机场工程水泥道面面层厚度计算影响因素分析研究

武俊东，薛小刚

(中国民航机场建设集团公司 西北分公司， 陕西 西安 710075)

在机场工程中，水泥道面由于其取材方便、使用年限长、后期维护成本低的特点在我国民用机场道面结构中得到了广泛的应用[1-2]。据统计，我国80%以上的机场道面采用水泥混凝土道面，长期以来，机场工程水泥道面面层厚度根据机场飞行区等级、最大使用机型来确定，而忽略了不同道面区域、不同设计荷载、不同运行架次等因素对计算结果的影响[3-6]。

西安咸阳国际机场属于4F民用机场，位于西安市西北方向直线距离25 km处，场区地貌单元属渭河北岸低级黄土塬，地形开阔、起伏较小。地层以巨厚湿陷性黄土为主。

2017年，机场完成年起降31.9万架次，运行交通量非常繁重，机场现有道面以水泥道面结构为主。咸阳机场三期扩建工程中，新建道面面积约360万m2，结合机场现有道面的使用情况，除与现有跑道连接处滑行道因不停航施工需求采用沥青道面外，其余新建道面均采用水泥道面。

对道面进行分区、不同分区作用荷载(机型)及荷载作用次数(运行架次)的确定是民用机场道面结构厚度设计的特色之处，本文拟结合咸阳机场三期扩建工程中各道面区域运行情况的不同，对机场工程水泥道面面层厚度计算影响因素作初步分析研究。

1 水泥道面结构设计方法概述

目前国内机场水泥道面结构设计主要采用波特兰水泥协会(PCA)法，该方法以Winkler弹性地基薄板为理论模型[7-8]，考虑了水泥道面的设计年限、疲劳强度、土基特征等多种因素，以外部作用引起的水泥混凝土面层的最大应力不超过混凝土的疲劳强度作为设计标准[9-10]，是一种比较完善的方法，PCA法计算水泥混凝土道面厚度可采用两种方法进行。

(1) 安全系数法。选定几种设计机型，根据道面所在部位、机型运行次数选用相应的安全系数，由90 d龄期的混凝土弯拉强度除以安全系数得容许弯拉应力[σ]。利用不同机型作用情况下面板厚度hi与面板的弯拉应力σi关系曲线图/表，查图/表确定每一种设计机型当σi≤[σ]时所需的面层厚度。取σ=max1≤i≤n(σi)对应的面板厚度作为道面所在部位的设计厚度。

(2) 疲劳分析法。按使用年限内机场实际运行的机型种类，分别计算各机型在假定面层厚度条件下的最大弯拉应力σp与水泥混凝土面层的设计弯拉强度fcm之比，利用混凝土疲劳方程式(1)得到各机型容许重复作用次数Nei

(1)

再求出该机型疲劳损伤因子Fi(该机型累计作用次数nei与容许重复作用次数Nei之比)并代入式(2)，如满足式(2)要求，则假定面层厚度合理，否则调整面层厚度并重新计算直至符合式(2)要求。

(2)

我国现行《民用机场水泥混凝土道面设计规范》[9](MH/T 5004—2010)采用PCA法中的疲劳分析法进行道面结构厚度计算。

2 水泥道面结构设计参数分析确定

对于水泥道面，PCA法采用先假定结构层基层厚度，然后对面层厚度进行试算以寻找合适的面层厚度。结合咸阳机场现状水泥混凝土道面结构，先假定道面结构基层为20 cm水泥稳定砂砾、底基层为20 cm水泥稳定砂砾。根据《民用机场水泥混凝土道面设计规范》[9](MH/T 5004—2010)3.0.5条，土基反应模量为70 MN/m3～80 MN/m3；基层顶面反应模量取120 MN/m3；水泥混凝土设计抗弯拉强度为5.0 MPa。

机场道面结构设计中，疲劳分析法的难点之一在于如何对机场实际运行机型进行合理分类，并从中选择部分机型作为设计机型，以最大程度的代表机场实际运行状况；另一个难点在于对于机场不同的道面区域，在使用年限内各设计机型的重复作用次数的确定。

2.1 机场业务量及使用年限确定

咸阳机场三期扩建工程业务量预测基准年为2016年，年旅客吞吐量3 699万人次，年飞机起降架次29.1万架次。预测近期目标年2030年，远期目标年2050年，主要预测结果见表1。

表1 咸阳机场年起降架次预测

水泥道面结构设计年限按30年考虑，咸阳机场三期扩建工程预计2020年底投入运行，即使用年限为2021年—2050年，利用基准年、目标年之间的等比数列关系，得使用年限内平均运行架次见表2。

表2 使用年限内平均运行架次

2.2 机场业务量及使用年限确定

(1) 机型分类及机型组合划分。结合国内各航空公司在咸阳机场运行的主要机型，按飞机座位数将机型分为I—V共5类机型见表3。

结合咸阳机场2012年—2016年起降机型分类统计，各类机型比例统计见表4。民航行业内将飞机按其最大翼展或最大主起落架外轮外侧边的间距分为A—F共6类，其构成与按座位数分类的Ⅰ—Ⅴ之间的关系见表5。

表3 机型分类表

注：Ⅱ类机型中B737载客量为149人、A320最多为159人、C919载客量为190人，平均座位数按150人考虑；Ⅲ类机型中B757载客量为200人～280人、A310为210人～250人，平均座位数按230人考虑。

表4 各分类机型在机场年起降架次中的比例

表5 B、C、D、E、F类飞机构成表

注：咸阳机场无A类飞机起降。

图1咸阳机场三期扩建工程平面规划(灰色填充为现有道面范围)

综合表2、表4、表5，将使用年限内所使用机型平均运行架次进行分配，得到一年内B类—F类飞机各自的运行架次量，见表6。

表6 B、C、D、E、F类飞机架次量表

(2) 设计机型选择。设计机型通常选取某一类(按飞机最大翼展或最大主起落架外轮外侧边的间距)机型中起降架次量较大的一种或几种代表机型，结合咸阳机场2012年—2016年起降机型统计资料、预测期内即将新增的机型(如A350-900)，选择的设计机型见表7。

2.3 道面结构设计分区

结合咸阳机场三期扩建工程的平面规划(见图1)，按照各区域地面运行模式、运行架次、运行机型的不同，对新增道面区域进行分区。分区的主要原则为：

表7 设计机型及其起降架次统计

注：运行架次按照表4、表5以及各机型运行所占比例进行分配。

(1) B类—E类机型起降架次按照南、北飞行区各50%的比例运行；F类机型起降架次全部在南飞行区运行。

(2) 起飞跑道及其配套滑行道运行荷载取各机型最大起飞重量；降落跑道及其配套滑行道运行荷载取各机型最大着陆重量；混合运行滑行道区域运行荷载按各机型最大滑行重量、最大着陆重量各50%的比例取值。

(3) 站坪区域运行架次按该区机位数占机场总机位数比例分配，运行荷载按最大滑行重量、最大着陆重量各50%的比例取值。

按照上述道面分区原则，咸阳机场三期扩建工程新增水泥道面可划分为8个区域，具体见表8。

表8 咸阳机场三期扩建新增道面结构分区

注：三期扩建工程投运后，机场机位总数为219个(近机位115个，远机位104个)，近机位、远机位使用频率按照2∶1考虑。

3 道面厚度计算分析结果评价

本次水泥道面面层厚度计算采用基于PCA法中疲劳分析法的自编计算程序Calculate Concrete Slab(V 1.0)。该程序将目前在役的机型参数进行了集成，并可根据计算需要对机型数据进行维护。可针对特定的道面区域，可对多种计算荷载、荷载作用模式进行精细化的设定，从而更好的模拟水泥道面的实际受荷工况。

3.1 计算结果

利用Calculate Concrete Slab(V 1.0)计算分析得各分区水泥道面厚度见表9。

3.2 面层厚度影响因素分析

由表9可知，机场运行模式对结果影响较大。

(1) 起飞跑道及其平滑(①区，41.50 cm)由于采取最大滑行重量，计算结果大于采用最大着陆重量的降落跑道及其平滑(②区，37.75 cm)；同一机型最大着陆重量约为最大滑行重量的0.7倍，因而对不同运行区域合理选择运行荷载对分析结果影响较大。

表9 水泥道面面层厚度分析结果

(2) 由于F类机型运行架次量相对较小，南飞行区(③区，37.75 cm)与北飞行区(②区，37.75 cm)相同运行模式下的水泥道面面层厚度基本相同，即传统依靠飞行区等级或运行机型来确定道面面层厚度的方法是不合理的，荷载重复作用次数是确定面层厚度的又一重要因素。

(3) 对于站坪区域(⑥区、⑦区、⑧区)，计算结果与分区站坪机位数量有关，同时，站坪区水泥道面面层厚度与停放机型的重量、实际运行使用频率关系密切，不能仅依靠最大使用机型。

(4) 机场实际运行中，各道面分区实际运行机型及架次受到空域条件限制、航空公司机队构成以及基地位置等多种因素影响，本文对上述影响因素进行了简化考虑。

4 结 论

(1) 本文对目前规范采用的水泥道面结构设计方法进行了阐述和分析，机场工程水泥道面结构设计要按运行模式对道面进行分区计算。

(2) 道面分区、分区运行荷载、分区运行架次的确定是机场水泥道面结构设计的重要影响因素，本文以咸阳机场三期扩建工程为例，给出了道面分区的原则及分区方法，给出了分区运行荷载的选用方法，给出了分区荷载重复作用次数的分配方法，对于大型复杂枢纽机场的水泥道面结构设计具有一定的参考意义。

(3) 根据各分区道面厚度计算结果，发现水泥道面结构设计中运行荷载及荷载重复作用次数是影响道面结构厚度设计的重要影响因素，传统设计中简单依靠机型种类或飞行区等级确定水泥道面结构面层厚度是偏于保守的。