多次加铺的机场道面结构合理性分析方法研究

罗 勇，闫启琨

（上海民航新时代机场设计研究院有限公司，上海 200335）

为了应对快速增长的航空交通量，提高跑道结构承载能力和使用性能，延长跑道使用寿命，中国很多繁忙机场自20世纪90年代以来相继对跑道进行了沥青混凝土面层加铺。通常沥青混凝土加铺的设计使用寿命在10年左右，待达到使用寿命后需再次进行改造。中国部分机场跑道已经历过数次加铺，以虹桥机场东跑道为例，已分别在1991年、1998年、2005年和2011年进行了4次加铺。因此，跑道多次加铺将是中国繁忙机场未来十余年将陆续面临的问题。

中国针对机场道面柔性加铺颁布过相应设计规范，由于机场柔性道面应用较少，设计规范并不完善，在实际设计过程当中大多是依据经验和国外的一些设计方法。国际上机场道面加铺结构设计一般有3种方法：有效厚度法、挠度法和力学-经验法。加铺层设计最常用的方法是有效厚度法，美国工程兵团提出了在原有刚性道面上铺设沥青或柔性加铺层的经验公式。国外机场道面加铺层结构设计方法以美国FAA最为典型。FAA加铺层设计方法经历了一个由有效厚度法→弹性层状体系法→有限元方法的发展历程[1]。随着诸如B777和A380等大型宽体飞机的出现，由于其新型的起落架构形和轮胎布置形式，当采用传统的FAA设计方法确定道面结构厚度时，所得到的厚度值往往过于保守。因此，FAA提出了一种新的道面结构分析方法——弹性层状体系法[2]。

机场道面多次重复加铺与第一次加铺有显著的差别，主要体现在以下几个方面。

1）不停航施工难度大。多次加铺的机场多为最繁忙机场，不仅无法关闭跑道停航施工，且夜间允许施工时间短，一般仅有5～6 h。对改造方案的选择及施工都带来很大的限制。

2）多次加铺后沥青面层厚度大，道面在使用过程中易出现轮辙病害。

3）既有加铺层道面材料性能衰减严重，受不停航施工影响难以完全铣刨，既有沥青混凝土层的再利用成为难题。

由于中国相关规范并不完善，未针对道面多次加铺制定相应的设计方法，只能凭借经验或借鉴国外设计方法。设计得到的道面结构是否合理更无从评价。

本文以虹桥机场东跑道第4次加铺工程为例，分别从沥青层疲劳开裂控制、水泥板疲劳开裂控制和轮辙控制3方面，探讨多次加铺道面结构设计方案的合理性。依据设计，虹桥机场第4次加铺采用中厚层加铺形式，设计使用寿命为10年，加铺厚度分别取10 cm、12 cm和14 cm，通过结构合理性分析，以最终确定加铺层厚度。道面结构示意图如图1所示。

图1 道面结构示意图Fig.1 Pavement structure diagram

1 道面合理性评价思路

根据多次加铺道面的特点，本文认为有必要从以下3个方面来评价道面结构方案的合理性。

1.1 沥青加铺层疲劳开裂控制

通常情况下，柔性道面或“白+黑”道面结构设计中，沥青面层的拉应力可不作为控制指标。但是，一方面考虑到多次加铺后道面沥青加铺层厚度较大，另一方面考虑到既有沥青面层材料的性能较差，抗弯拉强度较低。因此，有必要对设计方案中加铺层底部最大拉应力的位置以及拉应力大小进行理论计算，在此基础上进行沥青加铺层疲劳开裂的校核。

1.2 水泥板疲劳开裂控制

根据道面结构设计理论，对于“白+黑”复合道面结构，道面的荷载扩散作用主要还是由复合道面中的水泥混凝土板块承担，即水泥混凝土板块是道面结构中的主要承重结构层。而对于多次加铺的道面，通常其使用年限已大大超过了水泥混凝土板块的设计使用寿命，材料性能衰减严重。因此，有必要对飞机轮载作用下水泥混凝土板块是否会出现疲劳开裂来进行校核。

1.3 轮辙控制

以虹桥机场东跑道为例，经过4次加铺后，上面层沥青混凝土层平均厚度为37 cm，最厚处超过50 cm。如此厚的沥青混凝土面层在重型飞机高频率持续作用下出现轮辙病害的概率很大，而轮辙病害一旦出现很难处治，因此在加铺设计中会重点考虑轮辙的防止问题。

国内外并无机场新建或加铺沥青道面的轮辙控制标准。但从道面使用角度对沥青道面轮辙病害作出的相关规定，主要有以下几点。

1）《民用机场飞行区场地维护手册》、《民用机场运行安全管理规定》规定，“沥青混凝土道面必须完整、平理、3 m范围内的高低差不得大于15 mm”；

2）《民用机场道面评价管理技术规范》、美国ASTM规定，沥青混凝土道面轮辙当用3 m直尺测试间隙为6 mm～13 mm时，属于轻微损坏，小于6 mm不属于病害。

根据以上规定，本次虹桥机场加铺设计中的轮辙控制标准确定为：设计年限内预计航空交通量作用下加铺层轮辙总量不大于5 mm。

道面结构合理性分析技术流程如图2所示。

图2 道面结构合理性分析技术流程图Fig.2 Technical flow chart of pavement structure rationality analysis

2 沥青面层疲劳开裂控制

沥青面层疲劳开裂控制的评价首先采用有限元软件，计算设计机型作用下道面沥青面层内的荷载应力。有限元模型采用K地基模型理论，模型参数设置如下。

2.1 道面结构参数

上面层为沥青混凝土，分为4层，分别是1991年、1998年、2005年和2011年加铺层；下面层为水泥混凝土道面。各结构层的详细参数如表1所示。

表1 道面结构层参数Tab.1 Parameters of pavement structure layers

2.2 荷载参数

计算模型荷载采用B747-400飞机主起落架荷载。飞机起落架构型示意图如图3所示[3]，B747-400主起落架荷载参数如表2所示。

图3 B747-400机型起落架构型示意图Fig.3 B747-400 aircraft landing gear configuration diagram

表2 飞机荷载参数Tab.2 Parameters of aircraft load

2.3 有限元模型

有限元模型示意图如图4所示。通过将荷载加载到道面有限元模型当中，计算得到各种工况条件下沥青加铺层的最大弯拉应力。

图4 有限元模型示意图Fig.4 Finite element model diagram

图5 沥青面层最大拉应力计算云图Fig.5 Cloud chart of asphalt surface maximum tensile stress

分别针对加铺厚度10 cm、12 cm和14 cm，计算得到沥青面层最大拉应力，结果如表3所示。

表3 不同加铺厚度的沥青面层最大拉应力Tab.3 Maximum tensile stress of asphalt surface under different overlay thickness

通过分析可以得出以下结论：

1）加铺层内的最大水平拉应力随深度的增加迅速减小。当深度大于5 cm时，最大水平拉应力普遍小于0.1 MPa，当深度大于10 cm时，最大水平拉应力普遍小于0.05 MPa，属于较低水平；

2）沥青面层最大拉应力出现在道面上面层，这是道面结构受力的有利模式。因为道面上面层都是新加铺/新建道面，沥青混凝土性能好，有利于承受拉应力。

3）轮载作用部位沥青层底为压应力，这也是有利的受力模式。通常在轮载作用区域为最不利部位，是道面最大拉应力最可能出现的位置。

4）随着加铺层厚度增大，沥青层受到的最大拉应力变大，虽然10 cm、12 cm、14 cm三种加铺厚度下拉应力级位都较小，但加铺厚度为14 cm时，沥青层最大拉应力比加铺层厚度为10 cm时增大约45%，而12 cm和10 cm两种厚度对应的最大拉应力相差较小。

沥青面层最大拉应力远小于沥青混凝土材料的弯拉强度，因此三种加铺厚度都能满足加铺设计使用寿命的要求。从最大拉应力来看，加铺厚度为10 cm和12 cm时沥青面层受力较为有利。

3 水泥板疲劳开裂控制

水泥板疲劳开裂控制的分析方法与沥青面层疲劳开裂控制方法相似。首先采用有限元软件，计算设计机型作用下水泥板内的荷载应力。模型与第3节相同，计算得到不同工况条件下水泥板内最大弯拉应力，如表4所示。其中σe为有限元直接计算得到的最大弯拉应力，σp为计算应力，是考虑接缝传荷能力的应力折减作用计算得到的。两者关系如式1所示。可以看出，随着沥青加铺层厚度增大，水泥板块受到的最大拉应力减小。这是因为较厚的沥青层对水泥板起到了更好的保护作用。

式中：σp为板边计算应力 （MPa）；σe为板边应力（MPa）；LT为应力折减率，一般取0.25。

表4 不同加铺厚度的水泥板最大拉应力Tab.4 Maximum tensile stress of concrete surface under different overlay thickness

依据水泥混凝土材料疲劳方程式（2）[4]，可以得到不同加铺厚度对应的使用寿命。其中fcm=5.0 MPa，将σp代入式中的frm，求得Ne。Ne即为道面剩余累积作用次数，依据《民用机场道面评价管理技术规范》（MH/T5024－2009）[5]，通过对航空交通量的预测，可以将Ne反算得到道面使用寿命。

计算结果表明，三种加铺厚度对应的道面使用寿命都大于10年。

4 轮辙控制

2000年，Kaloush和Witczak利用大量的重复荷载永久变形试验和1989年Leahy，R.B.的原始试验数据，回归了以下方程，由于应用效果较好，现已被AASHTO2002设计指南采用。本文对跑道道面的轮辙预估即采用该方法[6－9]。

式中：A= －3.74938；B=2.02755；C=0.4626；εp为荷载重复作用N次产生的累积塑性应变；εr为沥青材料的弹性应变；T为道面温度；N为荷载重复作用次数。

计算得到各沥青亚层的塑性应变εp后，再用下式得到总轮辙量。

式中：RD为轮辙变形量；εpi为荷载重复作用N次在第i亚层产生的累积塑性应变；hi为第i亚层厚度。

依据上述公式中，要计算得到设计使用年限内道面的累计轮辙量，首先是计算各亚层弹性应变εr，代入式（3）中，即可以计算得到N次作用后的各亚层累积塑性应变εp，再将各亚层累积塑性应变εp代入式（4）中，计算得到整个道面厚度内累计轮辙量。

在计算过程中需要注意以下几点：

1）计算参数εr采用有限元软件通过数值模拟得到，数值模型与第3节相同。

2）在式（3）所示的轮辙预估方程中，道面温度是一个重要的参数。由于不同季节道面温度相差很大，会对轮辙预估产生明显影响。因此，本文将一年划分为12个月，按月计算累计轮辙量，再累加得到整年的轮辙量。计算时将年航空交通量按12个月平均分配。

在分析道面温度时，本文依据孙立军等[10]对沥青路面内温度分布的研究成果，分别应用式（5）和式（6）计算道面沥青层内部不同深度的最高温度和最低温度，再取其平均值，得到沥青层各深度的平均温度。

式中：Tpmax为道面某深度日最高温度（℃）；Tamax为日最高温度（℃）；H为道面深度（cm）；Tm为历年月平均气温（℃）；m1～ m7为回归系数。

式中：Tpmin为道面某深度日最低温度（℃）；Tamin为日最低温度（℃）；H为道面深度（cm）；Tm为历年月平均气温（℃）；n1～n7为回归系数。

式（5）和式（6）中的回归系数m和n分别见表5和表6。

表5 式（3）中的回归系数Tab.5 Regression coefficient in formula（3）

表6 式（4）中的回归系数Tab.6 Regression coefficient in formula（4）

针对虹桥机场加铺设计方案，依据上述方法，采用B747－400为评价机型，分别选取8、10、12和15年共4种评价年限，计算了加铺厚度分别为10、12和14 cm的轮辙量预估结果，如表7所示。从计算结果可以看出，按最大轮辙量5 mm为控制标准，设计使用寿命取10年，加铺层厚度宜为12 cm。

表7 加铺层轮辙量预估结果Tab.7 Expected results of overlay rut （mm）

5 结语

1）基于沥青面层疲劳开裂控制、水泥板疲劳开裂控制和轮辙控制为指标，提出了机场道面多次加铺的道面结构合理性评价方法。

2）针对多次加铺复合道面的既有沥青面层和水泥板材料性能严重老化的特点，提出了沥青面层和水泥板应力计算方法及疲劳开裂控制的评价方法。

3）依据国内外对道面轮辙的相关规定，首次提出了新建道面结构设计时的轮辙控制标准，为5 mm。

4）以有限元软件为分析平台，借鉴Kaloush和Witczak轮辙预估模型及孙立军对沥青道面温度场研究成果，提出了新建沥青道面的轮辙预估方法。

5）以虹桥机场东跑道第4次加铺为例，通过对设计结构的合理性分析，认为加铺厚度12 cm最佳。

[1] Unified Facilities Criteria（UFC）.Pavement Design for Airfields（UFC 3－260－02）.US Army Corps of Engineers （Preparing Activity），Naval Facilities Engineering Command，Air Force Civil Engineer Support Agency[P].2001，6.

[2] US Department of Transportation，Federal Aviation Administration.Airport Pavement Design For The Boeing 777 Airplane，AC No：150/5320－16[P].US Department of Transportation，Federal Aviation Administration，1995，10.

[3] Boeing Commercial Airplane Group.747－400 Airplane Characteristics for Airport Planning.The Boeing Company，Document D6－58326－1[P].2002，12.

[4]MH/J5004－95，民用航空运输机场水泥道面设计规范[S].北京：中国民用航空局，1995.

[5]MH/T5024－2009，民用机场道面评价管理技术规范[S].北京：中国民用航空局，2009.

[6]刘 松.机场道面沥青混凝土加铺层轮辙预估方法[J].城市建设理论研究，2011，12（1）：58－60.

[7] ARCHILLA A R，MEDANAT S.Development of asphalt pavement rutting model from experimental data.79th annual TBR meeting[J].Washington D.C.National Research Council，2000：425－445.

[8] JACOB V.Prediction of rutting in asphalt pavements[J].Proceedings of the Association of Asphalt Paving Technologist.1983（52）：489.

[9] AASHTO.AASHTO2002 Guide for design of pavement structures[J].Washington：AASHTO，2004，3（3）：46－50.

[10] 孙立军.沥青路面结构行为理论[M].北京：人民交通出版社，2005.