机场跑道沉降区道面波音平整度指数分析方法

2022-06-08饶伟东

城市建设理论研究（电子版） 2022年8期

饶伟东

民航专业工程质量监督总站中南地区监督站广东广州 510405

道面评估对于道面保护和养护的决策过程至关重要。平整度是机场道面的一个关键指标，与安全性、使用寿命等影响有关[1]。跑道过大的不平度将会导致飞机在滑行过程中产生振动，不仅会加速道面和起落架的疲劳破坏，还会影响乘客的舒适度和飞行员的操作。目前国际上没有统一的机场道面平整度评价方法，波音公司基于飞机滑行的疲劳寿命建立了三级平整度评价标准；加拿大运输部建立了以行驶舒适度（RCI）为指标；美国APR工程咨询公司提出以驾驶舱和飞机重心加速度平方和根值为指标等评价方法。我国多以国际平整度指数（IRI）作为评价指标[2]。IRI指标来源于标准1/4车模型[3]，但飞机和汽车在速度、轮距和悬挂缓冲系统等诸多方面存在差异，两者的动力学响应特性区别较大，故波音平整指数（Boeing Bump Index, BBI）较为合理[4]。但国内对波音平整指数的介绍资料有限，因此，本论文对机场跑道道面波音平整度指数方法和算法进行分析，对于保证机场道面的运行安全，具有重要的积极意义。

1 波音平整度评估方法

波音公司根据大量碰撞事件的经验制定了标准，描述了跑道道面的平整度状况，量化了与碰撞事件相关的可接受区域、超量区域和不可接受区域的道面平整度边界，提出了隆起长度与隆起高度两者关系的评价指标，如图1所示。

图1 道面平整度评价标准

（1）可接受区域：新建或修复的道面将导致隆起长度、隆起高度在可接受区域内。所有飞机都可以接受此范围内的操作。随着道面老化，如冻胀、道面沉降等各种因素可能导致隆起长度和隆起高度接近可接受区域的极限。经验表明，飞行员开始报告过度平整度时，表面平整度已经接近超量区域，机场应开始确定颠簸位置并准备采取纠正措施，措施包括定期监测、分析道面高程等工作。

（2）超量区域：在平整度进入超量区域时需要修复道面。对于飞机机组人员和乘客来说，这种程度的平整度会给飞机上的所有乘员造成严重的不适，驾驶舱内仪表的干扰可能很严重；也可能导致飞机在短期内无法操纵，以及前起落架和主起落架的疲劳寿命过度缩短。此时在超量区域需要进行道面维修，但不需要关闭受影响的道面。

（3）不可接受区域：此区域的平整度水平需要立即关闭受影响的跑道道面，立即进行道面维修，以便将道面恢复到可接受区域的水平。

2 波音平整度指数算法

为了将计算出的隆起标准与其他平整度测量值进行比较，美国FAA提出了波音平整度指数，波音平整度指数算法流程如下：

（1）对于测量的纵断面采样点，计算所有不同长度“直尺”下的隆起长度、隆起高度；

（2）计算不同隆起长度对应的隆起高度允许值（图1中“可接受区域”上限值）；

（3）对不同隆起长度计算实际隆起高度与允许值的比值，其中最大的比值为断面采样点的BBI值；

（4）对所有纵断面采样点重复步骤（1）-（3）。

波音平整度评价标准中可接受区域和超量区域的上限值计算公式如下：

（1）可接受区域上限曲线：

（2）超量区域上限曲线：

其中，隆起长度L（m），隆起高度H（cm）。根据BBI算法定义了可接受区域、超量区域和不可接受区域的评估图，如图2所示。当BBI值小于1.0时，处于可接受区域；BBI值大于1.0时，处于超量或不可接受的区域。相交于隆起长度大于20m，在隆起长度小于20m时，BBI值更容易处于超量区域。

图2 道面平整度评价标准（BBI）

3 沉降区道面数据分析

3.1 沉降区道面概况

某机场地处内陆高平原地区，在新建机场前，该地区存在多条河沟弯曲穿过机场飞行区[5]。由于飞机在跑道起降时存在颠簸，为了更好分析跑道不平整度的情况，使用电子水准仪对上述颠簸区域进行测量[6]。测量方案如下：沿跑道中心线道面板进行逐板（测点间距4m）板角高程测量，共布置高程测点151个，如图3所示。

图3 跑道沉降区道面板高程图

由图3的道面高程图可知：跑道道面20-90m、260-360m和500-530m三处区域发生了明显沉降，分别沉降约7.12cm、8.55cm和7.99cm，并且260-360m区域沉降值最大，其他区域道面没有明显的沉降。

3.2 波音平整度指数分析

纵断面测量的数据采样间距宜采用0.25m，当采用其他大于0.25m的采样间距时，应将数据插值处理为0.25m间距的数据。由于本次跑道沉降区测量数据间隔为4m，为了更好反映道面高程的变化，对测量数据插值处理为0.25m间隔，再使用波音平整度指数算法流程对0-600m范围内测量数据进行处理，跑道沉降区道面BBI值分布情况，如图4所示。分析BBI值分布图可以发现：（1）跑道道面80-200m、360-440m和530-600m区域BBI值基本小于0.3，三个区域道面没有发现明显的沉降；（2）40-80m、200-360m和440-530m区域BBI值波动较大，三个区域道面基本处于沉降区范围；（3）490-510m区域BBI值大于1.0，也就是该区域存在超量区域或不可接受区域。

图4 跑道沉降区BBI值分布图

跑道沉降区域内，波音平整度指数中超量区域统计表和分布图，如表1和图5所示，可以发现：499.25-511.50m区域BBI值均大于1.0，而500.75-511.25区域BBI值最大值达到1.09。由于499.25-511.50m区域的隆起长度均小于60m，并且BBI值均小于1.2，根据图2的道面平整度评价标准，可以判断499.25-511.50区域存在超量区域。此跑道可继续使用，但应在合理的期限内对其进行修补，该区域可能会导致因某一次单一事件或长期的疲劳断裂而使得航空器可能出现结构性损坏的风险，因此必须采取维护改正行动，以便将表面状况恢复至可接受区域。