机场旧水泥混凝土道面沥青加铺结构设计

韩 庆

(商丘职业技术学院汽车建筑工程系,河南商丘 476100)

机场旧水泥混凝土道面沥青加铺结构设计

韩 庆

(商丘职业技术学院汽车建筑工程系,河南商丘 476100)

针对目前中国机场旧水泥混凝土道面沥青加铺结构尚无成熟的设计方法和设计体系,以及现有机场加铺工程在设计、施工、管理等方面已不能满足机场日益复杂的交通、荷载、气候及运行条件的现状,通过对国内外设计方法进行分析与比较,指出国内多个机场旧水泥混凝土道面在使用过程中存在的主要问题和需要改进的地方,为基于飞机在不同飞行区域的行驶特性进行沥青加铺结构分区域差异设计提供参考和依据.

加铺工程;机场;旧水泥混凝土道面;结构设计

0 引 言

沥青加铺层具有足够的力学强度,能承受飞机轮胎荷载施加在道面上的各种作用力;其良好的形变及高度的减振性可保障飞机快速平稳行驶;而且它与轮胎的附着力较好,可增加飞机行驶的安全性;铺筑完成后可迅速通航,保证机场道面不停航养护施工[2].因此,国内不少机场的旧混凝土道面都应用了沥青加铺处治技术.但是,从近年来使用过程中暴露出的一些问题可以看出,现有机场加铺工程的设计、施工、管理等方面已不能满足机场日益复杂的交通、荷载、气候及运行等条件,需要对加铺工程进行更深入、更精细化的设计及研究[3-5].本文对国内外机场道面沥青加铺层的设计方法进行简述,并在对其材料及厚度组合进行调研的基础上,详细分析现有设计方法中存在的问题,同时提供一些建议.

1 机场道面加铺层设计方法

1．1 国外设计方法

在国外机场旧水泥混凝土道面沥青加铺结构设计中,以美国联邦航空局(FAA)的设计方法最为典型.该方法最开始采用有效厚度法,设计思路是:首先通过刚性道面的设计方法计算出设计使用期内预计交通量所需水泥混凝土板的厚度,然后将原有道面根据损坏程度予以折减,最后由新旧水泥混凝土道面的差值等效转换为沥青加铺层厚度.但随着大型宽体飞机的迅速增多,面对较为复杂的起落架构型及荷载分布形式,传统设计方法所得的厚度值偏于保守,因此FAA提出了以弹性层状体系为理论基础、以层底的疲劳开裂为损坏模式、以层底拉应力为设计指标的加铺结构力学-经验设计方法,并开发了设计软件LEDFAA1．2.随后,又以NAPTF的足尺试验为基础推出了同时满足大型飞机和普通飞机的设计程序LEDFAA1．3.设计过程中不再采用设计飞机的概念,而是采用Miner准则中表示结构疲劳寿命的“累计损伤因子(CDF)”;道面结构层取消原有的K值表征,采用弹性模量和泊松比表征[6-9],设计流程(X为CDF的值)如图1所示.

图1 FAA设计流程

1．2 国内设计方法

中国机场旧水泥道面沥青加铺结构设计方法还是采用有效厚度法,包括结构性加铺和功能性加铺2类.对于没有结构性破坏的旧水泥道面进行功能性加铺时,首先对裂缝及接缝处进行防裂处置,然后加铺7.5 cm以上厚度的沥青混凝土罩面;过渡段则单独处置.在旧水泥混凝土道面上进行结构性沥青加铺时采用补强设计的方式,沥青加铺层厚度应不小于15 cm[10-12].

当加铺厚度不超过原水泥道面厚度时,计算公式为

式中:tj为沥青加铺厚度(cm);F为控制原有水泥道面开裂程度的系数;h为预测交通量所需的水泥道面厚度(cm),根据土基反应模量K及原有水泥道面弯拉强度查板边弯矩影响图得到;Cb为原有道面状况系数,在0.75～1.0之间;le为原有道面厚度(cm).

2）分析智慧城市需要具备的功能，结合智慧城市理念规划设计的现代化新型城市要求具备多种功能，尤其需要具有信息化功能；

当加铺厚度大于原水泥道面厚度时,加铺层采用沥青道面补强方式设计,将原有水泥道面作为高强基层.计算公式为

式中:hc为需加铺厚度(cm);tc为换算成沥青混凝土的道面总厚度(cm);∑aibi为旧道面基层、垫层换算成沥青混凝土的厚度(cm).

对原有水泥道面进行二次或多次加铺补强设计时,假定原沥青层不存在,先计算加铺厚度,再计算原沥青层有效厚度,最终得出所需加铺的厚度,计算公式为

式中:C0为原有沥青层损坏状况系数;h1为原有沥青层厚度(cm);t为所需沥青层总厚度(cm);hc为需加铺厚度(cm).

1．3 国内外设计方法对比

从上述国内外设计方法中可以看出:中国现有的沥青加铺结构设计方法主要参考国外设计框架,并没有结合实际情况进行大量的室内足尺试验和理论分析,同时实体工程应用经验较少,导致加铺结构厚度及材料设计过于保守,无法满足现有大型飞机荷载的要求.以FAA为代表的国外新的力学-经验法避免了传统设计方法中存在的问题,可以表征温度、荷载耦合作用下加铺层的疲劳开裂,通过弹性层状理论体系及数值模拟的方法,不仅可以考虑加铺结构的线弹性受力响应,而且还可以考虑材料非线性、几何非线性等问题,具有很大的灵活性和较好的适应能力.

2 结构组合形式及病害特征

2．1 流亭国际机场

随着流亭机场水泥混凝土道面使用年限的增长及使用性能的下降,原有道面结构不能满足使用要求,于是在2006年对该机场道面实施了沥青加铺改造工程.跑道采用双层或三层沥青加铺结构,跑道南端500 m范围内采用6 cm厚SMA-16改性沥青混凝土上面层、6 cm厚AC-20改性沥青混凝土中面层、6 cm厚AC-20改性沥青混凝土下面层;跑道北端2 900 m范围内采用6 cm厚SMA-16改性沥青混凝土上面层、7～9 cm厚AC-20改性沥青混凝土下面层;平行滑行道及联络道采用6 cm厚SMA-16改性沥青混凝土上面层、7～9 cm厚AC-20改性沥青混凝土下面层.随着机场航空量的增长及大型宽体飞机的增加,部分加铺区域损坏严重,使用性能复杂多变,对机场正常运行和飞行安全产生了显著影响.2013年,在对平行滑行道、联络道、跑道整体使用质量进行检测后,对原有SMA-16加铺层进行6 cm铣刨并等厚重新加铺.

该机场在施工过程中发现平行滑行道局部区域的轮辙最大达10 cm左右.飞机在平行滑行道上处于低速行驶或停滞状态,如果飞机在50 m·s－1的行驶速度下1次作用时间为0.01 s,则其在5 m·s－1速度下1次作用时间为0.1 s,也就是后者作用1次相当于前者作用10次.因此,在低速行驶的不利状态下,如果飞机在平行滑行道某一区域的停滞时间和停滞几率较大时,荷载在该区域的作用时间将急剧增大到其他区域的十倍甚至几十倍,从而使道面很快出现早期变形病害.同时,大型宽体飞机、交通量迅速增长及夏季高温季节等不利条件的耦合作用也加剧了这种早期变形类病害的发生.

2．2 地窝堡国际机场

地窝堡国际机场所处地区季节温差大、极端温度低、冰冻时间长,恶劣的气候因素导致了机场道面的表面破损病害较为严重,尤其是冻融作用引发的掉边、掉角、剥落等表面功能性破坏.加上机场连续运行时间较长(已达13年)且并无大修历史,跑道和联络道的表面功能正处于加速衰退期,道面结构剩余寿命约为6年.为了保障飞机的运行安全,避免跑道和联络道上表面破损病害的加剧和恶化,对跑道和联络道进行功能性大修改造.

结合机场区域的气候条件,参考国内其他同类机场的加铺改造经验,根据初步设计评估报告及批复,大修采用的道面加铺结构为:5 cm厚SMA-13沥青混凝土上面层、6～8 cm厚AC-20改性沥青混凝土下面层(不含找平层);考虑找平层后,下面层最小和最大施工厚度分别按4 cm、10 cm控制.道肩及防吹坪加铺采用5 cm厚AC-13改性沥青混凝土上面层、4～6 cm厚AC-13改性沥青混凝土下面层;考虑找平层后,加铺层最小摊铺厚度按8 cm控制.

在使用过程中发现,该机场联络道端部区域出现较严重的单侧轮辙现象.飞机通过联络道从平行滑行道低速进入跑道,联络道的两端部通常为小半径的圆弧,但是飞机的起落架间距较大,导致飞机在此处低速行驶时靠近圆弧内侧的起落架轮组近乎处于原地旋转状态,对加铺层产生较大的扭剪作用.联络道端部在这种扭剪力作用下处于不利受力状态,而且荷载作用时间将显著增加.以飞机主起落架间距10 m为例,当内侧圆弧半径为10～20 m时,内侧荷载作用时间为外侧的1.5～2.0倍,且内径越小越不利.可见内侧不仅容易出现剪切拉裂破坏,还会出现推移、轮辙等变形破坏.也就是说,联络道加铺层常处于重载、低速及内侧扭剪的受力状态,在夏季高温季节会迅速出现单侧轮辙病害.

2．3 贡嘎国际机场

贡嘎国际机场现有民航跑道长4 000 m、宽45 m,军用跑道长3 800 m、宽45 m,飞行区等级为4E,可供空客A340等大型飞机起降.为了适应新机型以及航空业务量的不断增长,对该机场跑道进行了加盖工程.根据飞机在跑道上的运行特性,兼顾施工的可行性以及节省投资和有利排水的需要,以15 cm为主要控制厚度,跑道加铺结构如表1所示.

表1 贡嘎机场跑道加铺结构组合形式

在使用过程中,机场跑道中部存在的问题相对较少,仅在跑道中间道肩出现些许裂缝;最主要的问题是在跑道西端出现局部推移变形、坑槽及小片裂痕等.飞机在跑道西端联络道端部进入跑道,在这过程中飞机需缓慢垂直调转机头,从而对道面产生低速扭剪作用,逐渐产生滑移、推移等变形破坏.加铺结构层与旧水泥混凝土层间由于剪切及弯拉应力作用出现疲劳破坏,处于不利接触状况.而且,随着荷载及外界环境的反复作用,沥青混合料内部空隙率逐渐增大,外界水分通过空隙进入混合料内部及层间,使沥青与集料间的黏结性能逐渐下降,尤其是在层间动水压力的作用下,混合料逐渐松散老化,沥青膜剥落,最终导致层间完全分离.

3 存在的问题

3．1 加铺结构形式及厚度变化

从上述几个机场道面加铺结构中可以看出,在已加铺的工程中,层数以两层或三层居多,每层厚度在5～10 cm,且平行滑行道、联络道、跑道上的加铺结构基本相同,仅在厚度上有2 cm左右的差异,选用的结构组合形式较为单一.

3．2 加铺材料的选择

从中国机场沥青加铺层材料可以看出,上面层一般采用SMA沥青玛蹄脂碎石混合料,利用粗集料的嵌挤作用提高混合料的高温稳定性,并形成足够粗糙的表面,大幅提高表层抗滑耐磨性能,加之沥青玛蹄脂填充于集料间隙形成高致密、小空隙材料,从而表现出出色的抗变形能力及耐久性.下面层则采用AC改性沥青混合料,这种结构材料在重载、高温的长时间作用下抗剪切能力不足,很容易产生塑性流动变形,造成轮辙、推移、拥包等病害.从几个机场的病害特征中可以看出,这种结构及材料组合形式在跑道中部飞机高速行驶下是可以满足使用要求的;但是在平行滑行道飞机低速行驶或停滞、联络道飞机低速行驶且单侧扭剪、跑道端部飞机低速且扭剪制动的情况下,永久变形量迅速累积,从而造成飞行区早期局部变形破坏.

4 结 语

(1)现有机场沥青加铺结构设计存在着一些问题,其中很重要的一点就是飞行区各区域加铺结构材料类型及结构组合形式基本相同,仅在厚度上有2 cm左右的差异,而飞机在各平行滑行道、联络道及跑道的行驶特性差异较大,导致飞行区局部区域在外界环境、大型飞机荷载及不利行驶状态的耦合作用下,很快出现早期变形破坏.

(2)从现有加铺工程的使用情况来看:一方面在飞机荷载及环境因素作用下,接缝或裂缝处会产生应力集中,且在荷载反复作用下加铺层底会因剪切作用产生疲劳裂缝并逐渐向上扩展;另一方面,沥青加铺材料在荷载重复剪切作用下将产生剪切流动变形,尤其是在低速、高温、重载条件下,沥青混合料抗变形能力显著降低,从而很快产生永久变形.所以,需要对飞行区不同区域的容许剪应力及容许轮辙深度进行控制.

(3)飞机在平行滑行道低速行驶或停滞、联络道低速行驶且单侧扭剪、跑道端部低速行驶且扭剪制动及跑道中部高速行驶几种状态下,道面结构受力状态及荷载作用时间存在较大差别,应采用数值计算理论和大型足尺试验进行不同区域差异设计.

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[责任编辑:高 甜]

Structural Design of Asphalt Overlay on Existent Cement Concrete Pavement of Airport

HAN Qing
(Department of Automotive and Architectural Engineering,Shangqiu Polytechnic,Shangqiu 476100,Henan,China)

In view of the fact that there are still no mature methods and system for the design of asphalt overlay on existent cement concrete pavement of airport at present,and the overlay engineering has been unable to meet the increasingly complex traffic,load and climate conditions and the operation of airport in terms of design,construction and management．The main problems and weaknesses of existent cement concrete pavement during the serving of the airport were pointed out by comparing domestic and overseas design methods and analyzing several airport overlay projects in the country,which provides reference for regional difference design of asphalt overlay based on the travel characteristics of airplanes in different flight areas．

overlay engineering;airport;existent cement concrete pavement;structure design

U416．2

B

1000-033X(2017)05-0051-04

2016-11-22

韩 庆(1982-),男,河南商丘人,讲师,工学硕士,研究方向为道路建筑材料.