飞机荷载作用下某机场道基动力响应及累计沉降研究

袁曜凡

（东部机场集团南京禄口国际机场,江苏 南京 210038）

0 引言

国民经济快速增长带来的是城市化的快速普及，各地基础建设的完善，主要体现在交通事业方面的成就，包括各地民用机场现代化程度提升、高速公路以及高速铁路工程建设效率和效应提升。现代化的高新技术促使交通设施建设越来越高效[1]。

交通运输过程中，保障机内人员生命财产安全是航空运输业最核心的目标，因此，需要从方方面面切入，保证飞机全方位的安全性能。由于我国一些区域地理条件的限制，许多大型的民用机场都建设在软土地基上，最典型的例子就是香港及澳门的国际机场。国际上此类地基的代表机场还有日本东京和关西国际机场，这些机场在国际交通运输中都起到了关键作用。因此，软土地基建设机场的跑道维护问题需要受到重视，有关研究工作应当致力于解决机场道路与地基之间的相互应力作用，防止跑道发生沉降，保证机场跑道安全工作[2-3]。

1 飞机荷载作用下机场道基动力响应及累计沉降研究的现实意义

一般民用机场建设的跑道道面结构包括柔性道面和刚性道面两种。前者是将处理好的沥青和骨料搅拌后铺设在质量较优的颗粒材料上，构成柔性道面；后者则是基建工程中最常用的水泥混凝土跑道道面。根据机场建设的地理位置和具体应用情况的不同，选用两种不同的路面各自展现不同优势。其中柔性道面能提升道路的平整程度，且沥青路面表现出较强耐磨性，受到震动时能够展现出较强的耐用性，受影响较小，施工过程中无需考虑接缝，能相应减少施工量，且后续维保工作比较方便简单。而刚性道面强度硬度更高，相比前者更加耐用，稳定性好，维护成本较低。

在我国民用机场的跑道道面建设历史上，柔性道面多被应用于小型的机场跑道，沥青路面则用于公路建设中，建设规模受到限制。因此，我国大型的民用机场大多数采用的都是刚性混凝土跑道道面。但刚性道面耐磨性不够强，属于脆性材料，在较高应力作用下的抗拉能力并不显著，一旦受不可抗力的影响，机场道面发生松散或出现空洞等情况，同时附加飞机起降的荷载应力，路面容易发生沉降、裂缝甚至断裂塌陷等严重事故。当路面水泥混凝土结构遭到外力损坏之后，即便修复，未来道面的适航性也会受到影响，严重的话甚至会导致整条道面无法满足适航要求，需要重新修建，造成很大损失。同时，软土地基含水量较高，因飞机荷载作用的影响，应力拉伸后发生变形的幅度较大，长周期使用后易发生累积沉降。

因此，对飞机荷载作用下的机场道基动力响应及其累计沉降分析研究是具有现实意义的。

2 飞机荷载模拟

飞机的荷载是指飞机在起飞、降落、滑行等过程中产生的荷载，按照不同过程，可以分为起降荷载和滑行荷载两种。其中，起降荷载在数据上表现为应力变化有明显的波峰、应力幅值较大等，展现出动态荷载的相关性质，因此，飞机起降荷载与一般移动荷载在应力特征上存在较大差异，需要更加具有针对性的研究方法。

目前国内外的相关研究成果显示，飞机起降过程中的动态荷载研究中，其应力幅值的大小未发现特定规律，应力幅值的传递规律尚不明确。显然，飞机的起降荷载具有发生时间短且应力作用点不确定的规律，具有较强的不确定性。因此，以下研究中排除了起降荷载的影响，主要模拟飞机移动荷载的动力响应。

研究过程中主要考虑到以下两点：

（1）飞机荷载是如何传递并影响到跑道道面的呢？飞机在起降过程中通过起落架将荷载传递给机轮轮胎，最终通过轮胎与地面的接触，将荷载作用于跑道道面。地面受到的应力对道路地基结构发生影响，从物理上将应力分解为垂直作用力和水平力。水平力是由于机轮轮胎与道路路面之间接触并产生摩擦而产生的，飞机起飞前的加速过程中受到的水平摩擦力是与飞机行进方向相反的，降落的减速过程中受到的水平摩擦力是与飞机前进方向相同的。

（2）飞机前进过程中，在道路不平整程度以及飞机自身速度的共同作用之下，飞机会产生震动，从而反作用于道路路面，产生除了移动荷载以外的附加动荷载。综上，研究模拟的飞机荷载包括静载、移动恒荷载以及移动振动荷载三个种类。

2.1 静载作用

在一般研究中，为了简化研究过程，会用垂直静荷载与响应的动态荷载系数相乘代表来模拟动态荷载的作用，静态的均匀荷载作用的表达式如下：

式中，P——飞机自重带来的恒定荷载；r——荷载分布边界到荷载重心的距离。

2.2 移动恒荷载

移动恒荷载表示将飞机的动态荷载简化成为沿飞机前进反向的恒定荷载，在静态荷载的基础上添加了荷载的移动，但是移动恒荷载还是不能反映随时间变化的“动态”，不能反映客观规律。

2.3 移动振动荷载

移动振动荷载是在静态荷载移动的基础上，添加了振动频率和幅度的元素，帮助模拟过程更加贴近飞机实际运行时的情况。随着科学技术的提升，大多数机场跑道道路平整度能够得到及时的维护，因此道路不平整度的随机性对荷载作用的影响不大，飞机移动荷载具有其规律性，因此可以将其当作稳态正弦波震动荷载，具体的表达式如下：

式中，前者表示飞机的移动恒定部分的荷载，后者表示飞机的移动动态部分的荷载。

2.4 确定飞机荷载大小

研究主要依托波音公司B737-800和空中客车A320-200两公司的不同机型为工程实例，表1为模型的基本参数，两种机型的起落架和机轮轮胎对机场跑道的作用机制如图1所示。

由表1及图1显示数据可得，两种型号飞机在起落架结构上存在差异，对研究起落架对荷载的影响有对比效果和现实意义。

表1 飞机参数

图1 两种起落架作用示意图

3 机场道基结构模型构建

设计的机场道路路面由三个部分组成，从上至下分别为面层、基层和土层，其中土层占据部分最多。三个结构由不同的材料构成，土层为最底层的软土地基，基层为高质量的水泥稳定碎石铺设，面层则是水泥混凝土材料，如图2所示。

图2 道路三层结构图

根据各个机场建设地区的差异性，三个结构层的具体厚度有所区别，但是具体数值的确定需要根据民航规范来确定。目前，我国大多数的民航机场飞行区的等级为4C，根据规范，4C等级的跑道宽度要达到45 m及以上，为了简化过程便于研究，取长宽分别为25 m和45 m的一段跑道，设计厚度为20.66 m，软件模拟设计的三维图如图3所示，其中面层厚度为36 cm，基层厚度为30 cm，土层为20 m。

图3 三维结构图

4 模拟及数据分析

4.1 模拟软件选用

该文借助ABAQUS有限元软件模拟荷载应力对路面的影响，其功能强大，能够解决线性和非线性各种复杂程度的问题。该文基于该软件中庞大的材料模型数据库，对道路地基结构进行模拟建设，模拟软土地基上的机场跑道地基结构受到应力作用后的位移，并分析模拟所得数据得出结论。

4.2 道路路面结构应力模拟和位移结果分析

经过软件对B737-800机型的荷载模拟发现，飞机在机场跑道上滑行前进时，最大荷载出现时刻在1.1 s左右，最小值发生时刻在0.6 s左右。据此，选用0.6、1.1以及与两个时刻点比较接近的0.3 s和1.3 s进行道基动力响应分析，提取位移云图并进行分析。结果显示，在移动振动荷载的作用下，机场跑道道路结构发生了垂直竖向的位移，并且位移作用位置随着飞机前进发生变动，与飞机滑行同向。并且，在飞机荷载最大的时刻1.1 s发生的垂直竖向位移变化最为明显，荷载最小的时刻0.6 s垂直竖向位移变化最微小。受力情况同理。

同上，使用ABAQUS软件对A320-200机型进行同样的模拟测试，提取相同几个时刻的数据并到处位移云图，予以规律的直观显示。结果显示与B737-800机型的分析结果相同，飞机在道路路面上滑行时的垂直竖向位移随着飞机前进的方向发生同步移动。并且对道路结构的影响在1.1 s达到最大，0.6 s表现最微小。受力情况同理。

4.3 两种机型起落架结构不同对垂直竖向应力的影响

为分析两种机型起落架结构不同对垂直竖向应力的影响，提取了两种机型分别在滑行对道路结构影响最大和最小的两个时刻的垂直竖向应力数据，如表2所示。

表2 垂直竖向应力数据

分析表2的数据，单轴双轮的波音B737-800机型与双轴双轮的空客A320-200机型相比，其对跑道道路结构施加的垂直竖向应力的最大值更大。由此可得，不同飞机在主起落架承担相同荷载值的基础上，起落架上安装的机轮轮数越大，起落架轴数较多的，架构型比较分散的，其施加在道路结构上的竖向应力比较小。

4.4 两种机型起落架结构不同对道路结构累计沉降的影响

为了直观对比和分析，将两种机型在两种时刻分别的飞机荷载作用中心沿固定方向的路径分别命名为路径1-4。首先，从模拟软件中提取波音737-800机型在0.6 s和1.1 s的路径1、2基础上其道路结构垂直竖向位移图，以及空客320-200机型在0.6 s及1.1 s的路径3、4基础上其道路结构垂直竖向位移图。

经过对四组数据的整合及对比分析，可知，在采用路径1或路径2的时候，道路结构发生最大位移的位置都是飞机荷载作用的中心，采用路径3和路径4的时候，结果一致，并且最大垂直竖向位移发生的位置关于道路横面的中心轴呈现对称的状态。除此之外，经过路径1与路径2的对比，路径1的最大垂直竖向位移比路径2的小，与荷载的最大最小值显示结果相符。同上，路径3与路径4也呈现同样的规律。垂直竖向位移的大小研究也印证了应力大小的规律。

5 结论

首先，经过模拟实践和数据分析，发现机场道路路面所受到的垂直竖向应力以及道路结构发生的垂直竖向位移的最大最小值与飞机滑行时的移动振动荷载最大最小值一一对应。

第二，飞机起落架单轴与双轴之间的差异性，对飞机荷载作用在道路结构上的效果存在影响，结论表明，起落架上的结构越分散，机轮轮胎个数越多，在相同荷载压力的前提下，对道路施加的结构应力最大值会越小，且差距比较显著。

第三，道基结构中，对面层结构进行加厚能够显著减缓飞机荷载对于道路结构的压力，竖向位移显著降低，将竖向位移均匀分散到横向位移中，使得道路的竖向位移更加平缓。同时，相对于基层厚度的变化，面层结构厚度的变化对道基动力响应的影响效果更为明显，认为原因可能是由于面层材料为水泥混凝土，弹性方面表现较好。

最后，机场道路结构的三个层面发生累计沉降的时间相差不大，但是绝大部分的结构位移影响体现在软土地基层，在水泥混凝土面层和基层结构变化并不明显，仅占累计沉降量的10%。因此，机场跑道道路结构施工必须严格控制工程质量，若道路地基承载能力不足，很可能会出现大面积沉降，无法满足适航要求。

6 结束语

该研究基于对国内外大量实践研究成果的分析总结，和机场真实数据的分析整合，首先根据飞机荷载作用的特性，确定了飞机荷载计算的原理和方法，借助计算机模拟软件建模并分析了道基动力响应和受力变化的规律，最终得到结论。在飞机荷载应力存在的前提下，机场跑道的与地基等多元因素的作用下，可能会发生路面不均匀沉降等现象，大大降低了机场运作的安全性，影响跑道的适航性。