內(nèi)B類—F類飛機各自的運行架次量，見表6。

表6 B、C、D、E、F類飛機架次量表

(2) 設(shè)計機型選擇。設(shè)計機型通常選取某一類(按飛機最大翼展或最大主起落架外輪外側(cè)邊的間距)機型中起降架次量較大的一種或幾種代表機型，結(jié)合咸陽機場2012年—2016年起降機型統(tǒng)計資料、預(yù)測期內(nèi)即將新增的機型(如A350-900)，選擇的設(shè)計機型見表7。

2.3 道面結(jié)構(gòu)設(shè)計分區(qū)

結(jié)合咸陽機場三期擴建工程的平面規(guī)劃(見圖1)，按照各區(qū)域地面運行模式、運行架次、運行機型的不同，對新增道面區(qū)域進行分區(qū)。分區(qū)的主要原則為：

表7 設(shè)計機型及其起降架次統(tǒng)計

注：運行架次按照表4、表5以及各機型運行所占比例進行分配。

(1) B類—E類機型起降架次按照南、北飛行區(qū)各50%的比例運行；F類機型起降架次全部在南飛行區(qū)運行。

(2) 起飛跑道及其配套滑行道運行荷載取各機型最大起飛重量；降落跑道及其配套滑行道運行荷載取各機型最大著陸重量；混合運行滑行道區(qū)域運行荷載按各機型最大滑行重量、最大著陸重量各50%的比例取值。

(3) 站坪區(qū)域運行架次按該區(qū)機位數(shù)占機場總機位數(shù)比例分配，運行荷載按最大滑行重量、最大著陸重量各50%的比例取值。

按照上述道面分區(qū)原則，咸陽機場三期擴建工程新增水泥道面可劃分為8個區(qū)域，具體見表8。

表8 咸陽機場三期擴建新增道面結(jié)構(gòu)分區(qū)

注：三期擴建工程投運后，機場機位總數(shù)為219個(近機位115個，遠(yuǎn)機位104個)，近機位、遠(yuǎn)機位使用頻率按照2∶1考慮。

3 道面厚度計算分析結(jié)果評價

本次水泥道面面層厚度計算采用基于PCA法中疲勞分析法的自編計算程序Calculate Concrete Slab(V 1.0)。該程序?qū)⒛壳霸谝鄣臋C型參數(shù)進行了集成，并可根據(jù)計算需要對機型數(shù)據(jù)進行維護。可針對特定的道面區(qū)域，可對多種計算荷載、荷載作用模式進行精細(xì)化的設(shè)定，從而更好的模擬水泥道面的實際受荷工況。

3.1 計算結(jié)果

利用Calculate Concrete Slab(V 1.0)計算分析得各分區(qū)水泥道面厚度見表9。

3.2 面層厚度影響因素分析

由表9可知，機場運行模式對結(jié)果影響較大。

(1) 起飛跑道及其平滑(①區(qū)，41.50 cm)由于采取最大滑行重量，計算結(jié)果大于采用最大著陸重量的降落跑道及其平滑(②區(qū)，37.75 cm)；同一機型最大著陸重量約為最大滑行重量的0.7倍，因而對不同運行區(qū)域合理選擇運行荷載對分析結(jié)果影響較大。

表9 水泥道面面層厚度分析結(jié)果

(2) 由于F類機型運行架次量相對較小，南飛行區(qū)(③區(qū)，37.75 cm)與北飛行區(qū)(②區(qū)，37.75 cm)相同運行模式下的水泥道面面層厚度基本相同，即傳統(tǒng)依靠飛行區(qū)等級或運行機型來確定道面面層厚度的方法是不合理的，荷載重復(fù)作用次數(shù)是確定面層厚度的又一重要因素。

(3) 對于站坪區(qū)域(⑥區(qū)、⑦區(qū)、⑧區(qū))，計算結(jié)果與分區(qū)站坪機位數(shù)量有關(guān)，同時，站坪區(qū)水泥道面面層厚度與停放機型的重量、實際運行使用頻率關(guān)系密切，不能僅依靠最大使用機型。

(4) 機場實際運行中，各道面分區(qū)實際運行機型及架次受到空域條件限制、航空公司機隊構(gòu)成以及基地位置等多種因素影響，本文對上述影響因素進行了簡化考慮。

4 結(jié) 論

(1) 本文對目前規(guī)范采用的水泥道面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進行了闡述和分析，機場工程水泥道面結(jié)構(gòu)設(shè)計要按運行模式對道面進行分區(qū)計算。

(2) 道面分區(qū)、分區(qū)運行荷載、分區(qū)運行架次的確定是機場水泥道面結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要影響因素，本文以咸陽機場三期擴建工程為例，給出了道面分區(qū)的原則及分區(qū)方法，給出了分區(qū)運行荷載的選用方法，給出了分區(qū)荷載重復(fù)作用次數(shù)的分配方法，對于大型復(fù)雜樞紐機場的水泥道面結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的參考意義。

(3) 根據(jù)各分區(qū)道面厚度計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)水泥道面結(jié)構(gòu)設(shè)計中運行荷載及荷載重復(fù)作用次數(shù)是影響道面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計的重要影響因素，傳統(tǒng)設(shè)計中簡單依靠機型種類或飛行區(qū)等級確定水泥道面結(jié)構(gòu)面層厚度是偏于保守的。