民用机场道面检测与评价

运 昊，汤俊杰，赖晓南

（广东建科交通工程质量检测中心有限公司 广州 510500）

0 引言

随着我国综合国力的不断提升，结合人民出行的需要，民用航空业务量迅速增长，2015～2019 年，我国民航运输总周转量从851.7 亿t·km 上升至1 293.3 亿t·km，复合年均增长率达8.7%［1］。而机场道面在长期使用过程中，频繁承受着飞机起降的冲击和碾压，同时还有温差变形作用，加之混凝土道面设计和施工过程中诸如土基加固、配合比中水泥用量、混合料含水量等误差影响，机场道面会局部逐渐出现破损且道面性能也会逐步衰减。并且随着使用年限的增加，道面性能衰减速度会越来越快。这将有可能严重影响飞机的安全运行，因此，有必要对机场道面进行全面的检测，并对结构性能、承载能力、功能性能进行评价，并对剩余寿命进行预估，为后续道面修补或改建提供依据。

海南某机场于2016年1月完工，3月初试飞成功，二期建设于2016 年4 月启动，2017 年1 月复航。目前年旅客吞吐量约100万人次，年货邮吞吐量约3 000 t。按照中国民用航空总局令第191 号《民用机场运行安全管理规定》（CCAR-140），机场管理机构应当至少每五年对跑道、滑行道和机坪道面状况进行一次综合评价，评价方法参考《民用机场道面评价管理技术规范：

MH∕T 5024—2019》［2］。

1 检测方案

根据文献［2］要求，拟定机场道面综合评价体系［3］，如图1所示。

图1 机场道面综合评价体系Fig.1 Comprehensive Evaluation System of Airport Pavement

⑴基础资料收集。应对道基、道面结构资料，道面分区资料，航空交通量数据以及道面病害、道面维护和改扩建历史资料等进行收集。

⑵道面损坏状况调查。由于本次检测目的为掌握道面总体损坏状况，故采用随机抽样的方法进行抽样调查。

⑶面层材料性能试验。现场测量水泥混凝土芯样厚度，并对芯样进行加工后测试劈裂强度，通过换算得到弯拉强度。

⑷道面结构性能测试。根据重型落锤式弯沉仪（HWD）检测结果，通过反演分析，得到包括道面板弹性模量、基层顶面反应模量、道面接缝的弯沉比传递系数等参数。

⑸道面功能性测试。跑道摩阻测试车检测道面抗滑性能，激光平整度测试仪检测道面平整度。

⑹道面剩余寿命预估。根据道面板弹性模量、基层顶面反应模量、航空交通量统计及给定机型，通过有限元分析，估算道面结构性剩余寿命。

2 检测过程

2.1 道面损坏状况

现场确认道面调查单元（一般不大于500 m2，不少于相邻的20块板）及该单元的现场位置标识。针对道面上可能存在的不同种类、不同损坏程度、不同损坏量的病害，按照文献［2］中道面损坏鉴别标准及计量方法，采用道面状况指数（PCI）评定道面损坏等级。

首先按照Dij=nij∕N×100计算损坏密度，再按第i种损坏类型第j类损坏程度的损坏密度查表得到损坏折减扣分值，经过综合修正得到MaxCDV，PCI=100-MaxCDV［2］。道面状况指数为0～100，对应的道面损坏等级为五级，如表1所示。

表1 道面损坏等级评定标准Tab.1 Evaluation Standard for Pavement Fault Station

通过对调查结果的统计及计算，得到各区域的PCI及损坏状况等级，结果如表2所示。

表2 各区域的PCI值及损坏等级Tab.2 PCI Value and Damage Level of Each Area

由表2可以看出，该机场道面整体损坏状况良好，联络道区域略差于其它区域。

2.2 面层材料性能

现场抽芯及室内劈裂强度试验结果如表3所示［4］。

表3 水泥混凝土芯样检测结果Tab.3 Test Results of Cement Concrete Core Sample

2.3 道面结构性能

通过整理现场HWD 测试数据，得到用于结构参数反演的弯沉盆，通过反演分析［5］，得到各区域的相对刚度半径、基层顶面反应模量、水泥混凝土板弯拉弹性模量，结果如表4 所示。另外，通过HWD 测试数据还可计算道面接缝的弯沉比传递系数，结果如表5所示。

表4 各区域FWD反演分析结果Tab.4 FWD Inverse Calculation Analysis Results of Each Area

表5 各区域接缝传荷能力评定等级Tab.5 Evaluation Grade of Load Transfer Capacity of Joints in Each Area

2.4 道面功能性能

通过跑道摩阻测试车检测道面抗滑性能［6］，结果如表6所示。

表6 跑道抗滑性能及评定等级Tab.6 Runway Anti Sliding Performance and Evaluation Grade

通过激光平整度测试仪检测道面平整度，结果如表7所示。

表7 各区域平整度及评定等级Tab.7 Flatness and Evaluation Grade of Each Area

3 道面结构性能评价

国际民航组织（ICAO）推荐ACN-PCN 评价法作为机场道面结构性能评价方法，用于评价道面结构能否满足不同机型的荷载要求。其中ACN 为飞机等级号（Aircraft Classification Number 的缩写），PCN 为道面等级号（Pavement Classification Number 的缩写）。该评价法的难点主要在于通过有限元，根据温克勒地基上的弹性薄板理论，按四边自由板建立模型，计算评价机型一个主起落架临界荷位处的板边应力。本次通过ABAQUS 软件，设置材料基本参数、荷载及约束进行计算［7］，结果如图2所示。

图2 通过有限元计算板边应力（跑道）Fig.2 Use the Finite Element Method to Calculate the Stress of Runway Slab Edge

通过该机场工作人员提供的航空量数据，根据文献［2］中附录D 的公式计算出给定机型B747-400 在评价期内的当量累计作用次数Nei为851 次［8］。跑道道面PCI 均值为98.9，跑道厚度平均值为411 mm，故取有效厚度he=411 mm。由FWD 反演分析确定跑道基层顶面反应模量K=93 MN∕m3，水泥混凝土板的弯拉弹性模量Er=39.5 GPa。水泥混凝土板块弯拉强度由现场芯样试验确定，跑道区域取平均值fcm=5.28 MPa。应力折减率LT由弯沉比传递系数LTEσ和应力比传递系数LTEσ计算得出，LT=LTEσ∕（1+LTEσ）。根据HWD检测结果计算跑道应力折减率为0.22。计算刚性道面面层材料的容许弯拉疲劳强度σrm，当|σp-σrm|≤0.025σrm时，拟定重量Gi作为给定机型的最大容许运行质量，经过试算，5 500 kN 为B747-400 的最大容许运行质量，试算过程如表8所示。按照《民用机场飞行区技术标准：MH 5001—2013》，根据道基强度类型为“中强度”，采用线性外延的方法，确定PCN值为92［9］。

表8 给定机型最大容许运行质量计算Tab.8 Calculate the Maximum Allowable Operating Mass of a Given Model

同理可算出其它部位的PCN 值，结合原通报PCN值，得到目前的建议通报PCN值［10］，如表9所示。

表9 各部位建议通报PCN值汇总Tab.9 Summary of Recommended PCN Values for Each Area

4 道面结构性剩余寿命预估

道面剩余寿命是机场运行规划、道面维护及改扩建决策的基础，也是道面定量评价与管理的重要体现。本次采用结构设计的逆过程对道面结构性剩余寿命预估，以分析计算所得到的剩余作用次数作为结构性剩余寿命。

跑道道面PCI 均值为98.9，跑道厚度平均值为411 mm，故取有效厚度he=411 mm；根据室内试验得到水泥混凝土板的抗弯拉强度，取最不利点fcm=5.05 MPa；由FWD 反演分析确定基层顶面反应模量K=93 MN∕m3，水泥混凝土板的弯拉弹性模量Er=39.5 GPa；根据机场运行状况和该机场工作人员提供的航空量数据及发展趋势，按B737-800 年起降40 000 架次代入计算，则评价机型B747-400 的当量年起降次数Ns=8 500 架次。根据有限元计算出的板边应力为3.923 MPa，结果如图3 所示，得出评价机型B747-400 剩余累计当量作用次数为Ne=26 252 架次，最终计算得出道面剩余使用年限Ys=35.4年。

图3 通过有限元计算板边应力（跑道）Fig3 Use the Finite Element Method to Calculate the Stress of Runway Slab Edge

5 结论

本次以海南某机场为例，完整构建了机场道面综合评价体系，通过对机场道面检测的全过程的分析，使评价体系能与检测参数有机结合，为检测人员更好地得到真实可靠的检测结果打下了基础，也能让机场管理者更全面地了解机场道面状况。检测过程中尤其需要注意以下3点：①要对机场的航班量，特别是起降机型进行准确统计，这关系到评价机型的当量年起降次数计算；②在进行HWD 检测时，有条件时尽可能选用更大的荷载级位，保证承载板中心弯沉值不小于0.11 mm，这样才能更准确地通过弯沉盆数据进行反演分析；③通过有限元或者数格法进行板边应力计算时，务必力求每个代入参数准确，因为板边应力的微小误差都会对PCN和结构性剩余寿命造成巨大的影响。