基于动载系数的机场复合道面剩余寿命研究

朱杰涛

（滨州学院，山东 滨州 256601）

机场道面剩余寿命预估是道面评价的主要指标之一。公路道面剩余寿命预估比较成熟，但机场复合道面剩余寿命预估还相对欠缺，目前，国内外学者对其进行了研究。周正峰等[1]应用多种方法对机场复合道面剩余寿命进行预估，并对结果的实用性进行分析。蔡良才等[2]基于累计损伤的机场道面剩余寿命预测模型，通过与机场实际道面对比来验证正确性。凌建明等[3]研究机场沥青道面剩余寿命预测方法，并用实例进行验证。在公路方面，秦昊等[4]先分析不平整道面的动载系数，然后求解沥青道面剩余寿命。张敏霞等[5]对水泥道面进行动载试验，预估疲劳寿命及分析影响因素。史军强[6]以层间接触状态对公路道面疲劳寿命进行分析。

1 基于动载系数的复合道面剩余寿命求解

1.1 动载系数分析

以B737-800为例，求解在不同国际平整度指数（International Roughness Index，IRI）条件下的机场复合道面动载系数得到：整体动载系数随着滑行速度的加快，呈现先增大后减小的趋势；随着IRI增大而增大，当IRI不超过6时，道面整体劣化程度对动载系数影响较小（1.02～1.19），实地调查道面劣化程度远大于规范要求，所以，分别计算IRI为20、30、40的动载系数的最大值为1.8、2.4、2.7。在局部劣化条件下，计算飞机经过坑槽时产生的最大动载系数得出：滑行速度低于10 m/s，动载系数为1.0～1.6；速度在10～25 m/s时，系数为1.3～2.4，局部劣化对动载系数产生的影响要远大于整体劣化。动荷载是加速道面使用寿命缩短的关键因素，柔性道面的设计寿命为15年以上，实际使用寿命为7年左右，因此，研究动载系数对剩余寿命的影响具有重要意义。依据前文研究结果，考虑规范[7]要求及道面实际情况动载系数取值为1.1～1.6。以上海虹桥机场为例，参照[8]选用B777-200作为换算机型，得到设计机型年运行次数为34 146次，对动载系数作用下机场复合道面剩余寿命进行预估。

1.2 机型及道面结构

本研究选取多次加铺的上海虹桥机场作为研究对象，参考相关资料及实地调查复合道面结构参数，如表1所示。根据温克乐地基上的弹性薄板理论，应用ABAQUS建立四边自由的三维有限元模型，层间结合系数从上到下依次为0.8、0.7、0.6。B777-200起落架构型与几何尺寸如表2所示。

表1 复合道面结构层参数

表2 飞机起落架构型与几何尺寸

1.3 预估方法

对于多次加铺的道面，进行传统复合道面设计时，大多根据弹性层状体系，假设各结构间是一个整体，没有考虑层间结合状态，也没有考虑道面整体和局部破坏时产生的动荷载，所以，道面的设计寿命远大于使用寿命。传统预测复合道面的疲劳寿命都是采用单一面层材料，少有方法对复合道面疲劳寿命进行计算，对平整度劣化的复合道面剩余寿命预估更是空白。分别提取劣化条件下旧水泥砼道面、沥青道面、复合道面中最危险的点进行剩余寿命预估，在改进劣化条件下对复合道面剩余寿命进行预估。

对沥青道面剩余寿命的预估采用美国FAA开发的LEDFAA，该方法以累积疲劳损伤原理为依据，沥青砼加铺层覆盖率—应变模型为[2]：

式中：Ne为疲劳破坏时的作用次数；εa为加铺层底最大水平拉应变；EA为沥青砼弹性模量，MPa。

采用Miner准则计算各类机型作用下的年累计疲劳损伤率之和D，其中，ni表示第i类飞机年预计作用次数。道面的剩余使用年限y=1/D。

对水泥砼疲劳寿命的计算，则采用美国NCHRP-26疲劳方程，有限元模拟结果能更好地适应该方程[1]：

式中：Ne为机轮作用处50%水泥板开裂时累计作用次数；MR为水泥板设计强度，取5.2 MPa；σ为水泥板底最大拉应力，MPa。

计算道面剩余使用年限为：

式中：Ne为评价机型剩余累计作用次数；Ns为评价机型的年当量运行次数；T为通行宽度，跑道取11.4 m；nw为一个主起落架的轮子数，个；Wt为轮印宽度，cm。

1.4 预估结果

应用ABAQUS建立三维有限元模型，提取相关数据，根据公式（1）和公式（3）分别对水泥板和沥青混凝土加铺层进行剩余寿命预估（见表3～4），上海虹桥机场剩余寿命预估如表5所示。

表3 沥青混凝土剩余寿命预估

表4 水泥板剩余寿命预估

表5 上海虹桥机场剩余寿命预估

对比以上结果，在动载系数不超过1.2时，水泥砼板的剩余寿命大于沥青面层；在动载系数不小于1.3时，沥青面层的剩余寿命大于水泥砼板。复合道面任一结构层发生破坏，将直接影响道面使用性能，因此，传统对单一水泥板或者沥青面层剩余寿命进行预估是不合理的，应采用多种方法，分别对水泥板和沥青面层进行剩余寿命预估。美国NCHRP-26疲劳分析法和LEDFAA两种预估方法选取控制指标不同，导致结果具有差异性。上述计算结果与实际道面实际情况具有一定的差距，但整体趋势相同，同样具有重要的指导价值。

2 结语

（1）道面平整度劣化是导致机场复合道面剩余寿命缩短的主要原因，且局部劣化影响远大于整体劣化。

（2）随着道面不平整的加剧，道面动载系数逐渐减小，当动载系数为1.3时，剩余寿命降幅很大，大于等于1.6时趋于0。

（3）两种不同的评估方法由于评估模型选取指标不同，结果具有差异性。