机场道面结构荷载作用深度的数值模拟

李香香 王慧颖 田昱文 刘郑 王岩梓

摘  要：随着科技的日益发展，民航事业的突飞猛进，针对机场道面的研究也越来越多。在飞机往复的起飞与降落作用下，许多的因素会对道面产生不同程度的影响，以至于对机场道面的建设会产生许多的要求。其中，荷载作用深度对道面会产生不可忽视的影响。因此，文章通过利用有限差分方法进行数值模拟，对机场道面的荷载作用深度进行研究。研究表明，在道面下一定深度范围内，道面荷载会对道面产生影响，且影响大小随深度逐渐降低;超出这个范围，道面荷载对道面的影响太小基本上可以忽略。

关键词：机场道面;道面荷载;作用深度;数值模拟

中图分类号：V351          文獻标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）34-0035-02

Abstract： With the development of science and technology， the civil aviation industry has made rapid progress， and there are more and more researches on airport pavement. Under the action of repeated take-off and landing， many factors will have different degrees of impact on the runway， so that there will be a lot of requirements on the construction of airport runway. Among them， the loading depth has a significant influence on the pavement surface. Therefore， the loading depth of airport pavement was studied by numerical simulation in this paper. The research shows that within a certain depth range under the pavement the pavement load will have an impact on the pavement， and the value decreased with the depth. Beyond this range， the impact of pavement load on the pavement is too small to be ignored.

Keywords： airport pavement; pavement load; depth; numerical simulation

引言

随着科学技术的日益发展，民航事业的蓬勃发展，研究者对机场的各方面已经有了大量深刻的研究，其中关于机场道面荷载作用的研究比较广泛。姚妙娴等[1]在研究中指出飞机荷载引起的附加应力沿深度方向迅速衰减。周苏杰[2]等发现道面与地基会在飞机荷载作用下，会产生沉降的问题。利用对不同起落架的荷载作用研究，表明在荷载作用下，道面会产生裂缝甚至断板，混凝土损坏后，可能会导致路基出现空洞或不均匀变形。张宝鹏[3]等利用对荷载作用的研究，表明荷载在不同位置作用时，对道面结构的影响不同。其中，荷载作用于板角时，道面位移最大。因此，荷载作用因素对道面的影响非常大。然而目前对于荷载深度的研究普遍较少，机场道面荷载作用深度影响着土基的沉降以及道面结构的耐久性，对于不停航条件下的机场道面下穿工程也有普遍的参考意义，因此极有必要进行深入研究。

1 道面结构数值模拟参数

1.1 水泥混凝土设计强度

根据《民用机场水泥混凝土道面设计规范》（MH/T5004-2010）道面水泥混凝土的设计强度，应采用28d龄期弯拉强度。对于飞行区指标Ⅱ为C、D、E、F的机场，其水泥混凝土设计强度不应低于5.0MPa。

1.2 水泥混凝土弯拉弹性模量和泊松比

当水泥混凝土的弯拉设计强度为5MPa时，水泥混凝土弯拉弹性模量为37GPa，水泥混凝土泊松比μ设为0.15。

1.3 基层顶面反应模量最低值

基层顶面反应模量，对于飞行区指II为C、D、E、F时，不应低于80MN/m3。

1.4 新建道面水泥混凝土板的最小厚度

新建道面水泥混凝土板的厚度，飞行区指标Ⅱ为C、D、E、F时不应小于240mm。

由以上机场建设规范对道面结构参数的要求，设计模型中的参数如表1所示。

2 本构模型的选择

FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua）为三维有限差分数值方法，通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构，单元材料可采用线性或非线性本构模型。常海锋[4]利用FLAC3D模拟路基的沉降、应力变化，为路基填筑工作提供现实依据，并为安全生产提供一定的保障。本文采用FLAC3D塑性模型中的摩尔库伦模型进行计算。摩尔库伦本构模型对于粉土、砂土、岩石等符合弹塑性本构关系的材料均有较好的模拟效果。

3 模型设计

机场道面是多层次的层状结构，根据各层次的功能和所用材料特性， 将其划分为面层、基层和土基三个层次[5]。道面结构层设计时，通常假设道面板简化为矩形薄板[6]。

设计5m×5m×5m，网格的三边长度均为2mm的数据分析模型，以更加直观的数据进行表达，来对道面进行模拟分析。荷载作用对道面的影响范围，即荷载作用深度的测定。其中设定图中绿色代表跑道面层（A），红色代表基层（B），紫色代表垫层（C），最下面的蓝色代表土基（D），模型网格划分如图1所示。

4 荷载的施加

导入道面参数后。利用各项同性的弹性模型，计算结构层在只有重力的情况下道面产生的位移与应力，将得到的数据清零。对归零后的模型使用摩尔库伦模型，机轮荷载沿z轴方向作用在面层表面。这样可以去除重力对模型计算的影响。

本文采用A320为机轮荷载测试机型，A320的轮载为1.14MPa，轮胎着地宽度为0.25m，轮胎着地长度为0.4m，起落架胎数为2个，轮胎间距为0.78m。

5 荷载作用深度的确定

为了确保道面产生明显的位移，本次实验设置两种荷载。第一种荷载：只施加重力;第二种荷载：施加重力和机轮荷载，位移随深度对的变化如图2所示。

从图中可知：

（1）不加荷载的位移随深度的加深，位移缓慢减小，位移最大值约为2.5mm，加荷载的位移随着深度的增加，在0～1m处出现峰值约5mm，之后位移也减小，但减小速度较不加荷载情况快。

（2）加荷位移与不加荷位移在深度为0～1m处，相差约2.5mm，相差比较大，随后位移差逐渐减小，趋于相等，位移深度为4m时，加荷位移与不加荷位移基本一致。

（3）荷載作用深度在0～4m的深度范围内，荷载会对道面位移产生影响，荷载作用深度超过4m以后，荷载对道面位移的影响可以忽略不计。

6 结论

本论文利用有限差分方法对于某一特定机型的荷载作用深度进行研究，通过数值模拟可以得出以下结论：

（1）利用有限差分方法可以对道面受荷情况进行很好的模拟，其荷载作用规律与理论解基本一致。

（2）飞机荷载大小及作用效果随着深度的增加，逐渐减小，飞机荷载仅对基层浅部土体应力产生影响，对于深部土体影响有限。

（3）对于模拟工况，A320的飞机荷载作用深度为4m，超过4m以后，飞机荷载作用的影响深度可以忽略不计。

（4）对于荷载较大的机型需对机场道面受力情况进行专项评估，对于机场不停航穿越工程，当位于飞机荷载影响区内时，需考虑飞机荷载的影响。

参考文献：

[1]姚妙娴，韩进宝，张合青.飞机荷载作用下道面及地基土数值分析[J].低温建筑技术，2016，38（01）：109-111.

[2]周苏杰.飞机荷载作用下机场道基动力响应及沉降分析[D].南京航空航天大学，2018.

[3]张宝鹏.局部嵌固式修复体结构优化与施工工艺研究[D].中国民航大学，2017.

[4]常海锋.浅谈FLAC3D在岩土工程中的应用[J].四川建材，2020，46（05）：51-52.

[5]呙润华，凌建明.飞机荷载作用下场道地基附加应力特征[J].同济大学学报（自然科学版），2001（03）：288-293.

[6]郑飞，翁兴中.飞机荷载下水泥混凝土道面板应力计算方法[J].交通运输工程学报，2010，10（04）：8-15.