楊 明 樺

(中國民航大學(xué)機(jī)場學(xué)院，天津 300300)

0 引言

近年來隨著民航強(qiáng)國的提出，國家對民航運(yùn)輸業(yè)的投資大幅增加，相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也快速發(fā)展。我國機(jī)場普遍采用水泥混凝土道面，然而水泥混凝土道面維修困難，一旦重修機(jī)場便會停飛，將造成一定的經(jīng)濟(jì)損失并且給民眾帶來不便利。機(jī)場瀝青道面維修便捷，很好的能解決這方面的問題，我國機(jī)場瀝青道面普遍采用半剛性基層和柔性基層，然而半剛性基層和柔性基層都有各自不可避免的缺點(diǎn)，由于無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料的干縮及溫縮效應(yīng)的原因，半剛性基層產(chǎn)生開裂進(jìn)而導(dǎo)致道面產(chǎn)生反射裂縫。柔性基層承載能力弱，不得不通過增加厚度來提高其承載力，建設(shè)成本比較高昂。所以研究新的基層結(jié)構(gòu)成為目前機(jī)場道面新的研究方向，本文引用國外長壽命瀝青路面的設(shè)計理念提出了復(fù)合式基層機(jī)場瀝青道面的結(jié)構(gòu)，可以充分發(fā)揮出半剛性材料和柔性材料的優(yōu)點(diǎn)，并對其設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行選取。本文通過有限元軟件ABAQUS建立復(fù)合式基層機(jī)場瀝青道面的模型，分析復(fù)合式基層機(jī)場瀝青道面在飛機(jī)荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)量，進(jìn)而分析該道面結(jié)構(gòu)對于我國機(jī)場道面結(jié)構(gòu)壽命需求的適用性。

1 復(fù)合式基層介紹

1.1 基層的分類

機(jī)場瀝青道面的基層按照結(jié)構(gòu)層的剛度可以分為柔性基層、半剛性基層和剛性基層[1]。柔性基層普遍采用瀝青穩(wěn)定類碎石、級配碎石等材料，優(yōu)點(diǎn)是屬于粘彈性材料，有一定自愈能力，具有較好的疲勞性能和水穩(wěn)定性，不易隨溫度、濕度變化產(chǎn)生裂縫，因此一般不會出現(xiàn)反射裂縫問題。缺點(diǎn)是剛度比較低，在同樣的交通荷載下柔性基層比較厚，投資成本比較高。半剛性基層主要材料為石灰粉煤灰穩(wěn)定碎石、水泥穩(wěn)定碎石等，優(yōu)點(diǎn)是承載力大、剛度大、彎沉小而且投資經(jīng)濟(jì)，缺點(diǎn)是對溫度、濕度變化敏感，溫縮、干縮變形大，屬于脆性材料，容易開裂造成反射裂縫問題。剛性基層一般使用低強(qiáng)度的混凝土板，這種基層在國內(nèi)外的機(jī)場瀝青道面中一般都不會應(yīng)用。

1.2 復(fù)合式基層特點(diǎn)分析

美國瀝青協(xié)會提出了永久路面的設(shè)計理念，這個設(shè)計理念的核心就是按照功能合理的方式設(shè)置路面結(jié)構(gòu)層，其中面層要求具有抗剪切變形、不透水和抗損耗的能力，基層和底基層是路面結(jié)構(gòu)的主要承重結(jié)構(gòu)，要求具有抵抗交通荷載作用下的抗疲勞開裂能力和良好的抗車轍性能[2]。通過以上分析可以看到柔性基層和半剛性基層可以優(yōu)勢互補(bǔ)[3]，結(jié)合中國的實(shí)際交通狀況和經(jīng)濟(jì)條件本文提出復(fù)合式基層機(jī)場瀝青道面結(jié)構(gòu)，底基層采用無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料,基層采用瀝青穩(wěn)定類材料，這種結(jié)構(gòu)充分利用了半剛性材料的較高強(qiáng)度和承載能力的優(yōu)點(diǎn),可以減少瀝青層的厚度并且降低了初期投資，也可以改善中國目前對土基強(qiáng)度普遍要求不高的現(xiàn)狀。同時，半剛性材料用在底基層可以大大改善其受力條件[4]。這種結(jié)構(gòu)也可以充分發(fā)揮柔性基層抗彎拉強(qiáng)度好、抗疲勞性能好、不易產(chǎn)生收縮開裂等優(yōu)點(diǎn)，瀝青穩(wěn)定類材料能夠吸收和消減半剛性基層裂縫尖端應(yīng)力和應(yīng)變，從而有效的防止反射裂縫的產(chǎn)生，此外瀝青面層與柔性基層間的結(jié)合良好，大大的提高了面層的使用質(zhì)量，它可以減少面層底面的拉應(yīng)力和拉應(yīng)變，還可以使瀝青面層減少滑動、推移等問題，使其在惡劣氣候或重交通荷載條件下都能表現(xiàn)出良好的力學(xué)特性[3]。復(fù)合式基層機(jī)場瀝青道面很好的解決了基層的弊端，這樣道面的損壞就會被限制在面層之中，道面維修就會變得容易很多，道面損壞以后只需要銑刨表面層再重新加鋪罩面，減少了對道面基層結(jié)構(gòu)性的大修，極大的減少了物力人力財力的消耗。

2 設(shè)計指標(biāo)的選取

我國現(xiàn)行規(guī)范采取的機(jī)場瀝青道面設(shè)計方法為以道面累積損傷理論為基礎(chǔ)的力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法。機(jī)場瀝青道面的破壞方式主要分為疲勞開裂和輪轍。瀝青道面的疲勞開裂自下而上擴(kuò)展而成，當(dāng)瀝青面層層底的變形超過材料的允許變形時，在拉應(yīng)力最大處材料產(chǎn)生初始裂縫并逐漸擴(kuò)展開來。瀝青道面的結(jié)構(gòu)性輪轍是由土基和道面各結(jié)構(gòu)層的永久變形不斷累積導(dǎo)致的[5]。所以在設(shè)計復(fù)合式基層機(jī)場瀝青道面時需要選取設(shè)計指標(biāo)分別控制疲勞開裂破壞和輪轍破壞，依據(jù)MH 5010—2017民用機(jī)場瀝青混凝土道面設(shè)計規(guī)范選取其設(shè)計指標(biāo)。由于無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料的抗拉強(qiáng)度較低，在荷載和自然條件的綜合作用下不可避免的會產(chǎn)生開裂現(xiàn)象,必須對其受力條件進(jìn)行限制[6]，所以對于復(fù)合式基層瀝青道面還應(yīng)控制其無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類底基層的疲勞開裂。

2.1 瀝青面層疲勞開裂的設(shè)計指標(biāo)

選擇瀝青面層底面的最大水平拉應(yīng)變作為設(shè)計指標(biāo)，以限制瀝青面層的疲勞開裂，瀝青道面的瀝青層層底疲勞開裂控制式按式(1)計算[7]。

lgNj=-3.081-5lgεh-2.665lgEA

(1)

其中，Nj為允許荷載重復(fù)作用次數(shù)；εh為瀝青面層底面的最大水平拉應(yīng)變；EA為瀝青混合料20 ℃的回彈模量,MPa。

2.2 輪轍的設(shè)計指標(biāo)

選擇道基頂面的最大豎向壓應(yīng)變作為設(shè)計指標(biāo)，以限制瀝青道面的輪轍，瀝青道面的輪轍控制式按式(2)計算[7]。式(1)，式(2)均為美國聯(lián)邦航空局下屬的國家機(jī)場道面試驗(yàn)中心通過進(jìn)行室內(nèi)足尺實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)所得到的，能夠較為可靠的反映機(jī)場道面的實(shí)際使用情況。

(2)

其中，Nj為允許荷載重復(fù)作用次數(shù)；εv為道基頂面最大豎向壓應(yīng)變。

2.3 半剛性底基層疲勞開裂的設(shè)計指標(biāo)

選擇半剛性底基層層底的最大水平拉應(yīng)力作為設(shè)計指標(biāo)，以限制瀝青道面半剛性底基層的疲勞開裂，瀝青道面半剛性底基層的疲勞開裂控制式按式(3)計算[8]。式(3)是由室內(nèi)反復(fù)疲勞試驗(yàn)所得。

(3)

其中，Nj為允許荷載重復(fù)作用次數(shù)；σt為無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層層底的最大水平拉應(yīng)力；fr為無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料彎拉強(qiáng)度,MPa。

3 有限元分析

3.1 建立有限元模型

瀝青道面結(jié)構(gòu)的計算模型應(yīng)該簡化為飛機(jī)荷載作用下的多層體系，采用層間連續(xù)接觸的彈性層狀理論體系理論計算瀝青道面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)量。使用ABAQUS有限元軟件建立輪組—柔性道面—復(fù)合式基層—道基的有限元模型。有限元模型的幾何尺寸為12 m×10 m×10.65 m。設(shè)置邊界條件時，對于側(cè)邊界約束水平方向，對地面約束豎直方向。選擇tie連接作為層間接觸。選擇C3D8R作為單元類型，在荷載控制區(qū)域采用0.1 m×0.1 m的網(wǎng)格[9]。機(jī)型選擇我國目前使用數(shù)量最多的機(jī)型B737-800，主起落架為單軸雙輪，單軸荷載為188.24 kN，輪胎壓力為1.47 MPa，主起落架輪距為0.88 m，輪組位置在道面中心。各層參數(shù)在表1中列出。其有限元模型三維視圖如圖1所示。

表1 道面各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)

3.2 有限元計算結(jié)果分析

通過有限元模型對復(fù)合式基層機(jī)場瀝青道面結(jié)構(gòu)的模擬計算，得到的瀝青面層層底最大水平拉應(yīng)變?yōu)?20 με，道基頂面最大豎向壓應(yīng)變?yōu)?98 με，半剛性底基層層底的最大水平拉應(yīng)力為0.63 MPa。把120 με,498 με分別代入到式(1)，式(2)，可以得到其允許荷載重復(fù)作用次數(shù)依次為1.38×108，5.89×109?；炷练€(wěn)定碎石的彎拉強(qiáng)度為1.5 MPa，把0.63 MPa代入式(3)中可以得到其允許荷載重復(fù)作用次數(shù)為2.14×108。通過上述計算分析可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合式基層機(jī)場瀝青道面具有足夠的允許荷載重復(fù)作用次數(shù)，完全可以滿足我國機(jī)場道面結(jié)構(gòu)壽命的需求。

4 結(jié)論

本文主要結(jié)論如下：

1)通過比較不同類型基層的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了復(fù)合式基層機(jī)場瀝青道面的結(jié)構(gòu)：瀝青混凝土面層+瀝青穩(wěn)定碎石基層+混凝土穩(wěn)定碎石底基層。此結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的承載能力和足夠的強(qiáng)度、剛度，具有良好的疲勞壽命，同時設(shè)置的柔性基層能夠有效降低反射裂縫出現(xiàn)的可能。2)提出了復(fù)合式基層機(jī)場瀝青道面的設(shè)計指標(biāo)，通過控制瀝青面層底面的最大水平拉應(yīng)變來限制瀝青面層疲勞破壞，通過控制道基頂面最大豎向壓應(yīng)變限制道面輪轍，通過控制無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類底基層層底的最大水平拉應(yīng)力限制底基層的疲勞破壞。3)通過有限元模擬計算發(fā)現(xiàn)復(fù)合式基層機(jī)場瀝青道面具有足夠的允許荷載重復(fù)作用次數(shù)，完全可以滿足我國機(jī)場道面結(jié)構(gòu)壽命的需求。