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1、秘l含十e - 工程力学增刊2 0 0 3 年改建机场沥青混凝土道面设计方法张超，谭立伟，王峰，田 艳凤( 空军后肠学院机场营房建筑与管理系，江苏，徐州 ，2 2 1 0 0 0摘 要: 本文将有限元法引入机场多层弹性体系分析，针对改建道面的特点，计方法。提出了 改建机场沥青混凝土道面关钮词:沥青混凝土道面:力 学模型;设计指标;当量回弹模量;改建道面Y1 引言机场沥青混凝土道面在使用过程中可能出 现下列问 题: 道面在飞机荷载和自 然因素的长期作用下， 产 生开裂、 沉陷、 推移等破坏， 影响正 常使用: 沥青混合料集料磨光打滑， 道面表面性能达不到要求:因使 用机型或机场战略地位发生改 变
2、， 需要对原有道面提高等级; 沥青道面达到设计使用年限等。 对于这些问 题，一般是 采用在原有道面上进行加铺改建的 方法来解决， 对此我们进行了 研究，针对改建道面的 特点，提出改建道面的设计指标和设计方法。2 新建沥青混凝土道面设计方法简介2 . 1力 学模型道面结构一般由 支撑在压实土基上的 面层、 基层、 底基层等多个层次构成， 如图2 - 1 所示。 各层材料 可视为弹性， 因此 将道面结构用弹性多层体系表示， 作用在道面上的 机轮荷载采用当量圆形均布荷载， 荷 载由 垂直和水平荷载受加而成， 力学计算模型如图2 - 2 。 对A - G 每一计算点按数值积分法求出6 个应力分量后，
3、可以 求算该点的主应力和最大剪应力。面层联结层基层底基层垫层压实上缝图2 - 1沥青道面结构图图2 - 2沥青道面结构模型2 . 2设计指标道面设计以 It 刚性基层、底基层底部的拉r力为 _ L 要指际，并验算在当地多年冬季平均最低气温 卜 的 而层拉应力， 对跑道端部、 弯道等承受较大水平力 的61泣验滩八,r 0 直和水乎 综合荷载作用 的面层剪应力2 . 3设计参数各层衬朴 的强度印 刚度特比分别采用针裂强度叫亢 11c ! 弹漠梦浅证，盯裂强度采用叮拉i式 验测定.抗 限回弹模猫 采川项面法测定。t 之 fn:血居7 ; C Y l 能I 7 内梦故日 = i i 力和内厚惊的采用三
4、 匀 h i f 缩试二脸 ，则 E - Id 1 r2 抗 拉 强 度 参 数 按 公 式 K 、 二 0 . 1 8 6 K , K . : - 0 - - Ii l1 杭 叮 强 叹 多 数 按 公 式K二 0 . 3 8 5 K - V 计 算 、I-Fl i 111 工程力学 增刊2 003 年二全 士 二 泣性基层、底基层的 抗拉强度结构系数按下式计算:稳定粒料类:稳定土类:凡= 0 . 1 2 6 凡N 0 .23 5K , = 0 . 1 4 5 K ,N 0 2 3 52 . 4力学强度理论面层和半刚性基层、 底墓层的拉裂破坏采用最大正应力理论，面层剪切破坏采用摩尔一库伦理论
5、。 2 . 5飞机换算关系根据等效损害原理， 按拉应力等效的原则， 进行不同飞机交通量换算。 2 . 6 结 构设计得到以 上参数后， 可采用F i n n等开发的P D M A P 计算程序， 肯塔基大学 黄仰贤教授编制的K E N L A Y E R 程 序及密歇根州立大学的H a r i c h a n d r a n 等开发的M I C H - P A V E 程序进行结构分析、厚度计算。3 改建道面设计思路3 . 1力 学模型基于对改建道面设计 特点的分析， 为避免测定或求解各结构层设计参数的问 题， 拟采用与新建道面不 同的 力学模型， 即 将原 道面连同土基看作半空间体， 以原道
6、面顶部的当 t回 弹模量和泊松比 表征其弹性性 质， 这样只要测得了原道面的弯沉值就可以 反算出 其当 量模量。 于是对于单层加铺层就可以 双层体系为 设 计计算的力学模型， 对于N 层加铺层就可以N + 1 层弹性体系作为力学计算模型。 3 . 2设计指标改建道面的 荷载和环境条件、 破坏特征及原因 与新建道面是相似的， 所以改建道面设计采用与新建道 面相同的设计指标，以 加铺层底部拉应力为主要设计指标，以 面层的 剪应力为次要指标。 将土基的弹性模 量用原道面的当妞回弹模量代替，就可按新建道面相同的方法进行设计。4 原道面当量回弹模量计算4 . 1弯沉与回弹模f之间的关系选择半空间 弹性体
7、作为原道面的 力学基础， 原道面的强度特性就可以 回弹模量表征。 为了 模拟机轮印 迹的作用， 通常都以图形承载板压入土基的方法测定回弹模量。 有两种承载板可以 用于测定道面的回弹模 量， 即柔性压板和刚性压 板，用刚 性承载板测定道面回弹模量， 压板下道面顶面的 弯沉为等值。原道面的 回 弹 模量可采 用这 种方 法测定。 其 弯沉值1 与 接触压力p 之间的 关系 如下: 1 = p D (1 - 些E( 4 一 1 )尤-4将式( 4 - 1 ) 稍作变换即得:E = p D (1 - A 血1( 4 一 2 )汀一4式中: 2 一承载板弯沉量D一承载板 直径:E一道面的弹性模量;p一承
8、载阪压力;p 一道面 泊 松比: 因此只要测得了承载板的弯沉，就可利用式( 4 - 2 ) 计算原道面的H弹模量。、 7 Z. 习牛 a - 工程力学 增刊2 0 0 3 年4 . 2 原 道 面的 分 段在确定原道面的 计算 弯沉时， 应将全线分段， 分段主要考虑下列原则:( 1 )同 一分段土基的 干湿类型与土质基本相同;( 2 ) 在同一分段内， 各测点的 弯沉值比 较接近， 若局部面积弯沉值很大，则应先进行修补处理再进行加铺;( 3 ) 各分段的 最小长度应与施工方法相适应，在水文、 土质条件复杂或需要特殊处理的路段， 其分段长度可视实际情况确定。 4 . 3各分段的代表弯沉值回弹 模
9、盆若以 分段的 最大弯沉值为依据计算，则设计显得过分保守，因此应以 代表弯沉值作为依据， 所谓代表弯沉值就是分段在不利季节， 所有弯沉测定值的算术平均值加上若干倍均方差，即代表弯沉值是 具有一定保证率的弯沉值。 如果分段的弯沉值不是 在不利季节测定的， 则应作季节影响修正。 如果弯沉不是在标准温度下测定的， 还应作温度修正。用 代表弯沉值计算回 弹模量， 就意味着分段内 有些测点的 弯沉高于代表弯沉， 该处是没有安全保证的， 可能未达到设计使用年限 就破坏了。 因此， 应从适应飞机滑跑要求和经济性两方面规定道面达到使用期限 以 前容许的 损坏率。 代表弯沉值中 包含的 均方差倍数，由 容许的
10、损坏率决定， 从道面维修角度来看，道面 开裂、 变形及修补过的 面积达到 1 5 % 左右就需要大修了，因 此可定 损坏率达到 1 5 % 作为道面破坏的大致界 限， 然而从交通要求来看， 损坏率较高时， 维修工作将严重妨碍飞机的行驶安全， 这对于交通繁重的机场 是不容许的。因 此对于不同 机场的 道面应有不同的容许损坏率.基于 上 述 考 虑， 各 分 段 的 代 表 弯 沉 值1 。 应按 式( 4 - 3 ) 计 算:t o = ( 1 o + A a ) K , K 2 K 3( 4 - 3 )式中 :l a 一分 段的 代 表 弯沉值;1 。 一分 段 内 原 有 道 面上 实 测
11、弯 沉 的 平 均 值;口一分段弯沉的均方差: A一谋证率系数，特级和一级机场取 2 ，二级机场取A = 1 . 6 4 8 ，三级机场取 1 . 5 ;凡一季 节 影 响 系 数; K z 一 湿度 影 响 系 数; K 3 一 温 度 影响 系 数;4 . 4原道面当f回 弹模f的 计算确定原道面的当量回 弹模量应根 据道面的分段， 分别计算分段的当量回弹模量。由于原道面的回弹模 量是在 承载板直接作用在 表面的 情况下测定的， 这与改建道面投入使用后飞机 荷载的作用方式不同， 而道 面各结构 层的弹性模量又是关于道面结构、 荷载作用方式、 大小等因素的复杂函数，因此对由 承载板直接 测算
12、得到的回弹模量不能 直接用于设计， 而需要把该模量提高一定倍数才能作为设计计算的当量回弹模 量。参考水泥混凝土道面设计中，基层顶面综合回弹模量增大系数n 计算公式如下:。 = ，。 一 竺) 。“ 、 、 、l E , )式中 E , 一水 泥 感 疑 土 弯 拉弹性摸 . ( .1 1 1 3 ) ;h一板厚( c m) :K ， 一 土 起 落 架 机 轮 接 地 面 积 当 V .圆 直 径D ( c rn ) 修 L L 系 数 ， 1 J. K , = 2 .6 8 D -“ ( 4 - 4 ) 工程力学 增刊2 0 0 3 年. , 3 4 冬谈少 半K 2 一 轮 距x ( m
13、) 和 轴 距y ( m ) 的 修正 系 数， 且K 2 = 1 + 0 .0 7 x + O . l y 。将 补 强 层 ( 1 , 2 , - - 、 一 I ) 转 化 为 模 量 与 最 底 一 层 模 量 凡_ ， 相 同 的 等 效 层 ， 等 效 厚 度 丫的 计 算 :，昌一 ( E : 产5h =)h i l !,0 i . l 戈_ 1 )( 4 - 5 )再 将h l 换 算 成 与 水 泥 混 凝 土 模 量 ( 取E = 3 0 0 0 0 峥。 ) 相 等 的 厚 度 ， 代 入 式 ( 4 - 4 ) 并 化 简 ， 可 得 : 。 一 1 .12 f h E
14、 025 , 0.8K 、 ，l E ,)( 4 - 6 )这样回弹模量可按下式修正:E , =- p D l 一 p 24 1 0( 4 - 7 )式 中 : E , 一 原 道 面 当 量 回 弹 模 量 ;p 一承 载 板平均触 地压力;D一承载板直径:1 0 一 分 段 的 代 表 弯 沉 值 ;P 一道 面泊 松比， 取0 . 3 :n -原道面当 量回弹模量扩大系数。 当 计算与原道面接触的补强层底拉应力时， n 按式( 5 - 6 ) 计算，当 计算 其它补强层时，n = 1 . 0 。5 结束语本文主要结合军 用机场的 特点， 研究并提出了改 建机场沥青混凝土道面的结构设计方法， 力求避免旧 道面沥青盖被时大量材料的浪费 情况，节约投入经费，该方法也可应用于高等级公路改建设计。参考文献冷培义， 翁兴中，蔡良 才，机场道面设计.人民交通出 版社王伟等译.柔性路面的多层弹性理论方法.国外公路.第 1 81 9 9 5卷第3 期，1 9 9 8 . 6梁锡三，唐有君.柔性路面设计.人民交通出 版社，1 9 8 2 . 1 2 .( 美)黄仰贤著， 余定进等译.路面 分析与设计.人民交 通出版社，1 9 9 8 . 5皿毖阳决
