沥青基隔离层对机场道面疲劳寿命影响评价

2020-10-23杨永胜

交通科技 2020年5期

杨永胜

(安徽民航机场集团有限公司合肥 230051)

以水泥稳定碎石为基层、水泥混凝土为面层的道面结构在机场道面中得到广泛使用。为减小水稳基层与水泥混凝土面层之间的约束、提高水稳基层抗冲刷性，道面设计中普遍采用隔离层[1-2]。在国外机场道面中，大多数机场设计均采用了设置隔离层的方案，日本机场道面水泥混凝土面层与贫混凝土基层之间设置3～5 cm的沥青混凝土隔离层[3]，目前美国起降大型飞机的国际机场开始趋向于在混凝土板下设置隔离层。美国联邦航空局在机场建设标准AC 150/5370-10G中提出，在水稳基层上浇筑水泥混凝土时，应设置隔离层[4]。

但传统的隔离层材料并不能满足其使用性能的要求。20年前常使用的石屑粉找平层由于不耐冲刷的缺点，现已很少使用，多采用土工布隔离层或不设置隔离层，但工程应用状况均不能达到预期，水稳基层的冲刷和脱空无法避免。水泥道面在实际使用中常会发生因板底冲刷、唧泥引发的板底脱空，最终导致混凝土板在到达设计寿命前便产生疲劳开裂。

由同步碎石封层和双层微表处组成的沥青基隔离层是最新提出的一种机场道面隔离层，示意图见图1，这种隔离层对于防止水稳基层的脱空效果十分显著。但是该沥青基隔离层是否对于道面的作为一种层间处治措施以及设置在基层和面层之间的低模量夹层，对道面整体结构受力均产生了影响。沥青基隔离层的使用虽然可提高基层抗冲刷性能，但是层间约束状态的改变和板底竖向支撑条件变化，使结构在飞机荷载作用下的响应产生变化，最终道面使用寿命是否产生显著提升有待研究。

图1 沥青基隔离层结构

实际工程应用中，相对于面层在某一次荷载作用下产生的拉应力，讨论和计算结构的疲劳寿命更具有意义。因此，本文将从混凝土道面疲劳寿命出发，探究设置沥青基隔离层对道面结构长期使用性能所产生的影响。在道面使用寿命计算时，有必要对板底冲刷脱空进行全寿命范围的分析和讨论。

1 机场道面寿命预估方法

1.1 道面寿命预估流程

对已建机场的结构性剩余寿命，规范[5]给出了预估流程及计算方法。在计算前，需根据道面损坏调查结果计算道面损坏等级，从而得到道面折减系数，最终确定道面有效厚度。本文针对新建道面进行寿命预估，无需进行道面有效厚度计算。

在已有的道面剩余寿命预估流程基础上，参考民航水泥道面设计规范中不同机型飞机累计损伤的做法，提出考虑板底发生冲刷脱空的分段式道面寿命预估思路。思路流程见图2。

图2 分段式道面寿命预估思路图

基于图2思路，本文中的道面寿命预估方法如下。

步骤1。获取道面服役期各年航空量，统计道面所需服务的所有机型。

步骤2。利用道面结构参数，建立结构计算模型(数值模型或解析计算模型)，计算各机型轮载作用下的道面板边最大弯拉应力，若道面在使用过程中存在板底冲刷脱空现象，还需计算板底脱空下的板边最大弯拉应力。

步骤3。在已知道面板水泥混凝土材料弯拉强度和板边最大弯拉应力的前提下，利用所选定的疲劳方程，计算各机型的容许作用次数，并执行步骤4，若存在板底脱空现象，还需计算脱空下的各机型容许作用次数，并跳过步骤4，执行步骤5。

步骤4。假设在第n年道面达到使用寿命，计算前n年的航空交通量，基于Miner定律，反算或试算得到当累计损伤为1时n值的大小，从而得到道面使用寿命，流程执行结束。

Miner法则假定作用次数与疲劳损伤为线性叠加关系，计算各机型在重复作用次数下的道面损伤累计量，计算方法如式(1)所示。当FD值等于1时，即认为道面结构出现疲劳开裂。

(1)

式中：FD为累计疲劳损伤；nei为某种(第i种)飞机的累计作用次数；Nei为某种(第i种)飞机的容许作用次数。

步骤5。若在第i年出现冲刷脱空，计算前i-1年的航空交通量，基于Miner法则，计算前i-1年的各机型的累计作用次数及累计损伤量FDi-1。

步骤6。假设在第m年道面达到使用寿命，计算m-i+1年间的航空交通量，基于Miner法则，计算m-i+1年间的各机型的累计作用次数及累计损伤量FDm-i+1。反算或试算当FDi-1+FDm-i+1=1时的m值，从而得到道面使用寿命，流程执行结束。

1.2 水泥道面混凝土疲劳方程

机场水泥道面结构计算中常见的疲劳方程括我国民航机场道面疲劳方程和美国FAA道面疲劳方程。

我国机场水泥道面设计规范中的疲劳方程采用路面的研究成果，主要依据室内小梁弯拉试验提出，其本质为混凝土材料的疲劳特性。以Winkler基地上无限大板模型的Westergaard解或利用有限元计算方法得到的板边临界荷位的最大弯拉应力作为计算应力，计算某一机型的容许作用次数，疲劳方程如式(2)所示。

Ne=10(14.048-15.111 7σp/fcm)

(2)

式中：Ne为飞机容许作用次数；fcm为混凝土材料弯拉强度，MPa；σp为临界荷位板底计算应力，解析方法计算时考虑板边0.25的应力折减系数。

与我国设计方法中基于的试验数据不同，FAA所提出的疲劳方程主要依据陆军工程兵团获取的现场足尺试验数据，以轮迹带上50%板的开裂作为损坏标准，能较好地反映结构的疲劳特性。计算应力为Westergaard解的板边荷位应力，疲劳寿命方程如式(3)和式(4)所示。

(3)

(4)

式中：MR为混凝土材料弯拉强度，MPa；σe为板边计算应力，MPa；B为系数；C为飞机容许作用次数。

在得到机场不同机型的容许作用次数后，同样基于Miner法则，可以得到某一机型组合下的道面疲劳损伤。

1.3 面层拉应力计算

以我国现有民航4E级机场的航空量作为参考，简单假定初始年航空交通量为起降共计7×104架次，交通量年增长率为4%。根据现行《民用机场飞行区技术标准》中对机型的归类方法，4E级机场典型的机型组合为C类占80%，D类飞机占10%，E类飞机占5%，其他飞机5%。考虑未来大型飞机所占的比重越来越大，因此，将其他类别的飞机机型归到E类飞机中，最终的机型组合为C类飞机80%，D类飞机10%，E类飞机10%。以B737-800代表C类飞机，B767-300代表D类飞机，B777-200代表E类飞机。

采用ABAQUS有限元计算B737-800、B767-300、B777-200 3种机型下的板边临界荷位水泥板最大拉应力计算结果。模型中材料参数为：水泥混凝土弹性模量为42 GPa，泊松比为0.15，厚度设为0.36 m；基层弹性模量为7.0 GPa，泊松比为0.20，厚度为0.36 m。土基反应模量典型值取70 MN/m3。根据室内试验测得，沥青基隔离层的弹性模量为1.01 GPa，泊松比常温取0.35。沥青基隔离层和面层板之间采用层间剪切刚度来表征[6]，其值为1.5×108Pa/m。板角脱空采用正方形，边长取1.5 m，脱空深度取2 cm。接缝传荷能力在模型中以弹簧刚度1 500 MN/m2来表征。

2 寿命预估计算结果

利用我国道面设计规范中的疲劳方程，见式(2)(简称MH法)和美国FAA设计方法中的疲劳方程，见式(3)、式(4)(简称FAA法)分别进行计算，板边应力分无隔离层无脱空、无隔离层有脱空、设置沥青基隔离层3种情况，只取典型情况下的应力计算结果，不考虑道面结构参数的变化。混凝土弯拉强度取5.5 MPa。

道面寿命定义为：累计损伤系数FD为1时的道面使用时间(年)。计算在已设航空交通量下，不同道面使用年限的累计疲劳损伤FD，结果见图3。图3中的1条实线为有隔离层无脱空的FD曲线，而其余均为发生脱空时的曲线，发生脱空的事件为道面使用T年后。图中给出了T=1～20左右的FD增大曲线。

图3 各工况下累计疲劳损伤和道面使用时间的关系

由图3可见，虽然使用不同的疲劳方程得到的道面寿命差异较大(9年左右)，但是两图均反映了隔离层抗冲刷对道面寿命的提高作用。

由图3可知，设置沥青基隔离层能够有效提高道面的使用寿命，脱空发生地越早，累计损伤系数FD越早达到1，设置沥青基隔离层所起到的作用越明显，即设置沥青基隔离层能够有效避免水泥道面因早期冲刷脱空导致的过早疲劳开裂。

从图3中还能看出，无隔离层的道面如果不发生脱空，其寿命比有隔离层的道面更长。这是由于不发生脱空时隔离层的使用对水泥道面的弯拉应力实际上是增大的。但是考虑到机场板块数量庞大，按照概率计算，在特定数量的板块中产生脱空基本上是必然的。因此，从整体和长远角度，使用隔离层仍然是十分必要的。

根据民用机场水泥道面的脱空状况，将脱空出现时间划分为5个阶段：道面服役1～5年、道面服役>5～10年、道面服役>10～15年、道面服役>15～20年、道面服役>20～30年。综合国内外2种不同累计疲劳损伤计算方法所得出的结果，总结得到板底冲刷脱空出现的时期与设置沥青基隔离层所带来的道面寿命增加量见表1。

表1 板底冲刷脱空出现时期与沥青基隔离层对道面寿命增加量的关系年

需要指出的是，设置沥青基隔离层由于避免板底冲刷脱空所起到的板底弯拉应力改善效果与接缝传荷能力有关，接缝传荷能力越差，设置沥青基隔离层对板底拉应力的减小越明显。本文进行道面使用寿命计算时不考虑接缝传荷的变化，取接缝传荷能力较好时的数值，因此得到的设置沥青基隔离层所带来的道面寿命增加量为最小值。实际情况中，设置沥青基隔离层对道面寿命的增加量较表1中的结果更大。