基于智慧跑道道面脱空实时评估技术的研究

赵振宇

（中国民航大学交通科学与工程学院）

1 引言

机场道面在长期受到飞机起降滑行以及环境影响等因素的共同作用下，场道内会出现道面板板底脱空的情况，若不能及时发现和处理，可能会威胁到机场运行安全。目前在机场道面检测中的落锤式弯沉仪技术只是通过加载时各传感器的测试结果反算出弯沉盆来推断道面内部结构的信息，无法从根本上研究道面内部的力学响应，并且在现实中只能利用航班停止间隙定期进行现场测试，难以实现对机场道面的实时监测，这就为跑道高效安全运行、科学养护等方面的工作带来了一系列问题。

随着传感器技术在土木工程监测领域中的运用，大大增强了人们对于结构安全方面的监测能力，在1987年美国实施的SHRP计划中就通过在路面内埋设大量传感器，收集动静荷载作用下路面应变响应等力学数据[1]。2020年，Graziano等肯定了对道路结构进行持续有效监测能够起到降低运营成本和延长道路使用寿命的作用[2]。在国内的相关研究中，面向机场工程方向的研究也已逐渐兴起，凌建明等提出了在智慧城市、智慧交通大背景下智慧跑道的应用前景[3]。

2 有限元模型构建

基于ABAQUS有限元软件建立跑道全宽尺寸为45m的足尺模型，有限元模型的尺寸为45m×15m×10m，道面结构和材料参数见表1。

表1 机场混凝土道面板结构和材料参数

对脱空时的模型进行简化，假设只沿板边横向矩形脱空，且脱空区域在深度方向上为完全脱空，长度为0m，0.4m，0.8m，1.2m四种。采用国内常用机型B737-800加载，荷载参数可根据参考文献[4-5]计算。

3 传感器布设

在横缝两侧的相邻道面板下埋置动态应变传感器，动态应变传感器可测出长度内的应变变化，传感器的位置示意如图1。

图1 现场测试应变传感器埋设方案示意

4 不同道面结构参数对脱空的影响

改变跑道各层的结构参数，以飞机荷载正对跑道中线加载到板边，记录道面脱空0m、0.4m、0.8m、1.2m四种不同长度时的传感器的应变值，得到未脱空时道面板下传感器的应变值为47.392με，相同脱空状况下，增大各层的弹性模量，接缝处传感器的应变值减小，其中随土基模量的改变，接缝处传感器数值变化最为显著。可见，在实际工程中，增大土基模量增强土基对道面的承载能力可减少脱空的发生，并能明显降低道面脱空发生时对道面产生的影响[6]。

5 板底脱空评估

以模型未脱空时飞机沿跑道中线移动到板边板下传感器的应变值作为标定值，将不同道面结构参数下得到的应变增量值进行修正。飞机在跑道上滑行时，到达接缝处应变传感器测得的应变值与此值进行比较判断板下是否发生脱空，其计算公式如下。

式（1）中：ζ为修正值，με；ε为实测受荷板的应变值，με；△ε1、△ε2、△ε3分别为面层模量、基层模量、土基弹性模量修正值，με。

5.1 判别方法

以现有的光纤光栅传感器为例，精度可达±1με，测量时通过合适的布置以及封装处理，灵敏度可达到0.1με[7-9]。在上文研究中，当板边未存在脱空，飞机沿中线经过接缝时，受荷板传感器的应变值为47.392με，考虑到监测时传感器的灵敏度和精度，脱空判断的界限值定为47±传感器的精度范围，判别方式如表2所示。

表2 道面脱空判别表

5.2 不同道面结构参数接缝处应变修正

5.2.1 不同面层弹性模量应变修正式

以初建模型板弹性模量36GPa所得应变为基准，小于该值则取负，大于该值取正值，得到基层弹性模量从24GPa到40GPa下受荷板应变传感器的应变值，如表3所示。

表3 不同板的弹性模量E1应变增量表

根据多项式拟合函数原理，可得不同面板弹性模量时应变的修正计算公式：

5.2.2 不同基层弹性模量应变修正式

以初建模型板弹性模量1500MPa所得应变为基准，小于该值则取负，大于该值取正值，得到板弹性模量从1500MPa到2500MPa下受荷板应变传感器的应变值，如表4所示。

表4 不同基层的弹性模量E2应变增量表

根据多项式拟合函数原理，可得不同基层弹性模量时应变的修正计算公式：

5.2.3 不同土基弹性模量应变修正式

以初建模型土基弹性模量80MPa所得应变为基准，小于该值则取负，大于该值取正值，得到土基弹性模量从20MPa到100MPa受荷板应变传感器的应变值，如表5所示。

表5 不同土基的弹性模量E3应变增量表

根据多项式拟合函数原理，可得不同土基弹性模量时应变的修正计算公式：

5.3 算例

取道面板弹性模量35GPa，基层弹性模量1600MPa，土基弹性模量70MPa，传力杆弹性模量210000MPa，偏移跑道0.4m，轮距中线偏移应变传感器0.044m，具体的道面参数如表6所示。

表6 道面结构参数

通过有限元模拟未脱空和脱空发生时（板边脱空长度0.4m），受荷板传感器所得的应变值和修正值的比较：根据道面结构信息和飞机的位置算出，有限元计算结果如表7所示。

表7 算例结果

由表7可知，脱空发生时，受荷板下应变传感器的应变值会增加；通过标定的道面结构计算出未脱空时受荷板下应变传感器的应变值，可用此方法判断道面是否发生脱空。

6 结语

利用ABAQUS有限元软件建立了平面尺寸45m×15m的跑道模型探究各结构层参数变化对道面脱空的影响；针对目前机场常出现的脱空病害提出了可利用道面板下埋置应变传感器的方式判断道面是否存在脱空，给出了评估模型并利用算例证明了模型的准确性。

①各道面结构层的模量越大，相同加载和脱空情况下道面板下应变传感器数值越小，道面脱空所带来的不利影响越小；其中土基模量的增大对应变传感器的数值减小变化最大，说明在实际工程中，增大土基模量增强土基对道面的承载能力可以很大程度上减少脱空的发生，并且能够明显的降低道面脱空发生时对道面产生的不良的影响。

②道面脱空评估可利用在道面内预埋应变传感器的方式进行实时监测，可以大大提高对道面的监测能力，对保证机场的安全运行、科学维护、构建确定合理的设计方法和设计参数、进行跑道结构性能精确评价和缺陷诊断具有重要意义。