《基于典型病害的机场旧水泥混凝土道面沥青加铺结构研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
分类号：U41；U210710-2013121285硕士学位论文基于典型病害的机场旧水泥混凝土道面沥青加铺结构研究汤豆导师姓名职称李炜光教授申请学位级别工学硕士学科专业名称道路与铁道工程论文提交日期2016年3月28日论文答辩日期2016年5月28日学位授予单位长安大学 ResearchonAsphaltOverlayStructureofOldCementConcretePavementofAirportBasedonTypicalDiseasesADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：TangDouSupervisor：Prof.LiWeiguangChang’anUniversity,Xi’an,China 摘要我国在80～90年代修建的水泥混凝土机场跑道陆续进入使用后期，迫切需要在不停航施工条件下进行结构补强或功能恢复，从而使得满足不停航要求的白改黑沥青加铺技术成为一种常用改造措施。但是，由于飞机在平行滑行道、联络道及跑道上行驶状态的极大差异，导致飞行区局部区域在使用两三年后即出现严重早期病害，尤其在重载、高温等不利耦合条件下，平行滑行道及联络道轮辙病害迅速产生及发展。因此，系统研究飞行区上述区域抗轮辙技术并建立一套适用于此种行驶状态的设计方法应用前景广阔。本文首先通过对国内几个机场飞行区典型病害调查，发现失稳型轮辙、抗剪切强度不足产生的推移是机场沥青加铺结构主要病害类型，主要集中在平行滑行道、联络道及跑道端部；通过对加铺结构变形机理阐述，说明常用SMA+AC组合形式抗变形能力满足跑道中部要求，但由于飞机荷载作用时间及方式的显著差异并不适用于上述病害集中区域。其次，通过有限元软件，基于停滞、低速及高速(0m/s、5m/s、50m/s)三种行驶状态，分别分析了荷载、温度、模量及应力吸收层厚度及模量变化下沥青加铺结构静力及动力响应。结果表明，加铺层在大型飞机荷载及高温下将处于不利受力状态，荷载增大1倍后，其剪应力、剪应变均增大1倍；温度从20℃增大到50℃后，剪应力减小10%剪应变则增大168%。然而，下面层模量从1500MPa增加到3600MPa后，剪应力虽增加了29.2%，但剪应变降低了43.1%，且降幅逐渐降低，以此推荐出合理模量范围为2100～2700MPa。随应力吸收层厚度(模量)增长，层底剪应力先明显降低后缓慢增长(逐渐增大)，层内最大剪应力则逐渐增大(逐渐减小)，综合考虑其厚度为1～2cm、模量为300MPa左右或采用APP油毡防裂措施较为合理；不同行驶速度下，其剪应力、剪应变及路表弯沉随速度的增大呈“S”型减小趋势，50m/s下其剪应力、剪应变及弯沉分别较5m/s下降低5.9%、3.9%及38.1%，说明速度主要影响弯沉，其次是应力应变。然后，基于粘弹性理论建立轮辙数值计算模型，分析行驶速度、荷载、温度对沥青加铺层轮辙的影响，得出5m/s下轮辙为50m/s下的2.63倍、荷载增大1倍后轮辙增大49%、50℃下轮辙为40℃下的2.82倍，在重载、低速、高温条件下将处于极限不利受力状态；同时对不同材料类型及厚度组合下平行滑行道、联络道及跑道的永久变形进行分析，推荐适合于不同行驶状态的结构组合形式及厚度。最后，结合本文分析及现有规范，提出以容许剪应力及容许轮辙为验算指标的飞行区不同区域沥青加铺结构差异化设计方法。关键词：机场；沥青加铺层；行驶状态；轮辙；静力响应；动力响应；差异设计I AbstractTheconstructionofcementconcreteairportrunwayinourcountryhasalongusetimeinthe80~90s,thereisanurgentneedintheconstructionofnon-stopflighttoofstructuralreinforcementorfunctionalrecovery,makeasphaltpavingtechnologybecomingacommonlyusedmeasurestoreform.Butaftertwoorthreeyears,flightarealocalasphaltoverlaylayerappearedseriousearlystagediseasebecauseofthegreatdifferencetravelconditionoftheaircraftintheslideway,thetaxiwayandtherunway,especiallyunderthelimitadverseconditionsoftheheavyloadandhightemperature,causetheslidewayandtaxiwayrutdiseaserapidlyformationanddevelopment.Therefore,systemstudyontheantiruttingtechnologyindifferentregionsoftheflightareaandestablishasetofapplicabledesignmethodondrivingstatehasbroadapplicationprospects.Firstly,throughtheinvestigationofseveraldomesticairportsflightzoneoftypicaldiseases,showsthattherutandslippageisthemaindiseasetypesoftheasphaltoverlaystructureoftheairportandmainlyconcentratedintheslideway,taxiwayandendofrunway;throughtheelaborationofoverlaystructuredeformationcharacteristicstoillustratethecombinationformoftheSMA+ACsheardeformationcapacitycanmeettherunwayofrequirements,butnotforallregionsabove.Secondly,analyzethestaticanddynamicresponseofasphaltoverlaystructureunderload,temperature,modulusandstressabsorbinglayerthicknessandmodulusvariationbyusingthefiniteelementsoftware,basedonstagnation,low-speedandhigh-speedrunningstate(0m/s、5m/s、50m/s).Theresultsshowthattheoverlaywillbeinanunfavorablestateundertheconditionsoflargeaircraftloadandhightemperature,afterdoublingtheload,theshearstressandshearstrainwereincreasedtwice;theshearstressisreducedby10%shearstrainisincreasedby168%whenthetemperatureincreasesfrom20℃to50℃.However,whentheshearstressincreasesby29.2%,theshearstrainisreducedby43.1%whenthebottomlayermodulusincreasedfrom1500MPato3600MPa,andthedeclinegraduallyreduced,sorecommendareasonablemodulusrangebetween2100~2700MPa.Withtheincreaseofstressabsorptionlayerthickness(modulus)growth,bottomshearstressfirstdecreasedsignificantlyandthentheslowgrowth(increase),themaximumshearstressincreases(decreases),consideringthethicknessof1~2cmandmodulusof300MPaoruseII preventionmeasuresofAPPfeltisreasonable.Theshearstress,shearstrainandtheroadsurfacedeflectionshowed"S"typeUnderdifferentspeeds,theshearstress,shearstrainanddeflectionweredecreasedby5.9%,3.9%and38.1%at50m/srespectivelycomparedwith5m/s,whichshowedthatthevelocitywasmainlyinfluenceddeflection,secondlystressandstrain.Thenbasedontheviscoelastictheoryestablishedrutnumericalcalculationmodel,analyzesthewheelrutunderthechangeofthetravelspeed,loadandtemperatureoftheasphaltoverlaylayer,showthatwheelrutunderthe5m/sis2.63timesthan50m/s,theloaddoubleincreasetherearwheelrutincreased49%,andthetreadis2.82timesunder50℃than40℃,analyzedthepermanentdeformationofdifferentkindsofmaterialtypesunderthecombinationoftheslideway,taxiwayandrunwayinthelimitunfavorablestressstateunderheavyload,low-speed,high-temperatureconditions,recommendthestructureandthicknessfitdifferentdrivingstates.Finally,declareadesignmethodwhichusesshearstressandallowablerutforcheckingindexindifferentflightzoneasphaltoverlaystructurecombinedwiththeanalysisinthispaperandtheexistingnorms.Keywords:Airport;asphaltoverlay;runningstate;rut;staticresponse;dynamicresponse;differentialdesignIII 目录第一章绪论............................................................................................................................11.1研究背景.......................................................................................................................11.2国内外研究现状...........................................................................................................21.2.1机场加铺结构力学响应.....................................................................................21.2.2机场加铺结构永久变形.....................................................................................51.3研究内容及技术路线...................................................................................................71.3.1主要研究内容.....................................................................................................71.3.2技术路线.............................................................................................................8第二章机场加铺结构典型病害调查及变形特性分析..........................................................92.1加铺结构典型病害调查与评价...................................................................................92.1.1加铺结构组合形式.............................................................................................92.1.2病害调查与评价...............................................................................................112.2沥青加铺结构变形特性.............................................................................................202.2.1沥青加铺结构永久变形机理...........................................................................202.2.2大型飞机荷载影响...........................................................................................222.2.3温度影响...........................................................................................................262.2.4行驶特性影响...................................................................................................272.3飞行区加铺结构分区域设计的提出.........................................................................302.4本章小结.....................................................................................................................30第三章基于行驶特性的加铺结构力学响应........................................................................313.1机场加铺结构有限元模型.........................................................................................313.1.1基本理论...........................................................................................................313.1.2道面结构及材料参数.......................................................................................323.1.3荷载作用形式...................................................................................................323.1.4ABAQUS三维有限元模型建立......................................................................343.2机场与公路加铺结构对比分析................................................................................363.2.1垂直荷载影响对比分析...................................................................................363.2.2水平荷载影响对比分析...................................................................................393.3机场加铺结构静力响应.............................................................................................453.3.1轴载影响规律...................................................................................................453.3.2温度影响规律...................................................................................................473.3.3设高模量沥青混凝土加铺层应力响应...........................................................493.3.4设应力吸收层加铺结构力学响应...................................................................523.4机场加铺结构动力响应.............................................................................................573.4.1动态分析有限元方法.......................................................................................573.4.2材料参数...........................................................................................................583.4.3单次荷载作用下动力响应...............................................................................59I 3.4.4速度-荷载影响分析.........................................................................................613.4.5速度-模量影响分析.........................................................................................633.4.6速度-温度影响分析.........................................................................................643.5本章小结.....................................................................................................................66第四章基于粘弹性的加铺结构永久变形数值模拟............................................................684.1沥青混合料粘弹性力学特性.....................................................................................684.1.1力学性能基本元件...........................................................................................684.1.2沥青混合料粘弹性模型...................................................................................694.1.3ABAQUS粘弹性蠕变模型..............................................................................724.2加铺结构永久变形数值模拟.....................................................................................734.2.1材料参数及模型确定.......................................................................................734.2.2加铺层永久变形规律.......................................................................................744.2.3速度-荷载影响.................................................................................................764.2.4速度-温度影响.................................................................................................784.3加铺结构合理厚度及材料类型推荐.........................................................................804.3.1加铺结构合理组合形式...................................................................................804.3.2合理厚度推荐...................................................................................................834.4本章小结.....................................................................................................................86第五章机场道面沥青加铺结构差异化设计方法................................................................885.1国内外设计方法.........................................................................................................885.1.1我国现有民用机场道面加铺设计方法...........................................................885.1.2我国军用机场道面加铺设计方法...................................................................895.1.3FAA机场道面设计方法...................................................................................895.2基于行驶特性的加铺结构差异化设计.....................................................................915.2.1剪应力验算指标...............................................................................................915.2.2容许轮辙验算指标...........................................................................................925.2.3设计步骤...........................................................................................................935.3西北某机场差异化设计.............................................................................................945.3.1设计参数...........................................................................................................945.3.2加铺结构厚度及材料类型...............................................................................965.3.3经济性分析.......................................................................................................985.4本章小结...................................................................................................................100结论及有待进一步研究的问题............................................................................................101主要研究结论.................................................................................................................101进一步研究建议.............................................................................................................103参考文献................................................................................................................................104攻读学位期间取得的研究成果............................................................................................108致谢........................................................................................................................................109II 第一章绪论第一章绪论1.1研究背景近年，随着国内经济发展及全球化进程不断加快，我国民用航空进入高速发展阶段。2010年以来起降架次、旅客运输量、货邮运输量平均每年增长10.8%、11.6%及1.4%。至2015年，全国机场年起降架次793.31万次，旅客运输量39195万人次，货邮运输量594.1万吨，我国航空运输总周转量稳居世界第二。截止2015年底，我国民用机场数量已经达到205个，其中95%的新建、改建及老机场均采用强度高、稳定性好、耐久性好、[1]有利于夜间及天气状况不良下起降的水泥混凝土道面。机场道面作为飞机起降、停驻、维修养护场所，其服务水平的好坏直接影响到飞机起降安全性及舒适性。但是，随着航空量、大型宽体飞机增长，以及设计、施工、管理不当，道面结构损坏严重，服务水平急剧下降，使用寿命远低于设计使用年限。换言之，很多机场水泥混凝土道面不仅没能[2]体现出其使用寿命长、养护费用低等优点，反而凸显出其维修养护困难等缺点。图1.1大型宽体飞机B747-400为了提高道面使用性能，延长道面使用寿命，迫切需要对机场旧混凝土道面结构进行补强或者功能恢复。沥青加铺层具有下列良好结构性能和功能性能：1）足够的力学强度，能承受飞机轮胎荷载施加到道面上的各种作用力；2）良好的形变能力及高度的减振性，可保障飞机快速平稳行驶；3）与轮胎附着力较好，可增加飞机行驶安全；4）[3,4]铺筑完成后迅速通航，保障机场道面不停航养护施工。因此，现在国内不少机场旧混凝土道面都应用了沥青加铺处置技术，积累了丰富的应用经验。但是近年来，从使用过程中所暴露出的一些问题中可以看出，现有机场加铺工程在设计、施工、管理等方面已1 长安大学硕士学位论文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、[5]更精细化的研究。对于机场旧混凝土道面加铺工程，首先，必须对机场加铺复杂条件、机场加铺结构组合及加铺层病害进行调查、评价。只有对机场飞行区不同区域加铺层受力特点、结构组合形式及病害调查清楚后，才能确定现有加铺结构设计中存在的问题，从而选择合适[6]的加铺方式。为确保机场沥青加铺结构的耐久性及长期使用性能，应解决好以下几个方面的问题：(1)机场航班量增长迅猛，飞机轴载也日益增加，对加铺层结构性能和使用性能提出更高要求。在时间和空间上，必须满足不停航施工要求；在结构性能和使用性能上，必须保障加铺层具有更高的耐久性和安全性。(2)机场道面飞行区主要包括供飞机起降的跑道、滑行的平行滑行道及联络道和停放的停机坪等区域。旧水泥混凝土道面加铺结构组合设计方法并无差异，但是各个区域飞机的行驶状态却差别显著。(3)机场道面加铺结构推移、拥包、轮辙等问题。由于大型宽体飞机增加，在重载及高温作用下，加铺层内剪应力及弯沉急剧增大。特别是在低速行驶状态下，荷载作用时间将成倍增加，由此造成加铺结构早期变形病害。(4)机场道面加铺结构防裂问题。由于旧水泥混凝土板接缝和裂缝的存在，引起加铺层应力集中现象，从而造成反射裂缝的产生及发展。可以看出，沥青加铺方式在结构性、功能性及不停航施工等方面存在明显优势，是一种较好的尽快恢复机场道面使用性能的方法，但需要从行驶特性、重载、抗轮辙及防裂等方面进行考虑，以保障加铺结构耐久性。1.2国内外研究现状针对本文研究主题，在此主要对机场加铺结构力学响应及永久变形两方面国内外现状进行论述。1.2.1机场加铺结构力学响应对于机场旧水泥混凝土道面沥青加铺结构，国内外学者主要结合有限元软件数值模拟方式对其力学响应规律进行了研究，并以此提出相应的设计方法和计算公式，为加铺结构破坏机理及设计方法的建立奠定了基础。2 第一章绪论[7]2000年，Kim采用非线性数值模拟方式对GreatPeoriaRegionalAirport(GPRA)E平行滑行道上旧水泥混凝土道面沥青加铺结构防反射裂缝措施进行了研究。结果表明，设置玻纤格栅可以很大程度上减小沥青加铺层底弯拉应力及裂缝处剪应力，从而减缓旧水泥混凝土板接缝或裂缝处应力集中现象，有效抑制反射裂缝的产生和发展。[8]2002年，Bozkurt对RantoulNAC旧水泥混凝土道面跑道加铺结构进行数值模拟，为了更好表征受力特性，采用粘弹性参数模拟沥青混凝土，而旧水泥混凝土板与基层间采用接触算法。通过接缝附近温度应力及荷载应力分析，得出设置防裂夹层（ISAC）能明显降低接缝处加铺层底弯拉应力，同时表明使用改性沥青或高标号沥青可以降低加铺层顶温度应力，提高沥青层表弯拉疲劳寿命，但对荷载应力影响很小。国内对机场旧水泥道面沥青加铺结构力学响应的研究迟于国外。1991年，周德云、[9]姚祖康应用三维有限元方法研究了飞机荷载作用下机场旧水泥道面加铺层受力情况及其产生反射裂缝的机理。结果表明，道面加铺结构设或不设层间夹层都将产生反射裂缝。不设夹层时，加铺层出现挤压剪切和弯拉两种破坏形式；设夹层后，有利于防止挤压剪切破坏，但不能抑制弯拉破坏；在道面板裂缝或接缝处设加筋带后，既能降低挤压剪切破坏，又能有效抑制弯拉破坏，防裂效果明显。[10]1994年，翁兴中对机场道面加铺层在荷载作用下的应力及位移进行了分析，并对沥青混合料材料性能进行了研究，提出了以加铺层层底拉应力、层间剪应力及旧水泥混凝土板弯拉应力为设计指标的机场沥青加铺结构设计方法。2002年，翁兴中，焦明声等[11]人对机场水泥混凝土道面薄层盖被起飞段的受力进行分析，结果表明，水平荷载所引起的薄层盖被层底剪切破坏是跑道起飞段主要破坏形式，夏季高温季节下沥青混合料抗变形能力的显著降低更加速了这种破坏；薄层厚度及其与原有道面的结合程度是影响其层底剪应力最主要的两个因素，增大厚度及结合程度均可减小剪应力；采用强度较高、高温稳定性较好的改性沥青混合料进行薄层盖被可以增加其使用寿命，同时在进行结构设计时需验算其抗剪强度。[12]2012年，游庆龙，凌建明等人采用ABAQUS有限元软件建立三维有限元模型，研究了飞机降落制动过程中速度急剧下降而引起的道面表层摩阻力对沥青加铺层的影响。计算结果表明，新一代大型宽体飞机在起降阶段所引起的加铺层表水平荷载已经不能忽略。由于水平摩阻力及垂直荷载影响，其层间剪应力急剧增大且最大拉应力上移至道面表层；随着水平荷载逐渐增大，面层内部应力也会增大，当水平荷载大于0.5倍主起落架单轮荷载后，层表拉应力将急剧增大。通过改善层间接触状况可以明显减小层间3 长安大学硕士学位论文应力，改善应力集中现象。国内外学者对机场加铺结构的研究基本揭示了其力学响应规律，但这些分析较少考虑飞机在飞行区不同区域行驶特性对加铺结构受力响应的影响，从而没有在根本上解决机场加铺结构局部区域病害集中出现的问题。针对此类问题，应结合有限元方法进行更深入的研究。公路领域对于加铺层结构体系的力学响应研究更加深入，并结合车辆的行驶状态对道面结构进行了动力响应分析。[13]1999年，胡长顺，曹东伟等人采用有限元法对设夹层加铺结构接缝处应力、弯沉及弯沉差进行了研究，定量分析了夹层对车辆荷载引起的剪切破坏对加铺层的影响，得出设夹层后接缝处AC层剪应力及板缝弯沉差的变化；分别建立了应力吸收层及土工布两种夹层类型的力学模型及计算单元，分析模量、参数对结果的影响规律，由此引入剪应力及弯沉差折减系数来简化设计中对夹层的考虑。[14]2005年，杨斌，陈拴发等人采用有限元软件对设STRATA应力吸收层加铺结构荷载及温度应力进行了分析，结果表明STRATA应力吸收层利用其良好的变形能力、出色的抗疲劳性能及不易开裂等特点有效消散及吸收了由交通荷载及温度变化引起的应力应变，减小接缝处加铺层底部的应力集中现象，从而延缓了荷载及温度型反射裂缝的[15]产生和发展。2006年，杨斌，陈拴发等人采用三维有限元方法对移动荷载作用下的沥青加铺结构动力响应进行了分析。结果表明，随着车速的增加轮载中心弯沉及最大剪应力均逐渐减小，并且车速越快，减小幅度越明显；加铺结构由于阻尼的存在导致应变滞后及能量损耗，并且阻尼系数越大，弯沉及剪应力越小。[16]郑木莲等人采用有限元方法，建立沥青加铺层、补强层、破裂水泥混凝土路面板和地基组成的空间三维模型，分析了加铺层温度应力随模量与厚度、破碎板尺寸、外界温度降低幅度、补强层厚及原有水泥混凝土板厚等因素的变化规律。结果表明，加铺层模量的降低及厚度的增大都可以有效改善其接缝处温度应力，并且随着破碎板尺寸减小而大幅降低，同时，温度降低幅度所引起的温度应力远大于车辆作用下的荷载应力。[17]2015年，严超，马步方等人对四种结构组合下的旧水泥混凝土道面沥青加铺层进行了动力响应试验监测，并研究了轴载、车速对加铺结构的动力影响规律。结果表明，加铺层层底应变及压应力与车速呈反对数关系，车速越快，应变及应力越小；随着轴载的增大，层底应变及应力将显著增大；多碎石、大孔隙沥青加铺层能有效吸收及消散应力应变，抑制反射裂缝的发展。公路领域的研究成果为机场道面加铺层结构分析提供了重要依据和参考，但飞机荷4 第一章绪论载分布、行驶状态等与车辆荷载差别很大，不能直接应用。对机场道面还需进行针对性研究。1.2.2机场加铺结构永久变形沥青混合料是一种温度敏感性材料，在低温时表现为弹性体，随着温度的升高逐渐向粘弹性体转变，抗变形能力显著下降，从而在荷载反复作用下产生轮辙。近年来我国机场建设发展迅速，各省市的机场道面沥青加铺结构均出现了不同程度的变形类早期破坏，平行滑行道、联络道与跑道端部变形破坏最为显著。但是目前国内外针对机场道面沥青加铺结构永久变形特性的研究较少，更没有成型的理论与方法。机场柔性基层沥青道面的轮辙控制及公路路面轮辙等方面的研究则较为充分，并建立了相应的轮辙预估模型、设计指标及设计方法。20世纪40年代，美国工程兵部队将CBR法引入到机场道面结构设计中，并且为了适应飞机荷载的要求，进行了大量的足尺试验，建立了土基CBR值与飞机荷载及作用[18]次数、道面总厚度之间的关系曲线。此后各国的机场沥青道面设计方法均主要采用CBR法控制设计基准期内的轮辙变形。我国《民用机场沥青道面设计规范》(MH[19]5010-1999)中也以CBR法为基础控制沥青道面轮辙变形，并且一直沿用至今。[20]1998年，Wardle和Rodway根据美国工程兵团的B747、C5A等大型飞机荷载足尺试验数据提出了采用土基顶面竖向压应变为指标的新的轮辙方程。但是由于所采用的飞机荷载为大型飞机荷载作用，且以较低的土基强度为基准，因此对于重载飞机作用下的低强度土基沥青道面结构设计较为适应，对于高轻度土基及旧水泥混凝土加铺设计的适用性则较差。2004年，美国FAA咨询通告150/5320-6DChange3中发布了新的设计程序LEDFAA1.3。其轮辙方程基于NAPTF足尺试验数据及以往试验数据，以覆盖次数12100[21]次为界分为两个方程，且去除了轮辙方程中土基模量的影响。公路领域中对于沥青路面的永久变形特性研究的比较透彻，在第一届国际沥青道面[22]结构设计会议（以下简称“CSDAP”）上，壳牌石油公司认为土基过量的变形是道面结构产生较大轮辙的主要原因，提出采用控制土基顶面垂直压应变的方式来控制永久变形，并提出了以疲劳极限及容许轮辙为指标的沥青道面设计方法。在第三届CSDAP上，[23]Barkdale和Romain通过对不同荷载及环境下的轮辙进行分析，提出了层应变法来预估柔性基层沥青路面轮辙。在第四届CSDAP上，Knis以弹性理论为基础，建立了塑性5 长安大学硕士学位论文应变与应力、荷载、温度、作用时间及湿度之间的关系，以此来预估沥青路面轮辙深度。[24]在第六届CSDAP上，Hlilmer和Eisenmann结合动态蠕变试验对沥青混合料的永久变形规律进行了研究，表明早期阶段主要发生竖向压密变形，当压密完成后永久变形则主要由混合料的侧向剪切流动产生。[25]2000年，Archill根据AASHTO试验路中所得的数据，建立了非线性经验轮辙预估模型。2003年，AASHOTO及TRB结合几条新建和改建的沥青路面提出了轮辙预估模型，并且提出了以轮辙深度作为控制指标之一的沥青路面设计方法。[26]国内对于沥青路面轮辙研究起步较晚，林绣贤采用线粘弹性理论研究了沥青路面的永久变形。许志鸿以粘弹性层状体系理论结合蠕变试验及现场测量结果，提出了一种[27]简化的沥青路面轮辙预估方法。徐世法、朱照宏等基于粘弹性理论，采用“四单元五参数”模型，得出了一种较为合理的轮辙预估方法，该方法以时间依赖性去定义应力应变状态，考虑了沥青混合料的侧向流动及侧向隆起，并提出了以劲度模量作为沥青路面轮辙评价指标。近几年来，我国研究人员结合有限元理论对轮辙进行了更为深入的研究。华南理工[28]大学蔡旭采用有限元软件对28种路面结构组合下的永久变形进行了研究，结果表明，全结构增强方案最能提升抗轮辙性能，增强中面层次之，增强上面层最差；厚度组合对其抗轮辙性能也有所影响，适当增加上面层厚度可以充分发挥材料性能。东北大学欧阳[29]伟对高模量沥青混凝土抗轮辙性能进行了研究，结果表明，高温季节沥青路面的压密轮辙由压应变控制，失稳轮辙是由剪应变控制；提高中面层模量可以有效改善沥青路面[30]的抗轮辙性能，其他各层模量不宜过高。浙江工业大学王宝林对城市道路沥青路面轮辙演化规律及抗轮辙技术进行了数值分析，结果表明，残余变形累积是轮迹带轮辙发生与发展的主要原因；路面加筋后扩散应力的效果明显改善，从而减小轮迹带变形，加筋[31]层位深度越小效果越明显。大连理工大学张磊对沥青混凝土桥面铺装轮辙问题进行研究，结果表明，沥青混凝土桥面铺装层轮辙发展的前期以竖向压密为主，后期以水平流动变形为主；双层加铺体系中，轮辙主要发生在下面层，且下面层的竖向蠕变应变与轮辙深度具有良好的相关性。这些成果虽然在一定程度上能反应沥青混合料的变形特性，但是机场旧水泥混凝土道面沥青加铺结构具有其独特的受力及变形特点，基于此，需要将其受力特点与结构组合结合起来进行具体分析。6 第一章绪论1.3研究内容及技术路线1.3.1主要研究内容飞机在平行滑行道上处于停滞或低速慢行状态、在联络道上处于低速慢行或扭剪状态、在跑道中部处于高速行驶状态。结合飞机在飞行区不同区域行驶特性的不同，本文首先对机场旧水泥混凝土道面沥青加铺结构的组合形式及典型病害进行调查，并对典型病害成因及出现区域进行分析；其次，结合沥青道面及水泥道面变形机理对沥青加铺结构变形特性进行分析；然后，以西北某机场加铺结构组合形式为准，通过数值模拟的方式，选取合理的材料参数与力学模型，分别计算加铺结构在静载及动载作用下的应力、应变及弯沉变化规律，研究不同荷载、温度、模量等条件下的静力及动力响应，得出平行滑行道、联络道及跑道的受力特性；最后，基于粘弹性理论对加铺结构随荷载作用时间的变形规律及不同荷载、温度下永久变形随行驶速度的变化规律进行研究，同时分析不同材料类型及厚度组合下平行滑行道、联络道、跑道轮辙变化规律，得出不同区域的合理结构组合形式及厚度，从而进行不同区域加铺结构差异化设计。主要研究内容如下：(1)机场道面加铺结构典型病害调查及变形特性分析结合几个机场的沥青加铺结构组合形式及典型病害调查结果，初步分析机场道面沥青加铺结构出现的主要病害类型及这些病害产生的区域及原因；对沥青加铺结构永久变形演化机理进行探讨，并初步分析大型飞机荷载、外界温度及飞机行驶速度对沥青加铺层永久变形影响。(2)基于行驶特性的加铺结构受力响应分析采用数值模拟的方式，建立机场道面加铺结构三维有限元模型，首先与公路加铺结构的受力响应进行对比，得出两者之间的差异及提出相应的建议；其次分析静力作用下荷载、温度、模量及应力吸收层厚度及模量对加铺层应力应变的影响，推荐出合适的沥青混凝土模量、应力吸收层厚度及模量；最后分析单次荷载作用下的受力响应及不同行驶速度下应力应变随荷载、温度、模量的变化规律，从而得出平行滑行道、联络道及跑道加铺结构的受力特点。(3)基于粘弹性理论的加铺结构永久变形数值模拟采用时间硬化蠕变模型，首先对加铺结构随荷载作用时间增长的永久变形规律、各层变形所占比率进行分析，得出抗变形能力较弱的层位；其次对不同行驶速度下永久变形随荷载、温度的变化规律进行研究，得出在高温、重载及低速的极限不利状态下加铺7 长安大学硕士学位论文结构的永久变形；最后对不同结构组合及厚度下平行滑行道、联络道、跑道的永久变形进行分析，推荐出不同区域的合理加铺结构组合形式。(4)基于行驶特性的加铺结构差异化设计方法结合现有机场加铺结构设计方法，以加铺层内容许剪应力及容许轮辙为设计验算指标建立基于永久变形的平行滑行道、联络道及跑道加铺结构差异化设计方法，并以西北某国际机场加铺工程为例进行差异化设计。1.3.2技术路线机场建设原始资料道面结构力学计算理论机场加铺历史资料现场资料调研理论调研有限元分析模型机型及交通量调查国内外设计方法结构组合与典型病害变形机理基于行驶特性加铺结构力学响应基于粘弹性的加铺结构永久变形形式机场道面沥青加铺结构差异化设计方法图1.2技术路线图8 第二章机场加铺结构典型病害调查及变形特性分析第二章机场加铺结构典型病害调查及变形特性分析由于沥青加铺层具有无接缝、平整度好、噪音低、易于不停航施工及维修养护等特点，国内外大部分机场在改建过程中均采用沥青加铺的形式。但是，随着大型宽体飞机、交通量增长以及对高温、低速、重载等条件下加铺结构的受力响应及永久变形考虑不周，导致沥青加铺层在建成使用两三年后就产生轮辙、拥包、推移等早期破损现象，严重影响机场使用寿命及服务性能。基于此，本章首先选取华北某国际机场、西北某国际机场及西南某国际机场沥青加铺结构典型病害进行调查，分析病害出现的区域及原因；然后对沥青加铺结构形式变形特征进行分析，探讨沥青加铺结构轮辙形成机理及大型飞机荷载、温度、行驶速度对其影响。2.1加铺结构典型病害调查与评价本节对华北某机场、西北某机场及西南某机场加铺结构组合形式及典型病害进行调查分析。2.1.1加铺结构组合形式1.华北某国际机场随着华北某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2006年对该机场道面实施沥青加铺改造工程。跑道采用双层或三层沥青加铺结构，跑道南端500m范围内，采用6cmSMA-16改性沥青混凝土上面层+6cmAC-20改性沥青混凝土中面层+6cmAC-20改性沥青混凝土下面层；跑道北端2900m范围内，采用6cmSMA-16改性沥青混凝土上面层+7～9cmAC-20改性沥青混凝土下面层；平行滑行道及联络道采用6cmSMA-16改性沥青混凝土上面层+7～9cmAC-20改性沥青混凝土下面层。随着机场航空交通量的增长、起降架次及大型宽体飞机的增加，部分区域损坏严重、使用性能复杂多变，对飞机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，对原有加铺层SMA-16层进行6cm铣刨并等厚重新加铺。2.西北某国际机场西北某国际机场自1994年改扩建后至今已使用20多年，混凝土道面日趋老化，水泥混凝土板破损、开裂现象严重。2010年对该机场进行了加铺改建，道面加铺为功能性补强，对接缝处用APP油毡处理后，分上下两层加铺，主体部分总厚度为11～13cm，9 长安大学硕士学位论文其中上面层5cm，下面层6～8cm，上层采用SMA-13，下层采用AC-20改性沥青混合料；道肩加铺结构形式为5cmSMA-13+4～6cmAC-20，如表2.1所示。表2.1西北某机场道面及道肩加铺结构组合形式道面道肩5cmSMA-13沥青混凝土上面层5cmSMA-13沥青混凝土上面层6～8cmAC-20改性沥青混合料下面层4～6cmAC-20改性沥青混合料下面层38(34)cm旧水泥混凝土面层15cm旧水泥混凝土面层2cm石屑找平层18cm二灰碎石上基层18cm二灰砂砾下基层土基3.西南某国际机场西南某国际机场现有民航跑道长4000m、宽45m，军用跑道长3800m、宽45m，飞行区等级4E，可供空客A340等大型飞机起降。作为该地区重要的航空门户，机场承担了大量的进出人员、货物、邮件运输任务，为该地区改革开放、经济发展做出了突出贡献。2009年，为了满足新型机型的使用以及航空业务量的不断增长，该机场启动了机场跑道加盖工程，根据设计飞机在跑道上的运行特性，同时兼顾考虑施工的可行性并节省投资和有利排水的需要，以15cm为主要控制厚度。2011年进行了联络道、滑行道及站坪改扩建工程，在平行滑行道西端延长400m，平行滑行道总长度与跑道相等；在跑道和平行滑行道之间新建两条端联络道，联络道宽度按同时满足E类飞机和军用标准的要求宽为45m，跑道加铺结构如表2.2所示。表2.2西南某机场跑道加铺结构组合形式两端500m跑道中部7cmSMA-16沥青混凝土上面层7cmSMA-16沥青混凝土上面层8cmAC-20改性沥青混合料下面层8cmAC-20改性沥青混合料下面层34cm旧水泥混凝土面层32cm旧水泥混凝土面层＃20cm100混凝土28cm级配砂砾土基联络道道面的结构形式为，A1、A5联络道道面的结构为：36cm厚水泥混凝土道面+40cm厚水泥稳定碎石基层+20cm厚压实砂砾石垫层；A2、A4联络道道面的结构为：10 第二章机场加铺结构典型病害调查及变形特性分析＃24cm水泥混凝土道面＋20cm100混凝土＋28cm级配砂砾＋压实土基；A3联络道道面＃的结构为：32cm水泥混凝土道面＋20cm100混凝土＋28cm级配砂砾＋压实土基。平行滑行道道面结构形式为，A1～A2出口之间：36cm水泥混凝土道面＋40cm水泥稳定碎石＋压实土基；A2～A5出口之间：28cm水泥混凝土道面＋22cm水泥混凝土＋40cm砂砾石垫层+压实土基。＃站坪道面结构形式为，1号～3号机位：28cm水泥混凝土道面＋20cm100混凝土＋28cm级配砂砾＋压实土基；4～14号机位：34cm水泥混凝土道面＋40cm水泥稳定碎石＋压实土基。从上述机场道面加铺结构中可以看出：(1)加铺结构形式及厚度变化在已进行的加铺工程中，层数以两层或三层居多，每层厚度在5～10cm之间，选用的结构组合形式较为单一，在飞行区不同部位间的加铺结构没有结合行驶特性差异设计，也没有结合荷载、环境等实际情况。从中可以看出我国机场道面加铺技术还不成熟，没有适用的加铺结构体系。(2)加铺材料的选择从我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，下层则采用AC改性沥青混合料，这种结构材料组合形式在重载、高温及长时间作用下，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。2.1.2病害调查与评价1.华北某机场该机场在试验段施工过程中发现平行滑行道局部区域轮辙最大处达到近10cm左右，其病害分布区域如图2.1所示。S中心线铣刨2区铣刨1区图2.1华北某机场平行滑行道病害分布区域基于此对平滑段隆起处进行了铣刨重铺处理，并同时进行了取芯试验，对加铺层沥11 长安大学硕士学位论文青混合料表观状况及抗变形能力进行评价。铣刨1区为跑道平滑段左幅V178+15/H94+102段，长15m，宽1m，面积为15m。在施工铣刨中发现局部道面下面层有结构性松散，且下面层局部积水严重，水已进入到基层；为了准确评价原有道面状况，对该区域进行钻芯取样，芯孔擦干后不久有水渗出，如图2.2所示。可以得出此处沥青层出现问题的很重要的一个原因是：沥青道面在有水分存在的情况下，随着飞机荷载及环境因素的反复作用，水分逐渐侵入到沥青界面内，破坏沥青与集料的粘结性，同时在动水压力的作用下，局部地区出现松散剥落，最终造成整个加铺结构层的破坏。铣刨2区为跑道平滑2段左幅V184+25/H94+10段，长17m，宽1.6m，面积27.2m。该区域铣刨后下面层没有渗水现象，但也存在局部松散破坏。图2.2铣刨后的下面层及钻芯后芯孔渗水对铣刨1区、2区所取的5个芯样的表观状况进行测试如表2.3所示，各芯样如图2.3所示。表2.3平行滑行道芯样表观状况编芯样高度/cm总高度钻芯位置外观描述号SMA-16AC-20/cm1V178+22.00/H94+10.006.37.413.8上下面层分离2V178+22.00/H94+9.006.5-6.5下面层松散无法取出3V184+32.00/H94+9.506.46.813.2上下面层连接良好4V184+15/H93+20.56.07.113.1上下面层连接良好5V178+15/H93+22.56.17.213.3上下面层连接良好由表2.3可以看出，1、2号芯样位于出现轮辙变形区域，1号芯样上下面层层间完全分离；2号芯样上面层为新铺混合料，整体性好，但是下面层芯样松散破坏严重，无法取出。3号芯样上下面层层间结合状况良好，芯样完整。4、5号芯样处没有出现轮辙12 第二章机场加铺结构典型病害调查及变形特性分析及隆起，其上下面层层间结合状况良好，芯样密实完整。V178+22.00/H94+10.00V178+22.00/H94+9.00V184+32.00/H94+9.50V184+15/H93+20.5V178+15/H93+22.5图2.3铣刨1、2区芯样从图2.3中可得，1号芯样上下面层及2号芯样下面层沥青混合料沥青损失严重、空隙率较大、层间松散；3、4、5号芯样不存在层间问题，但是沥青混合料也存在沥青损失及空隙率较大的问题。可以看出，轮辙、水损害等病害大都集中出现于相同区域，各种病害之间相互有所影响；而其他区域则是随环境及荷载重复作用下沥青混合料性能的逐渐下降。该机场平行滑行道沥青加铺层出现永久变形破坏的原因是：(1)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50m/s的行驶速度下一次作用时间为0.01s，则其在5m/s下一次作用时间为0.10s，也就是后者作用一次产生的永久变形相当于前者作用10次，在这种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，该区域的作用时间将急剧增大到跑道上的十倍甚至几十倍，从而很快出现早期变形病害。(2)飞机在平行滑行道上经常会处于启动或制动状态，从而对沥青加铺层产生水平冲击力，荷载重复作用下会造成加铺层弯拉及剪切疲劳破坏或者加铺层表推移。13 长安大学硕士学位论文(3)行驶在机场道面上的飞机轴载越来越大，B737-200的滑行重量为556kN，单轮荷载为130kN；而B747-400F的滑行重量为3880kN，单轮荷载为220kN，轴载的显著增长加剧了加铺结构早期病害的出现。总之，平行滑行道上飞机重载、低速甚至长时间停滞作用下造成该机场加铺结构在该区域很快出现永久变形破坏。该机场平行滑行道沥青加铺层出现水损害的原因是：(1)该机场处于沿海地区，湿润而多雨，沥青加铺层内混合料空隙率较大而造成其渗水系数较大，层表自由水沿着空隙逐渐渗入到沥青层内及层间，在环境及荷载重复作用下集料与沥青、沥青胶浆之间的粘结性逐渐降低，而后在动水压力作用下沥青从集料表面逐渐剥落，造成层间松散及接触不良。(2)飞机在平行滑行道上很快出现早期轮辙病害后，造成加铺结构的横向及纵向排水不畅，外界水分很容易聚集在轮辙区域内，从而加剧了水损害的发生。(3)飞机启动及制动下对加铺层底产生的水平拉应力及剪应力对层间接触产生不利影响，导致层间接触状况不良，在水分侵入后逐渐导致层间脱离。由此可见，在荷载及环境因素作用下，由于飞机低速及停滞造成的平行滑行道部分区域早期轮辙变形及沥青混合料空隙率过大等原因导致外界水分渗入到沥青层内及层间而引起混合料松散及层间分离。表2.4芯样马歇尔稳定度试验结果油石比规范值层位编号稳定度/kN流值/0.1mm/%稳定度/KN流值/0.01mm18.272.2214.656.8上面层311.662.65.7＞620～50SMA-16412.365.4512.958.316.091.52--下面层312.972.44.4＞920～40AC-20413.967.2511.356.514 第二章机场加铺结构典型病害调查及变形特性分析马歇尔稳定度试验是评价沥青混凝土性能的重要方法，稳定度越高、流值越小，表明其抵抗荷载作用下形变能力越高，对五处芯样进行马歇尔稳定度试验，其试验结果如表2.4所示。从表中可以看出，该机场平行滑行道上面层SMA-16的马歇尔稳定度基本满足规范要求；下面层AC-20的稳定度除1号及2号松散外，其他也均满足规范要求。流值则普遍偏大，尤其是下面层AC-20的流值，说明平行滑行道沥青混凝土层尤其是下面层性能下降较为明显，在荷载及温度作用下发生永久变形的几率将显著提升。2.西北某机场该机场端联络道部分区域也出现较严重的单侧轮辙现象，最大轮辙深度也达到10cm左右，由于是在夜间飞机停航后进入飞行区进行病害调查的，所以并未有病害的详细照片，在此用示意图表示，如图2.4、2.5所示。平行滑行道图2.4西北某机场联络道轮辙病害分布区域图2.5西北某机场联络道轮辙病害示意图飞机通过联络道从平行滑行道进入跑道，联络道的两端部通常为小半径的圆弧组成，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旋钮状态，对加铺层表造成较大的扭剪作用。联络道端部在这种低速及扭剪力作用下处于不利受力状态，而且飞机荷载作用时间尤其是内侧荷载作用时间将显著增加，以飞机主起落架间距10m为例，当内侧圆弧半径10～20m时，则内侧荷载作用时间为外侧的2.0～1.5倍，且内径越小越不利，可见内侧不仅很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，联络道加铺层处于重载、低速及内侧扭剪的受15 长安大学硕士学位论文力状态，从而出现单侧病害等现象。3.西南某机场该机场仅在跑道上实施了沥青加铺工程，在使用过程中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、2坑槽及小片裂痕等，如图2.6、2.7及2.8所示。病害集中区域面积为1500m左右，其中22有6处坑槽，最大处达到25m，总分布区域约为900m，且在处理时发现下部层间含水；2另一个主要病害是推移和滑移而引起标线变形严重，分布区域面积约为600m。跑道中部道肩出现裂缝的主要是由于管线设计不合理，导致管线埋设深度过小，表层加铺的沥青混合料不易于压实所致，可采用浇筑式沥青混合料，或是采用铺设钢筋网浇筑水泥快补料方式处理。图2.6西南某机场跑道西端病害分布区域16 第二章机场加铺结构典型病害调查及变形特性分析图2.7机场跑道西端推移变形图2.8机场跑道西端及中部道肩开裂基于此，现场取芯4个，分别位于PX395(跑道中心圆位置)、PX780+PX785(跑道西端出现推移、开裂等病害处)，PX785(坑槽处)，如图2.9所示。PX395PX780(推移处)PX785(开裂处)PX785(坑槽处)图2.9跑道中心圆及西端病害处芯样从图2.9中可以看出，跑道中心圆处的芯样上部SMA混合料的空隙率较低，下部AC混合料底部较为光滑，芯样状况良好；跑道西端处三个芯样无明显缺损裂纹，但上部孔隙较大，底部粗糙松散，个别芯样出现层间分离现象。出现这种情况的原因有以下几个方面：17 长安大学硕士学位论文(1)跑道中心圆区域，飞机行驶速度很高，荷载一次作用时间仅为跑道端部的1/10甚至更低，且不存在扭剪等作用形式，使得该区域早期病害远远低于跑道端部。(2)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，荷载重复作用下逐渐产生滑移、推移等变形破坏。(3)在飞机水平荷载及扭剪力重复作用下，加铺结构层间尤其是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，层间处于不利接触状况；而且随着荷载及外界环境反复作用下，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，沥青与集料间及沥青胶浆粘结性能逐渐下降，尤其是在层间动水压力的作用下，混合料逐渐松散老化，沥青膜逐渐剥落，最终导致层间完全分离；如果没能得到及时处理，原有及新进的层间水分会迅速向四周扩展，从而使整个区域出现层间分离现象，并逐渐从层间混合料的隐性松散破坏发展到整个沥青混凝土层显性病害。(4)该机场处于高原地区，跑道沥青加铺层在使用过程中紫外老化现象严重，跑道西端沥青膜损失严重，导致沥青混合料空隙率及渗水系数变大，在多雨期间及飞机荷载重复作用下，表层混合料松散脱落逐渐形成坑槽。坑槽的反复出现及坑槽区域的扩大则是由于坑槽修补过程中处置不当或修补区域不合理，导致修补后层间水分无法排除，这些层间水不仅很快会使新修补的沥青混合料很快出现二次坑槽，而且坑槽在深度和广度上都会进一步扩展。可以看出飞机在跑道端部低速扭剪作用下，首先会产生推移及层间剪切弯拉破坏，然后在飞机荷载及外界环境(尤其是水分)作用下，不仅现有的病害会逐渐扩展，而且还会引起老化、松散、坑槽等其他类型的病害。为了充分调查加铺层沥青混合料的抗变形能力，在跑道西端沿跑道中线两侧每100m钻芯取样，首先对其外观进行观察，然后对芯样进行马歇尔稳定度试验，测定其马歇尔稳定度、流值及油石比等，如表2.5及2.6所示。表2.5跑道西端沥青混凝土芯样表观状况芯样编号钻芯部位-位置芯样高度/cm外观描述1中心线右侧-0m14.0上下面层结合良好2中心线左侧-100m14.0上下面层结合良好3中心线右侧-200m14.0上下面层结合良好4中心线左侧-300m12.5上下面层结合良好5中心线右侧-400m15.5上下面层结合良好18 第二章机场加铺结构典型病害调查及变形特性分析从表2.5中可以看出，跑道道面芯样完整性较好，无明显缺损，上下面层间粘结良好。表2.6跑道西端沥青混凝土马歇尔稳定度试验油石比规范值层位编号稳定度/kN流值/0.1mm/%稳定度/KN流值/0.01mm18.348.227.688.5上面层38.146.76.0＞620～50SMA-1346.253.058.673.6116.799.2211.466.1下面层39.863.24.8＞920～40AC-20411.977.459.072.2从表2.6可以看出，机场道面跑道西端的沥青混合料马歇尔稳定度基本满足要求，但数值偏低；流值则整体偏大。说明沥青混合料的抗变形能力较低，在高温重载条件下容易发生永久变形破坏。通过对上述几个机场道面加铺层病害调研发现其主要存在水损害、裂缝、坑槽及永久变形等病害，而且以变形类破坏最多。在现有机场道面加铺层病害研究中对于裂缝、坑槽及水损害的问题考虑较为深入，但是对于永久变形问题则研究的不够具体。上述几个机场病害调查可以得出，轮辙、推移等变形类病害比较严重的区域主要集中在跑道端部、平行滑行道及联络道等处，而在跑道中部出现的病害较少。机场飞行区不同区域沥青加铺层所受的外界环境(主要为温度和水)影响及飞机荷载作用次数基本相同，但是在平行滑行道、联络道及跑道上飞机行驶状态却差异较大。飞机在平行滑行道上处于低速+停滞状态，在联络道上处于低速+扭剪状态，在跑道上处于高速运行状态。平行滑行道及联络道沥青加铺层不仅处于不利受力状态，而且飞机荷载累积作用时间也将会是跑道上的十倍甚至几十倍。所以，虽然在夏季高温季节及大型飞机荷载等不利条件耦合作用下跑道上的早期累积永久变形不明显，但是平行滑行道及联络道上的永久变形病害却迅速产生及发展。19 长安大学硕士学位论文飞行区不同区域加铺结构及材料组合形式基本相同，厚度上也差距很小(1～2cm)，可以看出这种加铺结构自身强度不够或者加铺层厚度不合理，虽然可以满足跑道的要求，但是并不适用于飞机在平行滑行道上低速+停滞及联络道上低速+扭剪的行驶状态，造成道面结构内局部区域剪应力及荷载作用时间过大，沥青混合料产生严重早期侧向流动变形，如果处理不得当不仅原有变形病害会很快二次发生还会引发其他类型的病害。针对上述问题，应结合飞行区不同区域不同行驶状态下加铺结构进行力学响应及永久变形，通过合理安排结构组合及材料类型，延长道面使用寿命。2.2沥青加铺结构变形特性2.2.1沥青加铺结构永久变形机理旧水泥混凝土道面沥青加铺结构是由刚性的水泥混凝土材料和柔性的沥青混凝土材料组成的复合式路面结构，其变形特征结合了沥青道面和水泥道面变形特征的同时，还具有自身的特殊性。在此结合沥青道面及水泥道面变形特征，研究水泥混凝土道面沥青加铺层的永久变形形成过程。1.沥青路面永久变形[34]沥青路面根据轮辙形成的起因，分为以下三类：1）失稳型轮辙：此类轮辙是由于沥青结构层在飞机荷载重复作用下，其内部材料在剪切作用下产生侧向流动而形成，并且通常集中在轮迹处。在重载、高温或长时间重复作用下容易产生此类轮辙。由于混合料的侧向流动，通常还会产生侧向隆起现象。2）结构型轮辙：此类轮辙是沥青道面结构在飞机荷载作用下的整体永久变形累积结果，主要是由于路基变形传递到面层而产生，此类轮辙较宽且没有侧向隆起。3）磨耗型轮辙：此类轮辙是由沥青道面结构在飞机轮胎及环境因素作用下不断损失而逐渐形成的。从上面可以看出，沥青路面的轮辙主要是由面层、基层及土基的永久变形组成。1960年AASHTO试验路研究表明：91%的轮辙是路面结构本身引起的，其中面层占32%、基层占14%、底基层占45%，而土基沉陷只占9%。但是，我国主要以半刚性基层沥青路面为主，其面层产生的永久变形占路面永久变形总量的90%以上，且结构型及磨耗型轮辙较少，以失稳型轮辙为主。所以，在此主要对此类轮辙的面层永久变形形成过程进行探讨。由于沥青混合料是一种黏弹塑性综合体，在低温小变形下处于线弹性体，高温大变形下处于粘塑性体，而在此过渡范围内则处于黏弹塑性体。所以，其形变过程可以20 第二章机场加铺结构典型病害调查及变形特性分析简单的分为三个阶段：1）初始压密过程沥青混合料是由骨料、沥青及空气组成的三相混合物，在其成型碾压过程中，高温下处于半流动状态的沥青及沥青与矿粉混合而成的胶结料填充于矿料间隙中，排列成具有一定骨架结构的混合体。随后，在使用过程初始阶段，荷载重复作用下，混合料压密过程进一步发展。2）混合料侧向流动高温下的沥青混凝土表现出粘弹性力学性质，荷载作用下沥青及沥青胶浆产生侧向流动，导致混合料的空间骨架结构失稳。此半流动态混合物除部分填充于骨料间隙外，其他部分将随混合料横向流动，随着荷载的重复作用形成永久变形。3）骨架重新排列及破坏荷载及高温作用下，处于粘弹性状态的沥青混合料中的沥青及胶浆产生流动，粗、细骨料组成的空间骨架逐渐承担主要荷载应力，加之沥青的润滑作用，矿料颗粒沿矿料接触面逐渐滑动，最终导致沥青及胶浆富集于混合料自由面。轮辙三个阶段发展规律如图2.10所示。轮结构破坏辙深度侧向流动初始压密荷载作用次数N图2.10荷载重复作用下沥青道面轮辙发展规律从上面轮辙发展规律可以看出，沥青路面永久变形主要是沥青混合料在长时间荷载及高温环境作用下，抗剪切流变能力不足而引起的。因此，一方面应该选择合理的结构组合形式，减小沥青层内所受的剪切应力及应变；另一方面应从改善材料抗剪切性能及高温稳定性等性能着手，减小面层永久变形。2.水泥路面变形特性由于水泥混凝土属于刚性材料且材料特性随温度变化影响较小，表现出明显的线弹性特征，所以，一般不考虑水泥混凝土道面在荷载作用下的永久变形。21 长安大学硕士学位论文3.水泥混凝土道面沥青加铺层变形特性水泥混凝土道面沥青加铺层是一种复合式路面结构，水泥混凝土板及板下各层几乎[35]不发生局部永久变形，即这种路面结构的轮辙主要是由沥青加铺层永久变形引起的。其永久变形发展规律同半刚性基层沥青路面存在一定的共性，同时也有自身的特性。主要表现为以下方面：1）半刚性基层与沥青面层之间的模量及变形能力较为接近，在荷载作用下面层与基层协同受力变形，减小了使面层内的应力及应变，从而减缓了其在荷载重复作用下的永久变形。2）复合式路面的原有混凝土面层刚度、模量较大、变形能力较弱，是沥青面层模量的15倍以上，这种巨大的模量及变形协调能力的差异使得加铺结构在荷载作用下，其沥青面层产生较大的应力及应变，而旧水泥混凝土面层的应力及变形很小，限制了沥青面层变形的协调发展，从而增大了沥青层内压应力、压应变及剪切应力、剪切应变，加速了第一阶段的压密过程和第二阶段的侧向流动过程，更快产生永久变形。所以，可以将水泥混凝土道面沥青加铺层视为双层连续体系，沥青面层为均质、各向同性的粘弹性材料，其永久变形是作用荷载、温度及作用时间的函数，而水泥混凝土下卧层则可当作刚度无穷大，且任何方向都不发生永久变形的板块。2.2.2大型飞机荷载影响大型飞机荷载对机场道面加铺层永久变形的影响主要体现在轮迹横向分布、交通荷载等级及交通量三方面。1.轮迹横向分布随着经济技术的发展，机场航班日益密集，航空交通量不断增长，同时新机型也不断涌出。现已投入市场运行的民用飞机种类繁多、参数各异，主要有美国波音和麦道公司、欧洲空客公司、俄罗斯联合航空制造集团公司、中国西安及哈尔滨飞机制造厂等。其中波音公司（B737系列、B747系列、B757系列、B767系列、B777系列）和空客公司（A310系列、A320系列、A330系列、A380系列）的飞机基本占据了现有民用飞机[5]市场主要份额。起落架构型不同会直接影响飞机荷载在道面结构上的作用形式，单轴单轮、单轴双轮、双轴双轮、双轴单轮、三轴双轮及复合型等构型是现有常用的主起落架构型，以B737-200、B747-400、B777-200LR、A380等主起落架构型为例，如图2.11所示。22 第二章机场加铺结构典型病害调查及变形特性分析单轴双轮B373-2000.78m5.23m11.00m双轴双轮B747-4003.07m1.47m1.12m3.84m10.97m1.45m三轴双轮B777-200LR1.45m1.40m12.46m复合型A3801.70m5.26m1.35m1.70m1.55m1.70m1.53m图2.11常用飞机起落架构型23 长安大学硕士学位论文对于公路路面来说，各种车辆的轮距及轴距相差较小，且分车道行驶，易形成渠化交通。飞机主起落架间距在5～10m之间，主起落架轮距则在0.8～2.0m之间，直观上飞机在道面上横向分布较分散，同时随着机型的不同起落架构型、间距以及轮胎数量、[19]组合方式也存在着差别。《民用机场沥青混凝土道面设计规范》(MH5010-1999)中对于飞机荷载的横向分布规律没有明确给出计算公式，而是直接以年运行架次乘以一个轮载的横向累计作用分布系数，其取值仅与道面宽度有关。如果从这一点看，似乎飞机在机场道面加铺结构上并未形成渠化交通，其永久变形在道面全宽度范围内，从而不会产生较大的轮辙。但大量的观测结果表明，飞机荷载轮迹在道面宽度范围内并不是均匀分布于道面宽度范围内，而是基本呈正态形式分布，也就是飞机荷载通常集中在道面中央区域，其频率曲线在此出现峰值，两侧边缘的频率则很低。由此可以看出飞机荷载在道面中央处的累计作用次数将远大于两侧边缘区域，从而在道面横向中部区域逐渐形成轮辙。而对于轮迹横向分布频率，应结合各机型交通量、起落架构型及道面宽度等因素综合考虑。2.荷载等级机场道面所承受的飞机荷载远大于公路路面所承受的汽车荷载，飞机轮胎接地压力[19,32][33]在0.9～1.5MPa之间，而汽车轮胎接地压力在0.4～1.0MPa间，不同机型胎压与汽车标准轴载下胎压比值如表2.7所示。表2.7不同机型与汽车标准轴载下的胎压比机型比值机型比值机型比值B737-2001.80A-310-2002.09A3211.94B737-400A1.83B747-200B1.97B757-2001.73B737-6001.86B747-4001.97B767-2001.77B737-8002.10B777-2001.83B767-3001.97A3201.63B777-3002.11A-3001.66MD-901.63A330-2002.03MD-111.97B757-200PF1.77B737-3002.00B747-3001.87B767-200ER1.87B737-5001.91B-747SP1.80B767-300ER1.97B737-7001.99B777-200LR2.14A380-8002.10B737-9002.10B777-300ER2.14不同轴载给道面结构造成的损伤程度各有不同，采用公路沥青路面设计方法对飞机24 第二章机场加铺结构典型病害调查及变形特性分析轴载作用换算成汽车标准轴载作用次数，当以弯沉和层底拉应力为设计指标时，其换算公式如式(2.1)所示：4.35𝑃𝑖𝑁=𝐶1𝐶2()(2.1)𝑃其中：N—换算后汽车标准轴载作用次数；P—车辆标准轴载；Pi—换算机型主起落架轴载；C1—轴数系数，双轴为2.2，三轴为3.4；C2—轮组系数，双轮为1，单轮为6.4；以B737-200为例，其为单轴双轮形式，主起落架荷载为528kN，而汽车标准轴载为100kN，则作用一次换算为汽车标准轴载作用次数为1391次，虽然将飞机荷载换算成汽车标准轴载的这种换算方式的合理性还有待商榷，但也足以说明机场道面在飞机荷载作用下产生的应力及应变将远大于汽车荷载，疲劳荷载作用次数显著降低的同时，早期永久变形也会明显增加，故而需要对机场道面合理加铺结构形式进行理论及试验分析，从而使其具有更高的结构承载能力及耐久性。3.交通量到目前为止国内多数机场的日均起降量在几十到一百多架次，较繁忙的机场日均起降架次甚至已经达到500架次以上，如图2.12所示，而且未来若干年内航空交通量将呈迅猛增长的趋势。1800160014001200日均1000起降800架次6004002000首都白云浦东虹桥双流保安长水咸阳江北萧山高崎黄花天河禄口流亭新郑地窝堡周水子图2.12全国较繁忙机场日均起降架次25 长安大学硕士学位论文以中型飞机B737-200为例，假定某机场日均换算起降架次为1000次，某高速路日均换算标准轴载(BZZ-100)交通量为10000次，则将飞机荷载换算成汽车标准轴载作用次数后将为上百万次，即使其横向分布系数仅为汽车荷载横向分布系数的1/10，机场沥青道面荷载重复作用次数也将是公路沥青路面的十倍以上。从换算结果可以看出，现在的机场道面已经不仅仅是传统的有限次大荷载重复作用。从荷载横向分布、荷载等级及交通量等方面来看，飞机荷载尤其是大型宽体飞机的越来越多对机场道面沥青加铺层永久变形的影响已经不能忽略，需要对飞机荷载重复作用下的疲劳破坏及永久变形破坏综合考虑。2.2.3温度影响沥青混合料的弹性模量随温度变化而变化，从低温时的弹性体到高温时的黏弹性体再到更高温度时的粘弹塑性体，沥青混合料的抗变形能力也随之降低，从而在荷载作用下发生永久变形。沥青加铺层内的温度主要受外界环境温度的影响，并且随深度的不同而不同。研究表明，在各种加载条件下沥青混合料的模量都随温度升高而降低，其在60℃[37]的变形量为30℃时的2.5～3倍，更容易产生轮辙。1.不同深度温度确定[38,39]美国SHRP计划中认为，在高温条件下，路表温度是由路表热气流决定的，而路表热气流是由直接太阳辐射、热扩散、空气对流、热传导及路面体辐射等因素决定的。Superpave高温模型采用一年中温度最高的连续7天路面表面的最高温度作为沥青路面高温设计温度：2Tsmax=Ta-0.00618Lat+0.2289Lat+24.4(2.2)式中：Tsmax—路表最高温度，℃；Ta—最高气温，℃；Lat—纬度，(°)。通过路表最高温度可计算得到指定深度处的最高温度：-3-52-83Tdmax=(Tsmax+17.78)(1-2.48×10d+1.085×10d-2.441×10d)-17.78(2.3)式中：Tdmax—指定深度处的最高温度，℃；d—距路表深度，mm。以西北某地区为例，假定沥青层为2层分别为5cm和8cm，其纬度为43°，环境温度变化为36℃，可得出路表及路面结构不同深度处的温度，如表2.8所示。26 第二章机场加铺结构典型病害调查及变形特性分析表2.8道面结构层温度随深度变化上面层下面层深度/cm012345678910111213温度/℃58.857.055.353.852.451.150.049.048.047.146.345.544.844.1平均/℃54.846.82.温度模量关系文献[39]中提出温度与模量的关系式，如下所示：𝐸𝑡𝑇=1.0−1.5lg(2.4)𝐸𝑐𝐶式中：𝐸𝑡—T温度下的模量；𝐸𝑐—标准温度C下的模量，一般取20℃。那么以SMA-13及AC-16在20℃下的弹性模量为1500MPa和1200MPa为基准，上述温度下的两种沥青混合料模量分别为515MPa和535MPa，不同温度下沥青混合料的模量如表2.9所示，可见随着温度的升高模量逐渐降低，其抗变形能力也就急剧下降。表2.9不同温度下沥青混合料模量(MPa)温度/℃2030405060材料SMA-1315001104823605426AC-1612008836584843412.2.4行驶特性影响行驶速度对道面结构应力应变及变形影响的分析方法主要基于玻尔兹曼(Bolzmann)[40]叠加原理和时温等效原理。1.玻尔兹曼叠加原理玻尔兹曼叠加原理认为聚合物在某一时刻的松弛特性是其在该时刻之前已经经历的所有松弛过程所产生结果的线性叠加，即材料形变是负荷时间的函数。其表达式为：ε(t)=𝜎1𝐷(𝑡−𝑢1)+𝜎2𝐷(𝑡−𝑢2（2.5）𝑖ε(t)=∫−∞𝐷(𝑡−𝑢𝑖)𝑑𝜎(𝑢𝑖（2.6）其中，ε(t)指的是t时刻产生应变；ui为时间增量；D(t−ui)为在ui时材料的模量。所以，荷载每次作用在道面上的时间可以线性叠加，例如B747-400飞机在道面上以27 长安大学硕士学位论文5m/s速度行驶的一次作用时间为0.1s，这与10架以50m/s速度行驶的作用时间相同。飞机在平行滑行道上经常要停滞等待3～5min或处于低速慢行状态，使得其在道面上的作用时间急剧增加，这严重加重了道面结构的负担，从而降低了加铺层的使用寿命。2.时温等效原理沥青混合料属于粘弹性材料，其力学特性对时间及温度具有依赖性，当温度一定时，给定不同的加载条件ε(t)=𝛼𝑖𝑡，达到同一应变水平时，其应力随加载速度的加快而增大。当加载速度一定时，在不同温度、相同时间下达到同一应变水平时，其应力随温度升高而降低，如图2.13所示。ε0T=常量ε0t=常量T=常量t=常量σ1σ1σσσ2θ1σ2σ3θ2σ3σ4θ3σ4θ1θ2θ3θ4θ4t1t2t3t4tt0t图2.13粘弹性材料时温等效图该原理的换算公式为：c1(T−T0)−17.44(T−Tg)lgaT==（2.7）c2+(T−T0)51.6+(T−Tg)taT=（2.8）tg其中，aT为移位因子，t为温度T时对应的时间长度，单位s；tg为温度Tg时对应的时间长度，单位s；T为温度，℃；Tg为材料的玻璃化温度，对于沥青混合料取值-27℃。根据式（2.7）和（2.8）可以实现不同荷载作用时间下等效温度的换算。假设温度在T1时荷载作用时间为t1，则荷载作用时间为t2时路面产生的形变可用t1下的温度T2进行等效。换算过程如下：t117.44(T1−Tg)17.44(T2−Tg)lg=−(2.9)t251.6+T1−Tg51.6+T2−Tg由式（2.9）可得，以荷载作用时间0.1s，路面温度60℃为标准，将不同荷载作用时间下的温度换算成既定作用时间下的等效温度，计算结果如表2.10及图2.14所示。28 第二章机场加铺结构典型病害调查及变形特性分析表2.10不用荷载作用时间下的等效温度换算荷载作用时间/s0.0010.010.10.20.30.40.51.0等效温度/℃27.441.560.066.771.074.276.785.2100800.163y=86.35xR²=0.998等60效温度40（℃）2000.00.20.40.60.81.0荷载作用时间（s）图2.14荷载作用时间与等效温度拟合曲线由表2.10、图2.14以及2.2.3节可以得出，随着荷载作用时间的增大，等效温度逐渐增大，最终导致沥青混合料劲度模量的降低，从而使其抗变形能力显著下降。其荷载作用时间与等效温度拟合曲线如式(2.10)所示：0.1635T=86.355t(2.10)其中：T—等效温度(℃)；t—荷载作用时间(s)。飞机在飞行区不同区域行驶状态差异较大，在跑道上起降时的速度很高，可达50～80m/s；在滑行道和联络道则以较低的速度行驶(如5m/s)，甚至在滑行道上处于停滞等待状态(停滞3～5min)。那么在跑道上B747-400飞机的荷载作用时间在0.01s以下，其等效温度将在40℃以下；而在平行滑行道或联络道上飞机荷载作用时间超过了0.1s，等效温度在60℃以上。这种行驶状态巨大差异而引起的等效温度的显著不同最终导致沥青混合料劲度模量及抗变形能力的显著差异，从而引起机场道面加铺结构不同区域永久变形的显著差异。其在此不利行驶状态下，平行滑行道及联络道沥青加铺层局部区域的永久变形将显著增加，从而影响整个飞行区的使用性能。从上述荷载、温度及作用时间三个影响因素的分析可以看出，沥青加铺层在重载、高温及长时间荷载耦合作用下，将处于极限不利受力状态，迅速产生永久变形；平行滑行道及联络道在夏季高温季节正处于此种状态而产生早期轮辙破坏，而跑道则由于飞机29 长安大学硕士学位论文的高速行驶状态可以在很大程度上降低其轮辙变形的产生及发展。2.3飞行区加铺结构分区域设计的提出通过上述几个机场典型病害调查及加铺结构永久变形特性的分析可以得出，沥青加铺层在结构上不同于半刚性或柔性基层沥青道面，其永久变形全部产生于加铺层，从而需要具有足够的抗剪强度，以降低在大型飞机荷载、夏季高温季节及长时间荷载作用下的永久变形。同时，飞机在平行滑行道低速+停滞、联络道低速+扭剪及跑道端部低速+制动急剧加速了这种早期变形破坏，在跑道中部的高速行驶反而缓解了变形病害的产生。我国现有的机场加铺主要包括结构补强和功能加铺两类，在加铺结构设计和防裂措施选取中也很少考虑各飞行区结构稳定性差异，几乎是整个飞行区统一加铺的方案，或者仅在厚度上有2cm左右的差异，严重影响部分区域加铺结构的耐久性。由此可见，飞行区不同区域加铺结构差异设计势在必行。基于此，本文开展了充分考虑飞机在平行滑行道、联络道、跑道截然不同的行驶特性下的加铺结构力学响应及变形规律，为机场飞行区不同区域旧水泥混凝土道面沥青加铺层结构设计与材料选择打下基础。2.4本章小结(1)通过对国内几个机场加铺结构组合形式调查，发现我国机场加铺结构组合形式以SMA+AC为主，这种材料结构组合形式在重载、高温及长时间作用下，抗剪切能力不足，很容易产生剪切流动变形。对加铺结构典型病害进行调查，发现病害主要为轮辙、推移等变形类病害，且由于飞机在平行滑行道上的低速+停滞、联络道上的低速+扭剪、跑道端部低速+制动，病害主要集中于上述区域。(2)结合沥青及水泥道面变形特性，得出沥青加铺结构轮辙及推移全部产生于粘弹性加铺层内；同时对大型飞机荷载、温度及行驶速度对加铺结构的影响进行分析，表明在重载、高温及低速三相耦合作用下，加铺层处于极限不利受力状态，其永久变形迅速增长。平行滑行道及联络道在夏季高温季节正处于此种状态而产生早期轮辙破坏，而跑道则由于飞机的高速行驶在很大程度上降低了其轮辙的产生及发展。30 第三章基于行驶特性的加铺结构力学响应第三章基于行驶特性的加铺结构力学响应机场道面加铺结构不同层位及不同材料组成下，其力学响应也会有所不同，本章结构研究的目的就是根据不同类型沥青混合料的性能与特点，将其放置在最能体现其性能与特点的层位，从而使道面结构组合达到最优状态。因此，在本章分析中，主要从沥青加铺层的力学响应方面揭示其出现轮辙的原因，并根据各结构层位应力应变状态有针对的提高沥青混合料性能。飞机在平行滑行道上处于低速慢行或停滞状态，联络道上处于低速慢行及扭剪状态，而在跑道上则处于高速行驶状态。飞行区不同区域行驶特性的不同，使得路面结构内产生的应力应变也有所不同，从而影响加铺结构永久变形及使用寿命。基于静止、低速及高速三种行驶状态，本章采用数值模拟的方式首先对飞机在静载作用下的加铺层内力学响应进行分析，然后对不同行驶速度下加铺层内动力响应进行分析，得出不同行驶状态下受力响应规律。从而对机场飞行区不同区域加铺结构组合进行推荐。3.1机场加铺结构有限元模型3.1.1基本理论有限元法(FEM)是一种用于求解微分方程组或积分方程组的数值分析方法。自从1960年波音公司Clough提出这种方法以来，随着计算机技术的飞速发展，其在工程技术领域取得了空前的发展和长足的应用。经历了杆件问题—弹性力学—塑性力学、二维平面—三维空间、固体力学—流体力学及其他包括热力学、电磁学等的发展过程。FEM的基本思想是将连续的求解区域离散成一组有限个单元，并将其通过节点相互联接成单元组合体。采用分块近似原理，对每个单元建立求解未知量与节点相互作用间相互关系的力学及位移插值函数，最后将全部单元体的这种特性关系按变形协调、连续条件及能量守恒综合起来，同时引入相应的边界条件，就得到一组以节点位移为未知量的线性代数方程组，求解这个方程组就得到节点位移，然后得到所要求解的变量。传统的弹性分析理论存在材料特性、荷载作用形式、边界条件简化等方面的局限性，而有限元模型能够很好的解决材料非线性、荷载多种作用方式及位置变化、复杂边界条件等问题。道面结构是三维结构物，承受轮载及环境因素的综合作用，而三维有限元模型可以考虑道面结构实际尺寸、接缝、层间接触状况及荷载作用位置，是道面结构的理[41]想模型。31 长安大学硕士学位论文有限元分析的基本步骤：(1)模型建立；(2)将结构分割成通过节点连接的有限个单元体，其单元划分的大小决定了其计算精度和计算速度，单元网格越小精度越高计算速度越慢；(3)选择位移插值函数，对单元中位移分布做出假定，从而用节点位移表示单元体的位移、应力、应变，选择适当的位移函数是有限单元法分析的关键；(4)求解单元刚度矩阵；(5)建立整体平衡方程；[42](6)由平衡方程求解节点位移，然后计算相应的应力应变，最后计算出内力和变形。3.1.2道面结构及材料参数以第二章中西北某机场加铺结构与某公路路面加铺结构进行对比分析，其厚度及各层材料参数如表3.1、3.2所示，其中该机场AC层厚度分为6cm和8cm两个厚度，编号为B747-400-1和B747-400-2，公路路面加铺结构AC层厚度分5cm和7cm两个厚度，编号为BZZ-100-1和BZZ-100-2。表3.1西北某机场加铺结构计算参数结构层厚度/cm弹性模量/MPa泊松比μSMA-13上面层515000.25AC-20下面层6812000.25旧水泥混凝土面层38340000.15二灰碎石上基层1815000.20二灰砂砾下基层1813000.25土基-1000.4表3.2某高速公路加铺结构计算参数结构层厚度/cm弹性模量/MPa泊松比μSMA-13上面层415000.25AC-25下面层5712000.254应力吸收层22000.35旧水泥混凝土面层24340000.15二灰碎石上基层2015000.20级配碎石下基层183000.30土基-1000.43.1.3荷载作用形式32 第三章基于行驶特性的加铺结构力学响应起落架承担起飞机重量后将其传递到各个机轮上，而机轮对道面的作用则由每个轮子所承担的荷载、轮胎与道面的接触面积及轮胎压力等因素决定。主起落架承担了大部分飞机重量，通常我国设计方法根据机型的不同分布在90～96%之间，而FAA设计方法中建议主起落架分配重量占最大起飞重量的95%。飞机主起落架上任一单轮荷载的计算方式如式(3.1)所示：𝐺𝑝𝑃𝑡=(3.1)𝑛𝑐𝑛𝑤其中：𝑃𝑡—主起落架单轮轮载(kN)；G—最大起飞重量(kN)；𝑝—主起落架分配系数；𝑛𝑐—主起落架个数；𝑛𝑤—任一主起落架机轮数。规范中将飞机的轮印形状假定为椭圆形，进一步可简化为两个半圆和一个矩形，如图3.1所示。轮印长为1/2矩形周长，轮印宽度为半圆直径，由此可得宽度为长度的0.6倍，计算方式如式(3.2)所示：𝑃4𝑡×10𝐿𝑡=√，𝑊𝑡=0.6𝐿𝑡（3.2）5.227𝑞式中：𝐿𝑡,𝑊𝑡—轮印长度、宽度（mm）；q—胎压(MPa)；在数值模拟中，在上述椭圆形垂直荷载作用下周边会产生应力突变，从而产生奇异点，导致理论值与实测值之间较大的差异。所以，在此将飞机荷载进一步简化为矩形均布荷载，其长度和宽度分别为0.8712𝐿𝑡和0.6𝐿𝑡，如图3.1所示。同样，在公路路面力学分析中，也将轮载由椭圆形简化成矩形均布荷载，简化方式相同。0.3L0.6LL0.8172L图3.1椭圆轮印简化为矩形轮印机场道面力学分析中采用B747-400作为设计飞机，其主起落架构型为双轴双轮，主33 长安大学硕士学位论文2起落架间距为𝑆𝑡=1.12𝑚，𝑆𝐿=1.47𝑚，单个轮印作用面积为0.498m×0.343m=0.1711m，轮胎接地压力为1.38MPa；公路路面分析采用BZZ-100标准轴载，双轮中心距为0.314m，2单轮作用面积为0.192m×0.186m=0.0357m，轮胎接地压力为0.7MPa，荷载布置如图3.2所示。1.12m0.498m0.314m0.343mB747-4001.47m0.192m0.186mBZZ-100图3.2荷载布置图3.1.4ABAQUS三维有限元模型建立1.计算假设在路面结构研究中，弹性层状体系理论应用广泛，但有限元法可以处理各种边界条件的路面结构问题，且有限元法的正确性己经得到验证。因此本文采用有限元法对路面[41]结构进行了三维分析，计算假设如下：(1)所用结构各层材料为均匀、连续、各向同性的弹性体；(2)各结构层层间水平位移和竖向位移完全连续；(3)土基不建立实体模型，采用Foundation弹性基础代替；(4)采用无传荷能力的接缝，其宽度为1cm；(5)结构自重不计。2.模型尺寸旧水泥混凝土路面板所采用的平面尺寸为板长×板宽=5m×5m，接缝宽度为1cm，道面结构沿深度方向的厚度及材料参数如表3.1、3.2所示。土基不建立实体模型采用Foundation弹性基础代替，则其道面加铺结构网格划分模型如图3.3所示，为了降低计34 第三章基于行驶特性的加铺结构力学响应算时间，在荷载作用处网格划分尺寸较细并逐渐向模型边界处扩展，同时面层网格划分尺寸较小并逐渐向基层增大。图3.3道面结构网格划分模型3.边界条件本章道面结构模型边界条件取为：在道面横向X向(垂直于飞机行驶方向)控制X向位移，在道面纵向Y向(飞机行驶方向)控制Y向位移。ABAQUS中定义如下：X向上为XSYMM对称边界条件，即UX=URY=URZ=0。Y向上为YSYMM对称边界条件，即3UY=URX=URZ=0。模型底部采用弹性基础模拟土基支撑作用，其反应模量k=80MN/m。为了节省计算时间和避免发生奇异，采用三维8节点减缩积分单元C3D8R。4.荷载作用位置根据相关文献的试算可知，对于有接缝的旧水泥混凝土板沥青加铺结构，其最不利[43]荷位仍位于接缝处一侧板的纵向边缘中部，如图3.4所示。沥青加铺层应力吸收层沥青加铺层旧混凝土道面旧混凝土道面图3.4荷载作用位置5.计算指标及位置确定轮辙的产生首先是压密变形，尤其是在高温条件下，处于受压状态的沥青混合料会在竖向产生较大的应变及变形，所以选取压应力σz及压应变εz作为计算指标之一。剪应力τxz及剪应变εxz是沥青加铺结构产生失稳流动轮辙的主要因素，所谓对轮辙破坏的分析，主要是对结构层内剪应力及混合料抗剪强度的分析，通过对剪应力及剪应变的计35 长安大学硕士学位论文算分析，了解加铺结构内应力分布特征，从而在定量分析的基础上优化加铺结构组合设计及材料选取。路表弯沉是荷载作用下路表竖向变形，是反应路面整体抗变形能力的指标，在此选取路表弯沉作为计算指标之一。在水平荷载分析时则主要考虑σy及τyz变化。对于沥青加铺结构，由于旧水泥混凝土板接缝的存在，使得道面结构的应力应变情况比较复杂，偏载作用下沥青加铺层最容易受到破坏，并且在接缝处沥青面层剪应力(变)较其他位置大，所以剪应力(变)计算位置选取为接缝处；而压应力(变)最大的位置为荷载作用面中心处。3.2机场与公路加铺结构对比分析3.2.1垂直荷载影响对比分析本文选取B747-400为设计飞机，其起落架构型较为复杂，在此对其进行简化，仅分析某一主起落架双轴双轮荷载作用下加铺层的受力响应。由于B747-400飞机荷载与汽车标准轴载大小及作用形式的差异，其作用于加铺结构的受力响应也有所不同，在此通过两者的对比分析得出其相同及不同之处，并对机场加铺结构组合形式进行合理推荐。该机场及某高速公路路面加铺结构压应力（变）、剪应力（变）、路表弯沉分析结果如图3.5～3.8及表3.3所示。0.00.00.10.20.30.40.50.6-0.5深度（m）B747-400-1B747-400-2BZZ-100-1应BZZ-100-2力-1.0（MPa）-1.5-2.0-2.5图3.5压应力(σz)随深度的变化从图3.5可以看出：(1)从路表面开始向下，机场和公路加铺结构层内始终处于受压状态，路表压应力最大，并且随着深度增加逐渐减小；36 第三章基于行驶特性的加铺结构力学响应(2)机场与公路加铺结构相比，加铺结构内压应力显著增加，机场上面层平均压应力为1.375MPa，而公路上面层平均压应力仅为0.694MPa，前者为后者的1.98倍；机场下面层平均压应力为1.248MPa，而公路下面层平均压应力仅为0.568MPa，前者为后者的2.20倍。这种巨大的压应力及压应力比，使得机场加铺层前期压密速度呈几何倍数增长，迅速产生压密变形。(3)下面层增加2cm后，机场与公路加铺层上面层内压应力几乎没有变化，下面层的压应力均有所减小，机场下面层平均压应力减小了3%，而公路下面层平均压应力减小了8%。5000.00.10.20.30.40.50.6深度（m）应B747-400-1变-50B747-400-2（10BZZ-100-1-5BZZ-100-2）-100-150-200图3.6压应变(εz)随深度的变化从图3.6可以看出：(1)从路表面开始向下，机场与公路加铺层内压应变逐渐增大，下面层应变达到最大，且处于相对平缓阶段。(2)机场与公路加铺结构相比，加铺结构内压应变显著增加，机场上面层平均压应变-5-5为70.4×10，而公路上面层平均压应变仅为35.2×10，前者为后者的2倍；机场下面-5-5层平均压应变为85.3×10，而公路下面层平均压应变仅为48.2×10，前者为后者的1.77倍。机场加铺层底压应变为水泥混凝土层表压应变的30倍左右，这种应变的严重不协调性会对加铺层内变形起到催化作用，从而使加铺层在早期使用阶段就出现问题。(3)下面层增加2cm后，机场与公路加铺层上面层内压应变变化较小；下面层的压应变则有所减小，机场下面层平均压应变减小了2.0%，而公路下面层平均压应变减小了6.6%。37 长安大学硕士学位论文0.3B747-400-1B747-400-20.2BZZ-100-1BZZ-100-20.1应力（MPa0.00.00.10.20.30.40.50.6）-0.1深度（m）-0.2-0.3-0.4图3.7剪应力(τxz)随深度变化2000.00.10.20.30.40.50.6-20深度（m）B747-400-1B747-400-2BZZ-100-1-40应BZZ-100-2变（10-60-5）-80-100-120图3.8剪应变(εxz)随深度的变化从图3.7及3.8可以看出：(1)从路表面开始向下，机场和公路加铺层内剪应力及剪应变值均逐渐增大，在某一深度达到峰值，然后开始逐渐较小。(2)上面层剪应力及剪应变随深度增加增长速率较快，在上面层底部下面层表面达到峰值；在5～10cm深度处，剪应力及剪应变处于平缓阶段，随深度增加有小幅度减小，说明加铺层在此范围内所受的平均剪应力及剪应变最大，最容易产生剪切破坏及永久变-5形。机场加铺结构上面层平均剪应力及剪应变为0.266MPa和44.34×10，公路加铺结-5构上面层平均剪应力及剪应变为0.16MPa和26.58×10，前者为后者的1.7倍；机场加38 第三章基于行驶特性的加铺结构力学响应-5铺结构下面层平均剪应力及剪应变为0.32MPa和66.96×10，公路加铺结构下面层平均-5剪应力及剪应变为0.14MPa和29.38×10，前者为后者的2.3倍。前者相比后者，加铺层受剪切产生相同流动变形的作用次数将显著降低，使用寿命也将显著降低。(3)下面层增加2cm后，上面层剪应力（变）几乎没有变化，下面层剪应力（变）有-5略微减小，机场加铺层最大剪应力及剪应变分别由0.324MPa、67.74×10减小到-50.315MPa、65.60×10，减小了2.8%和3.2%，说明增加面层厚度可以降低层内剪应力（变），但具体变化规律还需进一步研究。表3.3加铺层表最大弯沉(Uz)结构B747-400-1B747-400-2BZZ-100-1BZZ-100-2弯沉/0.01mm78.1279.4215.9416.08从表3.3中可以看出，随加铺层厚度的增加其弯沉略有增大，但根据相关文献可知半刚性基层沥青路面的路表弯沉随沥青层厚度的增加而逐渐减小，出现这种差别的原因是水泥混凝土道面沥青加铺层的下卧层为刚性材料，巨大的模量差异导致其弯沉主要为沥青加铺层产生，且其厚度的增大使得整体抗变形能力略有降低，从而导致弯沉相应增大；同时可以看出机场加铺层路表弯沉远大于公路加铺结构，约为其5倍。通过对机场与公路路面典型加铺结构应力应变分析可以看出：(1)机场道面加铺层内的压应力（变）、剪应力（变）及路表弯沉远大于公路路面加铺结构，在较高的应力水平下荷载疲劳作用次数一般将呈幂函数形式降低，所以随着机场交通量的快速增长，加铺结构使用寿命受到严峻考验。(2)机场与公路加铺结构的最大剪应力均处于加铺层5～10cm深度处，较大的剪应力会造成此处在高温季节首先发生侧向流动变形，从而使其成为永久变形的主要贡献层位。所以，应从改变结构组合及改善面层材料性能来减小面层应力应变及变形，提高加铺层结构的使用寿命和使用性能。3.2.2水平荷载影响对比分析飞机在道面上行驶时，道面结构不仅有垂直荷载作用，而且还会受到水平荷载的作用。通常，机轮在滚动状态下，其水平荷载很小，仅为0.01～0.02P(P为主起落架单轮荷载)；机轮制动或驱动状态下，其水平荷载则会显著增大，在平行滑行道或跑道缓慢制动下，其水平荷载在0.2P左右，而在跑道上高速行驶状态下制动时，其水平荷载可达到0.5P以上。同样，汽车在交叉口等处缓慢制动时其水平制动力在0.2P(P为单轮荷39 长安大学硕士学位论文载)左右，在紧急刹车时水平制动力也可达到0.5P。在此较大的水平荷载作用在沥青加铺结构上时，加铺层内的水平拉应力及剪应力急剧增大，从而造成推移、拥包等变形类破坏。随着大型宽体飞机的不断增加，水平荷载引起的加铺层水平剪切破坏已经越来越突出，有必要对沥青加铺层在水平荷载作用下的力学响应及永久变形进行研究，从而对现有沥青加铺结构设计进行指导或建议。此处，公路加铺结构选取为上节中的SMA-13+AC-20(4cm+7cm)，机场加铺结构选取为上节SMA-13+AC-20(5cm+8cm)，水平荷载选取为0.0P、0.2P、0.5P，计算指标为Y向主应力σy和水平剪应力τyz，应力云图如图3.9和3.10所示。BZZ-100-0.0PB747-400-0.0PBZZ-100-0.2PB747-400-0.2PBZZ-100-0.5PB747-400-0.5P图3.9水平荷载对σy影响40 第三章基于行驶特性的加铺结构力学响应BZZ-100-0.0PB747-400-0.0PBZZ-100-0.2PB747-400-0.2PBZZ-100-0.5PB747-400-0.5P图3.10水平荷载对τyz影响从图3.9和3.10可以看出，对于σy来说，在没有水平荷载时，加铺层各层均处于受压状态；而在有水平荷载后，在轮胎后方道面表层首先产生了拉应力，并且随着深度的增加而逐渐减小；随着水平荷载的逐渐增大，拉应力也将逐渐增大，并且影响范围逐渐从表层延伸到加铺结构整个深度范围内。对于τyz来说，在没有水平荷载时，剪应力位于轮胎前后两侧区域；有水平荷载后，轮胎前侧剪应力逐渐增大，而后侧剪应力逐渐减小；随着水平荷载的逐渐增大，剪应力作用区域在轮载作用区域附近逐渐扩展，并且最大剪应力由层位中间区域逐渐向层表移动。由此可见，水平荷载对加铺结构内的应力分布影响显著，随着水平荷载的增大，其加铺层表将处于不利受荷位置。41 长安大学硕士学位论文为了定量分析水平荷载对σy(正为拉，负为压)及τyz的影响，将上面层及下面层顶、底处的应力汇总，如表3.4和3.5所示表3.4水平荷载对σy(MPa)影响水平荷载0.00.20.5系数BZZ-100B747-400BZZ-100B747-400BZZ-100B747-400上面顶-0.454-0.708-0.511(0.144)-0.936(0.254)-0.680(0.337)-1.367(0.730)层底-0.246-0.456-0.246-0.623-0.356(0.129)-0.860(0.251)下面顶-0.083-0.320-0.110-0.524-0.157(0.027)-0.610(0.180)层底-0.080-0.332-0.001-0.503-0.013-0.533(0.030)表3.5水平荷载对τyz(MPa)影响水平荷载0.00.20.5系数BZZ-100B747-400BZZ-100B747-400BZZ-100B747-400上面顶0.0830.1490.1470.2800.3090.658层底0.1630.2610.2130.3750.2890.583下面顶0.1410.2240.1770.3220.2320.515层底0.0810.2010.1050.2720.1420.517从表3.4和3.5可以看出，随着水平荷载的增大，加铺层内最大拉应力σy和最大剪应力τyz均逐渐增大，水平荷载增大到0.5P时，BZZ-100与B747-400作用下分别增大49.8%、93.1%和89.6%、152.1%，可见水平荷载对其影响显著，尤其是对水平剪应力的影响。BZZ-100与B747-400作用下相比，不仅在无水平荷载时B747-400作用下拉应力σy和剪应力τyz远大于BZZ-100，而且随着水平荷载的增加，B747-400作用下增长幅度也较BZZ-100更为显著。在此双重不利因素影响下，机场加铺层内很容易出现纵向弯拉及剪切疲劳破坏，或者在高温季节出现推移、拥包等病害。对最大拉应力及剪应力出现的层位的应力沿道面纵向的分布情况进行汇总，如图3.11～3.14所示。42 第三章基于行驶特性的加铺结构力学响应0.4BZZ-100-0.0PBZZ-100-0.2P0.2BZZ-100-0.5P0.0012345应Y向距离(m)力(MPa)-0.2-0.4-0.6-0.8图3.11BZZ-100作用下σy沿道面纵向的分布1.0B747-400-0.0PB747-400-0.2PB747-400-0.5P0.5应0.0力(MPa)012345Y向距离(m)-0.5-1.0-1.5图3.12B747-400作用下σy沿道面纵向的分布43 长安大学硕士学位论文0.4BZZ-100-0.0PBZZ-100-0.2P0.3BZZ-100-0.5P0.2应力(MPa)0.10.0012345Y向距离(m)-0.1-0.2图3.13BZZ-100作用下τyz沿道面纵向的分布0.8B747-400-0.0PB747-400-0.2PB747-400-0.5P0.60.4应力(MPa)0.20.0012345Y向距离(m)-0.2-0.4图3.14B747-400作用下τyz沿道面纵向的分布从图3.11～3.14中可以看出，无水平荷载时，BZZ-100和B747-400作用下，纵向拉应力呈对称分布，BZZ-100出现一处峰值区域，而B747-400出现两处峰值区域，且B747-400作用下的峰值区域范围远大于BZZ-100；随着水平荷载的增大，不仅最大应力值显著增大，而且应力峰值区域向水平荷载作用方向一侧移动。无水平荷载时，BZZ-100和B747-400作用下，纵向剪应力呈反对称分布，BZZ-100出现两处峰值区域，而B747-400出现四处峰值区域；随着水平荷载的增大，最大剪应力同样也在逐渐增大的同时峰值区域也逐渐扩展，从轮胎两侧逐渐扩展到轮胎整个区域范围内。44 第三章基于行驶特性的加铺结构力学响应综上所述，水平荷载对沥青加铺结构内尤其是道面表层的应力响应影响显著，从而导致公路加铺结构在道路交叉口、停站口等处使用寿命急剧下降，出现推移、拥包等病害。同理，跑道起降区域的机场加铺层在机场制动及驱动力作用下，同样会产生较大的永久变形破坏，而且机场加铺结构所受应力及其增长幅度和影响区域均远大于公路路面加铺结构，从而更容易引起大范围的早期变形病害。所以对于机场道面加铺结构跑道及平行滑行道等区域来说，一方面要保障面层材料尤其是上面层材料具有足够的抗剪强度，另一方面要保障良好的层间接触状况。3.3机场加铺结构静力响应从上一节分析中可知面层表层在跑道起降段容易产生推移变形，中下层位所受竖向剪应力及剪应变较大而容易产生侧向流动变形，同时飞机在平行滑行道上经常处于停滞等待状态，本节基于此研究在不同轴载、温度及下面层模量下加铺结构的静力响应；并分析设置应力吸收层厚度及模量对加铺层受力影响，来推荐合理的材料及加铺结构。3.3.1轴载影响规律随着我国航空事业的迅猛发展，越来越多的机型投入到运行使用中，其胎压变化从0.9MPa到1.5MPa分布广泛，且飞机在滑行、起飞、着陆及空机等状态下，其重量及轴载都有所不同，以B747-400为例，其最大滑行重量为3978kN，最大起飞重量为3969kN，最大着陆重量为2858kN，空机重量则为1827kN。所以，有必要对不同轴载作用下，加铺结构内的受力响应规律进行分析，来评定轴载对加铺层的影响。所以，本节分析主起落架单轮轮载从150kN起以30kN逐渐递增到300kN后加铺结构的力学响应规律。计算参数不变，采用西北某机场SMA-13+AC-16(5cm+8cm)组合形式。随单轮轮载变化，加铺结构内压应力（变）、剪应力（变）及路表弯沉如图3.15～3.19及表3.6所示。45 长安大学硕士学位论文0.0200.00.20.40.6深度（m）150kN0-0.5180kN0.00.20.40.6210kN240kN-20深度（m）150kN压-1.0270kN压180kN应300kN应210kN力变-40240kN（MPa-1.5（10270kN-5-60300kN））-2.0-80-2.5-100-3.0-120图3.15不同轮载下压应力(σz)随深度变化图3.16不同轮载下压应变(εz)随深度变化0.320150kN180kN0.2210kN0240kN0.10.00.20.40.6270kN300kN-20深度（m）150kN剪0.0剪180kN应应0.00.20.40.6210kN力深度（m）变（MPa-0.1（10-40240kN-5270kN-0.2300kN））-60-0.3-80-0.4-0.5-100图3.17不同轮载下剪应力(τxz)随深度变化图3.18不同轮载下剪应变(εxz)随深度变化表3.6不同轮载下最大压应力（变）、剪应力（变）及路表弯沉轮载/kN150180210240270300压应力/MPa0.891.071.251.431.601.78-5压应变/1053.6764.4075.1485.8796.60107.34剪应力/MPa0.200.240.280.320.360.40-5剪应变/1041.6750.0058.3466.6775.0183.34弯沉/0.01mm50.4660.5570.6480.7390.82100.9046 第三章基于行驶特性的加铺结构力学响应1.8120压应力(MPa)剪应力(MPa)1.6110压应变(10-5)应1.4剪应变(10-5)100变弯沉(0.01mm)（10应1.290-5力（MPa）1.080弯沉）0.870（0.01mm0.6600.450）0.240150180210240270300轮载（kN）图3.19不同轮载下最大压应力（变）、剪应力（变）及路表弯沉从图3.15～3.19及表3.6中可以看出：(1)加铺层内最大压应力（变）、剪应力（变）及路表弯沉均随轮载的增加而呈线性增长。最大压应力位于上面层表面，最大压应变、剪应力及剪应变均位于下面层表面。-5当轮载从150kN增大到300kN时，其最大压应力（变）由0.89MPa（53.67×10）增加-5-5到1.78MPa（107.34×10），最大剪应力（变）由0.2MPa（41.67×10）增加到0.4MPa-5（83.34×10），路表弯沉从50.46(0.01mm)增大到100.90(0.01mm)，各项指标均增加了100%。(2)随着轮载的增加，加铺层内应力应变增加幅度不随深度的变化而变化。但是轮载的增加对旧水泥混凝土板的影响较小，尤其是压应变及剪应变，几乎没有影响。由此可见，大型飞机荷载作用下，沥青加铺层更容易出现压密及剪切变形，从而更早出现压密轮辙和流变轮辙。这种大型重载飞机的发展速度将越来越快，加铺结构应从材料及结构方面考虑来适应这种机型发展的趋势，延长道面使用寿命。3.3.2温度影响规律沥青混合料内温度的变化，对其材料性能及参数影响十分显著，本小节主要定量分析温度变化对加铺结构力学响应的影响。温度从20℃增大到50℃，间隔为10℃，材料参数参见表2.9。不同沥青混合料温度下加铺结构压应力（变）、剪应力（变）及路表弯沉变化如图所示3.20～3.24及表3.7所示。47 长安大学硕士学位论文0.01000.00.20.40.6深度(m)0-0.50.00.20.40.620℃深度(m)-10030℃压-1.040℃压20℃应50℃应-200力(MPa)变(1030℃40℃)-5-300-1.550℃-400-2.0-500-600-2.5图3.20不同温度下压应力(σz)随深度变化图3.21不同温度下压应变(εz)随深度变化0.25020℃30℃00.140℃0.00.20.40.650℃-50深度(m)0.0剪-10020℃0.00.20.40.6剪应深度(m)应30℃力(MPa)-150-0.1变(1040℃)-5-20050℃-0.2-250-300-0.3-350-0.4-400图3.22不同温度下剪应力(τxz)随深度变化图3.23不同温度下剪应变(εxz)随深度变化表3.7不同环境温度下最大压应力（变）、剪应力（变）及路表弯沉温度/℃20304050压应力/MPa1.4011.4001.3991.398压应变/10-5154.525214.245308.872486.700剪应力/MPa0.2890.2780.2680.260剪应变/10-5119.588155.881213.205320.912弯沉/0.01mm89.7397.94110.70134.5748 第三章基于行驶特性的加铺结构力学响应1.66001.4500压应力(MPa)1.2应剪应力(MPa)1.0压应变(10-5)400变(10剪应变(10-5)-5应)0.8弯沉(0.01mm)300力(MPa)弯沉0.6200（0.01mm0.41000.2）0.0020304050温度(℃)图3.24不同环境温度下最大压应力（变）、剪应力（变）及路表弯沉从图3.20～3.24及表3.7可以看出：(1)加铺层内压应力、剪应力随着温度的升高而略有降低，温度从20℃升至50℃，应力分别减小0.2%和10%，所以温度对应力影响较小，尤其是压应力。并不是由于夏季高温季节沥青面层的压应力及剪应力变大而造成轮辙，而是由于其抵抗变形的能力显著降低而造成的。(2)加铺层内压应变及剪应变则随温度的升高急剧增大，温度从20℃升至50℃，应变分别增大215%和168%，所以，外界温度的升高主要影响沥青混合料的压应变及剪应变，也就是其抗变形能力。其应变多项式拟合结果分别如式(3.3)、(3.4)所示：32εz=0.008T-0.5499T+18.73T-53.37(3.3)32εxz=0.0049T-0.3351T+11.091T-7.313(3.4)(3)路表弯沉随着温度的升高而升高，温度从20℃升至50℃，其弯沉增加50%，说明加铺结构的整体抗变形能力降低，而水泥混凝土板的抗变形能力并不随温度的变化而变化，所以温度的升高主要降低的沥青层抗变形能力。根据上面的分析可以得出，夏季高温季节，在荷载作用下，并不是沥青层的应力增加而造成永久变形的累积，而是由于其抗变形能力随温度的升高而急剧下降，从而造成轮辙的产生。3.3.3设高模量沥青混凝土加铺层应力响应从上几节的分析中可以看出，加铺层下面层所受的应力、应变最大，这就要求其具有更高的强度及抵抗变形的能力，而现在普遍采用的AC混合料明显不能满足层位受力及变形的要求。高模量沥青混凝土具有较高的强度及抗变形能力，其温度敏感性也较小，49 长安大学硕士学位论文基于此，本小节主要分析下面层设高模量沥青混凝土后加铺结构内的力学响应，为加铺结构合理的结构及材料组合提供参考。下面层模量为1500～3600MPa，增量为300MPa。加铺结构的应力、应变及弯沉结果如图3.25～3.29及表3.8所示。深度(m)0-1.00.00.20.40.60.00.20.40.6深度(m)-1.1-101500MPa1800MPa-1.2-202100MPa2400MPa-1.32700MPa压压-303000MPa应应-1.4变(103300MPa力(MPa)1500MPa3600MPa1800MPa)-5-40-1.52100MPa-1.62400MPa-502700MPa-1.73000MPa3300MPa-60-1.83600MPa-1.9-70-2.0-80图3.25不同模量下压应力(σz)随深度的变化图3.26不同模量下压应变(εz)随深度的变化0.4101500MPa1800MPa0.32100MPa02400MPa0.00.20.40.60.22700MPa深度（m）3000MPa-101500MPa3300MPa1800MPa剪0.13600MPa应-202100MPa剪力2400MPa（MPa0.0应2700MPa变0.00.20.40.6（10-303000MPa深度（m））-0.1-53300MPa）-403600MPa-0.2-50-0.3-0.4-60-0.5-70图3.27不同模量下剪应力(τxz)随深度的变化图3.28不同模量下剪应变(εxz)随深度的变化50 第三章基于行驶特性的加铺结构力学响应表3.8不同模量下中面层最大压应力（变）、剪应力（变）及路表弯沉模量/MPa15001800210024002700300033003600压应力/MPa1.2351.2331.2311.2301.2281.2271.2261.226压应变/10-566.3254.2645.6939.2934.3530.4127.2124.55剪应力/MPa0.3320.3490.3640.3790.3920.4050.4170.429剪应变/10-555.3148.4443.3739.4536.3233.7531.6029.76弯沉/0.01mm77.9076.1475.1274.4974.0273.6173.2572.921.31001.180压应力(MPa)应0.9剪应力(MPa)60应变(10压应变(10-5)力(MPa)剪应变(10-5))-50.7弯沉(0.01mm)40弯沉(0.01mm)0.5200.3015001800210024002700300033003600模量(MPa)图3.29不同模量下中面层最大压应力（变）、剪应力（变）及路表弯沉从图3.25～3.29及表3.8中可以看出：(1)下面层模量的变化对下面层压应变、剪应变影响较大，对下面层剪应力影响次之，对下面层压应力几乎没有影响；对上面层压应力（变）、剪应力（变）影响也甚小。(2)下面层模量从1500MPa增加到3600MPa后，下面层压应力从1.235MPa减小到1.226MPa，减小了0.7%；上面层压应力从1.404MPa增加到1.406MPa，增加了0.1%，对上下面层压应力几乎无影响。下面层剪应力从0.332MPa增加到0.429MPa，增加了29.2%；上面层剪应力从0.294MPa减小到0.284MPa，减小了3.4%，对下面层剪应力影响远大于上面层。即，中面层模量的变化主要影响其模量提高层剪应力。-5(3)下面层模量从1500MPa增加到3600MPa后，下面层压应变从66.32×10减小到-5-5-524.55×10，减小了63.0%；上面层压应变从71.80×10减小到71.26×10，减小了0.8%。-5-5下面层剪应变从55.31×10减小到29.76×10，减小了43.1%；上面层剪应力从48.96-5-5×10减小到47.25×10，减小了3.5%。可以看出，下面层模量的变化对下面层的压应变及剪应变影响远大于上面层，即下面层模量的变化主要影响其下面层压应变及剪应变。51 长安大学硕士学位论文但是，随着下面层模量的增加其应变减小幅度逐渐减小，并且趋于平缓。模量从1500MPa增加到3600MPa，压应变减小幅度从18.2%下降到4.0%；剪应变减小幅度从12.4%降低到3.3%。从中可以看出其模量存在一个较合适的取值范围，适当增加模量对其永久变形效果明显，但是再继续增大其效果不再明显。根据上面的分析结果，对下面层的压应变及剪应变随模量变化趋势进行拟合后如式(3.5)、(3.6)所示：-93-52εz=-3×10E+3×10E-0.1216E+184.77(3.5)-93-52εxz=-2×10E+2×10E-0.065E+119.89(3.6)(4)下面层模量从1500MPa增加到3600MPa后，路表弯沉从77.90(0.01mm)减小到72.92(0.01mm)，减小了6.4%。从中可以说明，随着模量的增加，其整体抗变形能力有所提高，从而延长道面使用寿命。综上，考虑加铺层内应力、应变随模量变化下的影响，可得模量在2100～2700MPa左右时，不仅能有效减小加铺层内的剪切变形降低轮辙，还可以有较好的经济效益。3.3.4设应力吸收层加铺结构力学响应为提高机场沥青加铺层的耐久性，必须既要提高加铺层材料及结构的抗变形能力，又要提高其抗裂能力。因此，本小节对设置应力吸收层的加铺结构受力响应进行分析，并推荐合理的应力吸收层厚度及模量。首先，对应力吸收层从1cm增加到6cm的加铺结构应力应变进行分析，得出合理的应力吸收层厚度取值范围；然后，对其模量从[43]100MPa增加到600MPa下的应力应变进行分析，得出最佳的应力吸收层模量取值范围。1.应力吸收层厚度不同应力吸收层厚度下，应力应变及弯沉计算结果如图3.30～3.34及表3.9所示。0.01000.00.20.40.60深度(m)0.00.20.40.6-0.5-100深度(m)1cm1cm2cm-2002cm压3cm压-1.0应-3003cm应4cm4cm变(10力(MPa)5cm-4005cm6cm-56cm-1.5)-500-600-2.0-700-800-2.5-900图3.30不同应力吸收层厚度下压应力(σz)图3.31不同应力吸收层厚度下压应变(εz)52 第三章基于行驶特性的加铺结构力学响应0.21000.100.00.00.20.40.60.00.20.40.6深度(m)1cm剪-0.1深度(m)压-1002cm应应力(MPa)-0.21cm变(103cm-2004cm2cm-5-0.3)5cm3cm6cm4cm-0.4-3005cm6cm-0.5-400-0.6-0.7-500图3.32不同应力吸收层厚度下剪应力(τxz)图3.33不同应力吸收层厚度下剪应变(εxz)表3.9不同深度处剪应力τxz(MPa)随应力吸收层厚度变化厚度/cm0123456深度/cm00.2320.2380.2590.2770.2920.3060.31550.2980.3850.4300.4710.5060.5360.57190.3130.2740.2930.3170.3400.3620.384130.3120.2370.2290.2350.2440.2530.2700.600.550cm0.505cm0.459cm深13cm度(cm)0.400.350.300.250.200123456厚度(cm)图3.34不同深度处剪应力τxz(MPa)随应力吸收层厚度变化规律53 长安大学硕士学位论文从表3.9及图3.30～3.34可以看出：(1)应力吸收层厚度从1cm增加到6cm后，其上面层最大压应力从1.388MPa降低到1.382MPa，降低了0.4%；下面层最大压应力从1.211MPa减小到1.130MPa，降低了6.7%，应力吸收层厚度的增加主要影响下面层的压应力，对上面层压应力几乎无影响。上面层最大剪应力从0.385MPa增加到0.571MPa，增加了48.3%；下面层最大剪应力从0.311MPa增加到0.497MPa，增加了59.8%；下面层层底剪应力从不设应力吸收层时的0.312MPa，降低到设置2cm应力吸收层时的0.229MPa，降低了26.6%，但是随着应力吸收层厚度继续增加，层底剪应力则又逐渐缓慢增大。从中可以看出，应力吸收层厚度的增加对加铺层的最大剪应力有较显著的增加，对面层层底剪应力则有较明显的降低。一方面会因剪应力的增大而增加加铺层变形，另一方面面层层底剪应力的减小会增加其抗反射裂缝能力，所以需要选取合适的应力吸收层厚度，来同时保障其较好的防反射裂缝能力和抗变形能力。应力吸收层厚度在2cm厚度范围内时，加铺层底剪应力下降较快，同时考虑到应力吸收层对加铺结构整体抗变形能力的降低，应力吸收层厚度采用2cm厚度及以下为宜。-5(2)应力吸收层层厚度从1cm增加到6cm后，其上面层最大压应变从73.54×10降低-5-5-5到66.48×10，降低了9.6%；下面层最大压应变从89.04×10增加到97.51×10，增加-5-5了9.5%。其上面层最大剪应变从64.19×10增加到95.17×10，增加了48.3%；下面层-5-5最大剪应变从64.75×10增加到103.62×10，增加了60.0%。可以看出，随着应力吸收层厚度的增加，除上面层最大压应变有所降低外，下面层最大压应变及上、下面层最大剪应变都大幅增加，所以也可以看出应力吸收层厚度的增加对加铺层永久变形不利，其厚度不宜太厚。2.应力吸收层模量应力吸收层是一种低弹性模量的材料，利用其低弹性模量、高韧性来减小加铺层底应力集中而防止反射裂缝。在此，对不同应力吸收层模量下应力应变及弯沉进行分析，计算结果如图3.35～3.39及表3.10所示。54 第三章基于行驶特性的加铺结构力学响应0.01000.00.20.40.60深度(m)-0.5100MPa0.00.20.40.6-100200MPa深度(m)300MPa-200100MPa压400MPa压-1.0应200MPa应500MPa力(MPa)变(10-300300MPa600MPa-5400MPa)-400-1.5500MPa-500600MPa-600-2.0-700-800-2.5图3.35不同应力吸收层模量下压应力(σz)图3.36不同应力吸收层模量下压应变(εz)500.3100MPa200MPa00.2300MPa0.00.20.40.6-50400MPa深度(m)0.1500MPa-100100MPa剪剪0.0600MPa应200MPa-150300MPa应0.00.20.40.6变(10力(MPa)400MPa-0.1深度(m)-5-200500MPa)600MPa-0.2-250-300-0.3-350-0.4-400-0.5-450图3.37不同应力吸收层模量下剪应力(τxz)图3.38不同应力吸收层模量下剪应变(εxz)表3.10不同深度处剪应力τxz(MPa)随应力吸收层模量变化模量/MPa100200300400500600深度/cm00.2590.2400.2330.2290.2270.22550.4300.3810.3630.3530.3470.34390.2930.2740.2730.2750.2780.281130.2290.2360.2470.2580.2670.27555 长安大学硕士学位论文0.450cm5cm0.409cm13cm剪0.35应力(MPa)0.300.250.20100200300400500600模量(MPa)图3.39不同深度处剪应力τxz(MPa)随应力吸收层模量变化从图3.35～3.39可以看出：(1)应力吸收层模量从100MPa增加到600MPa后，最大压应力从1.388MPa增加到1.391MPa，增加了0.2%。上面层最大剪应力从0.430MPa减小到0.343MPa，降低了20.2%；下面层最大剪应力从0.357MPa降低到0.287MPa，降低了19.6%；而加铺层底最大剪应力从0.229MPa增加到0.275MPa，增加了20.1%。可以看出，应力吸收层模量的增加可以增加加铺结构的整体抗变形能力的同时其抗裂能力会有所下降，需要选取合适的应力吸收层模量范围。-5(2)应力吸收层模量从100MPa增加到600MPa后，最大压应变从92.41×10降低到-5-5-588.43×10，降低了4.3%；最大剪应变从74.27×10降低到59.87×10，降低了19.4%。(3)加铺层最大剪应力减小幅度从11.4%降低到0.9%，最大剪应力在应力吸收层模量大于300MPa后基本趋于平缓；层底剪应力则随模量增加基本呈线性增加。所以，随着应力吸收层模量的增加，其抗裂及抗变形效果逐渐趋于稳定。综合后，其模量取值在300MPa左右较合适。从上述分析可知，设置应力吸收层后加铺结构抗裂能力增强的同时其整体抗变形能力会降低，从而加速轮辙的产生。所以应在兼顾两者的前提下对应力吸收层的厚度及模量进行合理推荐，或者采用APP油毡等既能减小应力集中又不会降低结构整体抗变形能力的方式。56 第三章基于行驶特性的加铺结构力学响应3.4机场加铺结构动力响应对于飞机荷载在平行滑行道上停滞状态下的荷载响应，采用静力分析就可以解决问题，但是对于平行滑行道及联络道的低速慢行和跑道上的高速行驶，其荷载本身是动态荷载，需要进行动态分析。因此，本节分析在移动荷载作用下，加铺结构的力学响应。3.4.1动态分析有限元方法动态荷载的施加过程中伴随着作用时间，因此节点位移既是坐标位置的函数又是时间的函数。由于荷载与时间的相关性及节点具有速度和加速度，在进行动力分析时需要考虑惯性力和阻尼。也就是说静力分析与动态分析存在两个不同点：(1)动态分析中存在惯性力，静态分析中不存在；(2)动态分析中内力主要源于运动和结构的变形，而静态分析中的内力主要来源于结构变形。由达朗贝尔原理可知，道面结构在加入惯性力和阻尼仍处于平衡状态，由此在动载分析中，可以使用虚位位移的理论建立单元方程，从而得[44]出其整体基本方程为：M𝑢̈+𝐶𝑢̇+𝐾𝑢=𝐹(𝑡)（3.7）其中：M、𝐶、𝐾—质量、阻尼、刚度矩阵；𝑢、𝑢̇、𝑢̈—节点位移、速度、加速度矩阵；𝐹(𝑡)—动载荷。路面材料是由固体、液体、气体组成的三相混合物，阻尼是其固有的材料属性，在动载作用下固体颗粒之间、颗粒与液体之间相互摩擦而引起振动能量损耗，所以阻尼是路面结构在动载作用下能量消耗的主要原因，其来自于材料间的内摩擦，而其大小与速[45]度成正比，方向与速度相反。一般采用线性的瑞利阻尼关系式，如下所示：C=αM+βk(3.8)其中：α、β—质量、刚度阻尼系数。α和β分别体现了结构的粘性和结构阻尼分量，是固有频率与阻尼比的函数，其计算公式如下所示：2(𝜉𝑗𝜔𝑖−𝜉𝑖𝜔𝑗)𝜔𝑖𝜔𝑗α=22(3.9)𝜔−𝜔𝑖𝑗2(𝜉𝑖𝜔𝑖−𝜉𝑗𝜔𝑗)β=22(3.10)𝜔−𝜔𝑖𝑗其中：𝜉𝑖—某一振型下实际与临界阻尼之比；𝜔𝑖—某一模态下固有圆频率。57 长安大学硕士学位论文在道路结构计算中，通常取𝜉𝑖=𝜉𝑗=0.05，式(3.9)、(3.10)可以写成：2𝜔𝑖𝜔𝑗α=𝜉𝑖(3.11)𝜔𝑖+𝜔𝑗2β=𝜉𝑖(3.12)𝜔𝑖+𝜔𝑗通过模态分析得到的第一阶振型和第二阶振型计算振动方向的主振型，得到对应的固有频率，再除以2π得到固有圆频率，最后带入上式得出α和β。3.4.2材料参数本节主要体现速度对路面结构的影响，所以采用恒定荷载模拟动态荷载分析。对于有限元模型的基本假设、模型条件、边界条件与荷载作用位置等与本章前述假定相同，只是在材料参数及荷载作用方式有所差异，主要是对材料的密度和阻尼进行定义，如表[42]3.11所示。表3.11材料密度及质量阻尼系数结构层SMA-13AC-20水泥混凝土二灰稳定碎石二灰稳定砂砾参数ρ/kg/m324002300250023002200Alpha0.90.90.90.80.8为了模拟飞机驶近和驶离的过程，动荷载对某一点的作用等效为正弦分布荷载作用于该点正上方，如下所示：𝜋𝑡p(t)=Psin(3.13)𝑇𝐿T=(3.14)𝑣其中：T为荷载作用周期；L为荷载作用长度，3.1节中已经计算出B747-400机型的轮印长度为0.498m，但是，为了方便计算，在此取为0.5m；v为行驶速度，m/s。本节采用ABAQUS中的动力显式分析动荷载作用下的路面结构动力响应，为了节省计算时间，同时避免计算过程中出现应力集中现象，本节采用三维八节点六面体单元(C3D8)。在动力显式分析中的相互作用模块中，没有Foundation模块，所以在此土基建立实体模型，厚度取为3m，模量为100MPa，泊松比为0.4。模型边界条件为X方向（垂直于行驶方向）无X向位移，Y方向（行驶方向）无Y向位移，基础底面固定。分别计算速度为5m/s、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s和50m/s下加铺结构荷载受力响应，其58 第三章基于行驶特性的加铺结构力学响应作用时间分别为0.1s、0.05s、0.025s、0.0167s、0.0125s及0.01s。3.4.3单次荷载作用下动力响应本小节主要分析飞机在不同行驶速度下的单次荷载作用下加铺结构动力响应，计算结果如图3.40～3.44所示。0.20.00.000.020.040.060.080.100.12-0.2t(s)5m/s-0.410m/s压20m/s应-0.630m/s力(MPa)40m/s-0.850m/s-1.0-1.2-1.4-1.6图3.40单次荷载作用下加铺层内最大压应力(σz)历时曲线0.00.000.020.040.060.080.100.12-0.1t(s)5m/s剪10m/s-0.2应20m/s力(MPa)30m/s-0.340m/s50m/s-0.4-0.5-0.6图3.41单次荷载作用下加铺层内最大剪应力(τxz)历时曲线59 长安大学硕士学位论文40200压0.000.020.040.060.080.100.12应变(10-20t(s)5m/s10m/s-520m/s)-4030m/s40m/s-6050m/s-80-100图3.42单次荷载作用下加铺层内最大压应变(εz)历时曲线00.000.020.040.060.080.100.12-10t(s)-205m/s-30剪10m/s应-4020m/s变(1030m/s-50-540m/s)-6050m/s-70-80-90-100图3.43单次荷载作用下加铺层内最大剪应变(εxz)历时曲线000.020.040.060.080.10.12t(s)-205m/s-40弯10m/s沉(0.01mm)20m/s-6030m/s40m/s-8050m/s-100-120图3.44单次荷载作用下路表弯沉(Uz)历时曲线从单次荷载作用下沥青加铺层内最大应力应变及路表弯沉的历时曲线可以看出：60 第三章基于行驶特性的加铺结构力学响应(1)在加载阶段加铺层内应力应变及弯沉逐渐增大，在卸载阶段则逐渐减小；速度大小对其出现的峰值的时间有所影响，速度越小峰值出现的越迟，速度越大峰值出现的时间越早；由于阻尼的影响，其弯沉峰值出现的时间并不是历时中心，而是略有延迟。(2)随着行驶速度的增加，加铺结构内最大压应力略有增加，最大剪应力有所减小，5m/s与50m/s时的压应力及剪应力分别为1.331MPa、1.346MPa和0.473MPa、0.445MPa，压应力增大了1.1%，剪应力减小了5.9%，剪应力减小幅度较压应力增大幅度大的多，说明加铺层永久变形随着速度的增加而减小。(3)随着行驶速度的增加，加铺结构内最大压应变有所增加，最大剪应变有所减小，-5-5-55m/s与50m/s时的压应变及剪应变分别为65.59×10、77.11×10和92.13×10、88.56-5×10，压应变增大了17.6%，剪应变减小了3.9%，说明随着速度的增加，加铺层初始压密阶段加快，剪切流动阶段延缓。(4)随着行驶速度的增加，加铺层路表弯沉显著降低。5m/s与50m/s时的路表弯沉分别为84.02(0.01mm)和51.97(0.01mm)，降低了38.1%，路表弯沉显著降低。与应力应变相比，行驶速度对弯沉影响更为显著。从上面可以看出，行驶速度对加铺层的影响主要体现在随着速度增加其剪切应力应变的减小及路表弯沉的显著降低。上节中对加铺层在荷载、模量、温度等影响因素下应力应变随深度变化规律及路表弯沉进行了研究，在不同速度下其应力应变随深度的变化规律基本一致，只是数值上的差异，所以不再赘述。在此，仅对其最大剪应力(变)、压应力(变)随荷载、模量、温度变化的变化规律进行研究，即主要分析不同速度下加铺层最大剪应力(变)、压应力(变)在不同荷载、下面层模量及温度下的变化曲线。3.4.4速度-荷载影响分析不同速度及荷载下加铺层内最大剪应力、剪应变及压应力、压应变如图3.45～3.48所示。61 长安大学硕士学位论文-0.2-4002040600204060速度(m/s)速度(m/s)-0.3150-60剪180150应210180-0.4力(MPa)240剪210270应-80240变(10270300-0.5300-5)-100-0.6-0.7-120图3.45不同荷载下剪应力(τxz)随速度变化曲线图3.46不同荷载下剪应变(εxz)随速度变化曲线-30-0.402040600204060速度(m/s)速度(m/s)-40-0.6-50压-0.8150压150应180应-60180力(MPa)-1.0210变(10210240-5-70240270)270-1.2300-80300-1.4-90-1.6-100图3.47不同荷载下压应力(σz)随速度变化曲线图3.48不同荷载下压应变(εz)随速度变化曲线从图3.45～3.48可以看出：(1)加铺层最大剪应力及剪应变随单轮轴载的增大而呈线性增长，荷载增大1倍其剪应力及剪应变也增大1倍；但任一单轮荷载下加铺层内的最大剪应力及剪应变则均随行驶速度的增大而逐渐减小，减小幅度不随单轮荷载大小的变化而变化。在行驶速度低于10m/s的低速慢行状态下，剪应力及剪应变变化较为平缓；在行驶速度在10～40m/s时，剪应力及剪应变降幅较大，速度每增加10m/s，分别降低1.9%、1.5%；速度在40m/s以上后，平均剪应力及剪应变随速度增大增加幅度逐渐减缓到趋于平稳，每增加10m/s，降幅为0.9%、0.02%。50m/s高速行驶下不同荷载下的平均剪应力、剪应变分别较的5m/s慢速行驶下降低5.8%、3.9%。(2)加铺层下面层表压应力及压应变随着单轮轴载的增大而呈线性增长，且其增长速率不随速度的变化而变化；任一单轮荷载下加铺层内的最大压应力及压应变均随行驶62 第三章基于行驶特性的加铺结构力学响应速度的增大而增大，增大幅度不随单轮荷载的变化而变化。在行驶速度低于10m/s的低速慢行状态下，压应力及压应变变化较平缓；速度在10～40m/s之间时，压应力及压应变增大幅度较大，速度每增加10m/s，分别增加2.4%、6.4%；在行驶速度在50m/s以上时，压应力及压应变增幅较为平缓并逐渐趋于稳定，速度每增加10m/s，分别增加0.4%、1.2%。可以看出压应力压应变随速度变化呈“S”型曲线变化，在较低及较高速度下均存在极限稳定阶段。从上面可以看出，速度和荷载对剪应力剪应变及压应力压应变存在一定的影响，因此对于大型宽体飞机，主要是在低速慢行下剪应力及剪应变较大，导致路面结构在较少作用次数下产生较大的永久变形。3.4.5速度-模量影响分析不同速度及下面层模量下加铺层最大剪应力(变)及压应力(变)如图3.48～3.50所示。-40-0.4002040600204060-0.421500-45速度(m/s)1500速度(m/s)-0.441800-50180021002100剪-0.462400-552400应剪2700力(MPa)-0.482700应变(10-60-0.50-5-65-0.52)-70-0.54-75-0.56-0.58-80-0.60-85图3.49不同模量下剪应力(τxz)随速度变化曲线图3.50不同模量下剪应变(εxz)随速度变化曲线-1.00002040600204060-1.02速度(m/s)1500-10速度(m/s)15001800-1.0418002100-202100压-1.062400压2400应应-3027002700力(MPa)变(10-1.08)-5-40-1.10-50-1.12-1.14-60-1.16-70图3.51不同模量下压应力(σz)随速度变化曲线图3.52不同模量下压应变(εz)随速度变化曲线63 长安大学硕士学位论文从图3.49～3.52可以看出：(1)不同行驶速度下，最大剪应力及剪应变随着下面层模量的增大分别增大和减小，且随着模量的增长其增加及降低幅度越来越小。模量从1500MPa增大到2700MPa，每增加300MPa的剪应力应变平均增加及降低幅度从4.4%、12.7%降低到2.8%、6.2%。任一模量下加铺层最大剪应力及剪应变均随行驶速度的增大而减小，在行驶速度低于10m/s的低速慢行状态下，剪应力及剪应变随速度变化较为平缓；速度从10m/s增加到40m/s时，剪应力及剪应变随速度增大降幅较大，速度每增加10m/s，平均应力应变分别降低1.8%、1.6%；在行驶速度在50m/s以上时，应力应变增幅逐渐趋于平缓，速度每增加10m/s，增幅分别为1.1%、1.0%。50m/s高速行驶下不同模量下的平均剪应力、剪应变分别较5m/s慢速行驶下的降低6.4%、5.0%。(2)不同行驶速度下，下面层内最大压应力及压应变随着下面层模量的增大而减小，且随着模量及速度的增长其降低幅度越来越小。在5m/s时，模量从1500MPa增大到2700MPa，每增加300MPa的压应力应变降幅从1.1%、21.2%降低到0.7%、8.5%；在50m/s时，模量从1500MPa增大到2700MPa，每增加300MPa的压应力应变降幅从0.9%、20.2%降低到0.6%、8.0%。任一模量下加铺层下面层表压应力及压应变均随行驶速度的增大而增大，在行驶速度低于10m/s的低速慢行状态下，压应力及压应变随速度变化较为平缓；速度从10m/s增加到40m/s时，压应力及压应变随速度增大增幅较大，速度每增加10m/s，平均应力应变分别增加2.2%、8.0%；在行驶速度在50m/s以上时，压应力及压应变增幅逐渐趋于平缓，速度每增加10m/s，增幅分别为0.7%、2.5%。从上面的分析结果可以看出，不同模量下，速度对压应力剪应力的影响较小，对压应变剪应变的影响较大；同样，在不同速度下，模量对压应力剪应力影响较小，对压应变剪应变影响较大。因此，可以通过提高面层模量来降低其应变的方式来缓解飞机荷载在低速慢行状态下造成的剪应变的增大，从而提高其抗变形能力。3.4.6速度-温度影响分析不同速度及温度下加铺层最大剪应力、剪应变及压应力、压应变如图3.53～3.56所示。64 第三章基于行驶特性的加铺结构力学响应-0.32002040600204060速度(m/s)-50速度(m/s)-0.34-10030℃30℃剪40℃剪-15040℃50℃应应-0.3650℃力(MPa)60℃变(10-20060℃-5)-250-0.38-300-350-0.40-400-0.42-450图3.53不同温度下剪应力(τxz)随速度变化曲线图3.54不同温度下剪应变(εxz)随速度变化曲线-1.14002040600204060速度(m/s)-50速度(m/s)-1.1630℃30℃-10040℃40℃50℃压-1.1850℃-15060℃应压力(MPa)60℃应-200变(10-1.20-250)-5-300-1.22-350-400-1.24-450-1.26-500图3.55不同温度下压应力(σz)随速度变化曲线图3.56不同温度下压应变(εz)随速度变化曲线从图3.53～3.56可以看出：(1)不同行驶速度下，加铺层下面层表压应力随温度的升高而增加，剪应力则随温度的升高而降低，且随着温度的升高增加及降低幅度降低，温度从30℃增加到60℃下，每增加10℃，压应力平均增幅从2.2%降低到1.6%；剪应力平均降幅从4.8%降低到4.2%。不同温度下，随行驶速度的增加，压应力逐渐增大，剪应力则逐渐减小，速度在10m/s以下的低速慢行状态，压应力及剪应力处于较平缓阶段，变化较小；在10～40m/s的行驶速度下，压应力增加幅度较大，每增加10m/s，平均增加幅度为1.0%，在50m/s以上时逐渐平缓，增幅降为0.2%；在10～50m/s的行驶速度下，每增加10m/s，剪应力平均降低1.2%。65 长安大学硕士学位论文(2)不同行驶速度下，加铺层下面层表压应变及剪应变随温度的升高而显著增加，且随着温度的升高增加幅度逐渐增大，温度从30℃增加到60℃下，每增加10℃，压应变平均增幅从42.1%增加到124.7%；剪应变平均增幅从28.7%增加到82.7%。不同温度下，随行驶速度的增加，压应变逐渐增大，剪应变则逐渐减小，速度在10m/s以下的低速慢行状态，压应变及剪应变处于较平缓阶段，变化较小；在10～50m/s的行驶速度下，每增加10m/s，压应变平均增幅为1.5%，剪应变平均降幅为0.9%。从上面的分析结果可以看出，温度的升高使加铺层应变显著升高，抗变形能力显著降低；对加铺层应力影响则相对较小。在高温及低速慢行的极限不利状态下，其应力应变将显著升高，如在温度为60℃、速度为5m/s下的剪应变为温度为30℃、速度为50m/s下的2.6倍。综上所述，沥青加铺层在荷载增大1倍、温度由20℃升高到50℃及50m/s高速降到5m/s低速的三相耦合作用下剪应力、剪应变及弯沉变为原来的1.91倍、5.58倍及9.26倍，处于极限不利受力状态。材料模量、厚度及应力吸收层的合理设置可以改善其受力状态，从而延长道面使用寿命。综合考虑后认为，下面层模量(双层结构)在2100～2700MPa；应力吸收层厚度在1～2cm，模量在300MPa左右或者采用APP油毡、土工布等防反措施较为合理。联络道与跑道加铺结构所受环境温度及荷载基本相同，但行驶速度差异较大，假定其行驶速度分别为5m/s和50m/s，均为5cmSMA-16+8cmAC-20。则前者较后者剪应力、剪应变分别增加6.1%、4.0%。厚度增加2cm后，剪应力及剪应变分别降低2.8%、3.2%，可见不同区域厚度2cm的差异虽然能减小其力学响应，但是效果不佳，而继续增加厚度又会影响其经济性。将前者下面层模量变为2100MPa(20℃)的同时后者不变，则其剪应力较后者升高22.1%，剪应变则降低30.8%。说明采用此种结构组合后，其剪应变显著降低，也就是抗变形能力显著提升，同时模量增大后抗剪强度的增强也会延缓其剪应力增大对结构的不利影响。所以，平行滑行道、联络道下面层适宜采用高模量沥青混合料，来提高其抗变形能力，延缓其轮辙的产生及发展。3.5本章小结本章采用三维有限元方法，首先对设计飞机(B747-400)荷载作用下加铺结构内压应力(变)、剪应力(变)及路表弯沉与公路加铺结构在标准轴载(BZZ-100)作用下受力响应进行对比分析；然后结合机场道面结构不同区域受力特点分别分析了加铺结构在静载及在不同行驶速度下各指标随荷载、温度、模量等因素作用下的受力影响规律。主要得出以66 第三章基于行驶特性的加铺结构力学响应下结论：(1)通过机场与公路加铺结构受力响应对比分析可得，垂直荷载作用下机场加铺层内应力应变为公路加铺结构的2倍左右，路表弯沉为5倍左右；路表0cm处压应力最大，压应变、剪应力及剪应变在5～10cm深度内处于高值区。水平荷载作用下机场加铺层内最大σy和τyz为公路加铺结构的1.6倍以上，且随水平荷载从0.0P增大到0.5P，其最大σy和τyz分别增大了4.5倍和2.5倍，最大τyz逐渐上移至路表，而应力高值区从轮胎作用区域四周扩展到整个区域范围内。可以看出，机场与公路加铺结构材料与结构组合形式基本相同，但前者受力远大于后者，造成严重的早期变形破坏。说明，现有加铺方式不满足大型飞机荷载与环境的综合作用。(2)通过对不同荷载、温度、模量及应力吸收层厚度与模量下的受力响应进行分析，得出以下结论：荷载增大1倍后，其压应力（变）、剪应力（变）及弯沉呈线性增大1倍。温度从20℃升高到50℃，压应力及剪应力变化较小，减小0.2%和10%；压应变、剪应变及弯沉则显著增大，增大215%、168%及50%，说明温度主要通过影响沥青混合料的抗变形能力来影响其永久变形特性，可以通过降低材料温度敏感性来提高其抗轮辙性能。下面层模量从1500MPa增加到3600MPa后，剪应力增加29.2%，压应变降低63.0%，剪应变降低43.1%，但变化幅度逐渐趋于缓和，综合分析模量在2100～2700MPa较为合适。随应力吸收层厚度增大最大剪应力基本呈线性增大，层底剪应力则先显著降低后缓慢增加，在2cm左右时最小；随应力吸收层模量的增加最大剪应力逐渐减小，层底剪应力则缓慢增大；说明应力吸收层可以有效防止反射裂缝，但会降低道面结构整体抗变形能力，综合分析认为应力吸收层厚度在1～2cm，模量在300MPa左右较为合理，或者采用APP油毡、土工布等方式降低反射裂缝的发生及发展。(3)单次荷载作用下，加载阶段加铺层内应力应变及弯沉逐渐增大，卸载阶段则逐渐减小；应力应变及弯沉呈“S”型变化趋势，速度越小越不利，在v＜10m/s的低速及v＞40m/s的高速行驶状态下，其值均趋于稳定。50m/s高速下的剪应力剪应变及弯沉较5m/s下降低5.9%、3.9%和38.1%。67 长安大学硕士学位论文第四章基于粘弹性的加铺结构永久变形数值模拟上一章已经对机场加铺结构的静力及动力学响应进行了详细分析，得出了机场平行滑行道、联络道及跑道的受力特点。本章基于粘弹性理论采用数值模拟的方式，首先分析机场沥青加铺结构随荷载、温度及行驶速度的变化规律，然后分析不同材料类型及厚度组合下平行滑行道、联络道及跑道永久变形特性，得出适用于不同行驶特性的加铺结构材料及厚度组合。4.1沥青混合料粘弹性力学特性4.1.1力学性能基本元件材料的基本元件包括以虎克体为代表的弹性元件、以牛顿体为代表的粘性元件、以[46]圣维南体为代表的塑性元件，三者之间的串并联可以表征材料不同的流变模型。1.弹性元件理想的弹性元件用弹簧代表，以σ代表正应力，ε代表正应变，E代表杨氏弹性模量；τ代表剪应力，γ代表剪应变，G代表剪切弹性模量。则其应力应变关系表示为：σ=Eε或τ=Gγ(4.1)由上式可以看出，理想的弹性元件应力应变瞬时发生，且不随时间的变化而变化。即其σ与ε或τ与γ的值一一对应，如果σ或τ保持一定，ε或γ将也保持一定，如图4.1所示。2.粘性元件粘性元件采用粘壶表征，σ代表正应力，ε代表正应变，𝜀̇代表正应变速率；τ代表剪应力，γ代表剪应变，𝛾̇代表剪应变速率。粘性元件可由下式中的应力与应变速率之间的关系表征：σ=κ𝜀̇或τ=η𝛾̇(4.2)其中：κ—拉伸/压缩粘滞系数；η—剪切粘滞系数。从中不难看出，粘性元件的σ或τ与𝜀̇或𝛾̇一一对应，与ε或τ无直接关系。如果粘性元件在时间t＜0时保持静止，且粘性元件没有瞬时应变，在t＞0时受到某一定值应力𝜎0𝜏0σ0或τ0作用时，对(4.2)式积分可得ε=或γ=，如图4.2所示。𝜅𝜂3.塑性元件68 第四章基于粘弹性的加铺结构永久变形数值模拟如图4.3所示，固结于杆A的滑块，与杆B之间有摩擦力，其最大值为f。当拉力σ＜f时，ε=0；当σ达到f时，ε可为任意值，直到∞。因此，只要塑性元件发生形变，总有σ=f。σσσσEkσσ=σ0H(t)σσAt1ttBεεε=σ0t/ησt1tt图4.1弹性元件图4.2粘性元件图4.3塑性元件4.1.2沥青混合料粘弹性模型建立沥青混合料的材料模型需遵循两个原则：(1)在模型中要较好的体现材料力学特性；(2)简单直观、便于应用。常用的沥青混合料力学模型有麦克斯维尔模型、开尔文模[46]型、伯格斯模型、修正的伯格斯模型。1.麦克斯维尔模型麦克斯维尔模型—串联组合弹性与粘性元件，如图4.4所示。由于是串联，弹性元件和粘性元件所受的应力都为σ，其总应变ε为弹性应变ε1和粘性应变ε2两者之和，即：σ=E𝜀1(4.3)σ=κ𝜀2̇(4.4)ε=𝜀1+𝜀2(4.5)将式(4.3)、(4.5)对t进行微分，联立式(4.4)，得：𝜎𝜎̇+=𝜀̇(4.6)𝜅𝐸微分方程(4.6)称为麦克斯维尔流变方程，其同时具有弹性和粘性。在t=0瞬时加载，以后应力σ保持常量σ0，故𝜎̇=0，求解式(4.6)可得麦克斯维尔蠕变方程：𝜎0𝜎0ε=+𝑡(4.7)𝐸𝜅69 长安大学硕士学位论文𝜎0𝜎0在加载到t1时卸载，弹性应变消失，塑性变形𝑡1保存下来。由于粘壶的串联，𝐸𝜅在任意小的应力作用下，变形将无限增大，且只存在弹性及粘性变形，因此，麦克斯维尔体实质上是液体，不同于沥青混合料的变形特性。通过把许多麦克斯维尔模型并联，可得到广义的麦克斯维尔模型，调整广义麦克斯维尔模型的粘性或弹性参数，可避免应力长期作用下应变无限增长的现象，但是该模型描述的蠕变过程是一稳定流动过程，并不适用于描述蠕变过程。2.开尔文模型开尔文模型是将弹性与粘性元件并联组合而成，如图4.4所示。两元件的应变ε相同，所以系统总应力σ等于弹性元件和粘性元件σ1和σ2之和，即，开尔文的流变方程为：σ=Eε+κ𝜀̇(4.8)在t=0时作用不变正应力σ0，由于粘壶不可能发生瞬时变形，在t=0时，ε=0，可得开尔文蠕变模型：𝜎0−(𝐸𝜅)𝑡ε=(1−𝑒)(4.9)𝐸在应变ε0后卸载，则σ=0，由式(4.9)可得：ε=𝜀𝑒−(𝐸𝜅)𝑡(4.10)0不难看出此种模型能很好体现材料粘弹性特性但不能表征材料的瞬时弹性应变，并且加载一定时间后的变形在卸载后会完全恢复，这也与沥青混合料变形特性有很大不同。把多个开尔文模型串联起来后可以组成广义的开尔文模型，通过改变广义开尔文模型中某一个开尔文模型的参数，可以消除在瞬时加载情况下没有瞬时应变发生的现象。σσEEkkσσ图4.4麦克斯维尔及开尔文模型70 第四章基于粘弹性的加铺结构永久变形数值模拟3.伯格斯模型伯格斯模型是将麦克斯维尔模型和开尔文模型串联，是现阶段使用较为广泛的粘弹性模型，如图4.5所示。假定麦克斯维尔模型和开尔文模型的应变分别为ε1和ε2，则伯格斯模型的应变ε为两者之和，假定伯格斯模型的总应力为σ，则：𝜎𝜎̇+=𝜀1̇𝜅1𝐸1σ=E2ε2+κ2𝜀2̇(4.11)ε=𝜀1+𝜀2从而得到伯格斯模型的流变模型为：𝜅1𝜅1+𝜅2𝜅1𝜅2𝜅1𝜅2σ+(+)𝜎̇+𝜎̈=𝜅1𝜀̇+𝜀̈(4.12)𝐸1𝐸2𝐸1𝐸2𝐸2式中：𝜅1、𝜅2、𝐸1、𝐸2均为流变学参数。在t=0时作用不变正应力σ0，解微分方程，得伯格斯模型对应的蠕变方程：𝐸21𝑡1−𝑡ε=𝜎0[++(1−𝑒𝜅2)](4.13)𝐸1𝜅1𝐸2在t0时刻卸载，由(4.13)得其卸载方程为：𝐸2𝐸2𝑡01−𝜅2𝑡0−𝜅2(𝑡−𝑡0)ε=𝜎0[+(1−𝑒)𝑒](4.14)𝜅1𝐸2可以看出此模型可以很好表征材料短期粘弹性特征，但不能体现出沥青混合料的长期固结效应。造成这种情况的原因是：材料永久变形被表征成与时间正相关而与粘度负相关线函数，粘性变形随时间增加不断增大。为了弥补伯格斯模型的不足，将模型中表征粘性流动变形的外部粘壶元件扩展为广义粘壶，如图4.6所示。其粘度为：𝜅=Ae−Bt(4.15)1蠕变方程为：−𝐵𝑡𝐸211−𝑒1−𝑡ε=𝜎0[++(1−𝑒𝜅2)](4.16)𝐸1𝐴𝐵𝐸2在t0时刻卸载，其卸载方程为：1−𝑒−𝐵𝑡01−𝐸2𝑡−𝐸2(𝑡−𝑡ε=𝜎[+(1−𝑒𝜅20)𝑒𝜅20)](4.17)0𝐴𝐵𝐸2可以看出，虽然粘度随时间的延长而增大，但变形增量却逐渐降低，应变增量在时间趋于无穷大时趋于零，从而使应变趋于一定值，能较好的表征沥青混合料的变形特性。71 长安大学硕士学位论文1k22Ekσσ1E图4.5伯格斯模型2k三单元模型Bt1𝜅1=AeE2σE外置粘壶图4.6修正的伯格斯模型4.1.3ABAQUS粘弹性蠕变模型沥青混合料是一种变形特性依赖于温度、应力及时间的黏弹塑性材料。采用修正的伯格斯模型可以很好的反应沥青混合料的粘弹性特性，但是ABAQUS中并没有直接表征修正的伯格斯模型的参数，需要开发子程序，由于时间限制，与有限元数值模拟结合的实现过程较为困难。根据有关资料中采用的ABAQUS自带的时间硬化蠕变模型与蠕变试验进行对比，发现模拟结果与实测结果基本吻合，最终模拟的蠕变结果误差在5%以内。可见采用ABAQUS中自有的时间硬化蠕变模型模拟沥青加铺层永久变形是可行可信的，因此本章采用ABAQUS中的时间硬化蠕变模型来对沥青加铺层的轮辙特性进[42]行研究。沥青混合料的蠕变变形εcr通常用以温度T、应力q和时间t表示的函数来表征，即：εcr=f（T，q，t）(4.18)ABAQUS中一般采用Bailey—Norton蠕变模型分析材料的蠕变模型。假定材料所受的应力保持恒定，那么其时间硬化蠕变模型可以表示为：C2C3εcr=C1qt(4.19)其中:q和t表示应力和时间，C1、C2和C3是依赖于温度的材料模型参数，通过实验来确定。在式（4.19）中，假定q不随时间t而变化，则有：𝜕𝜀𝑐𝑟𝑑𝜀𝑐𝑟𝐶2𝐶3−1𝜀𝑐𝑟̇===𝐶1𝐶3𝑞𝑡(4.20)𝜕𝑡𝑑𝑡72 第四章基于粘弹性的加铺结构永久变形数值模拟令A=C1C3，n=C2，m=C3-1，则有𝜀̇=A𝑞𝑛𝑡𝑚（4.21）𝑐𝑟上式即为ABAQUS中的时间硬化蠕变模型，A和n、m为材料模型参数。一般情况下，A，n＞0；-1＜m≤0。4.2加铺结构永久变形数值模拟4.2.1材料参数及模型确定采用ABAQUS模拟沥青加铺层的永久变形与第三章中模型的主要不同点是材料参数，水泥混凝土板及基层材料参数随温度变化影响较小仍采用第三章所述参数；而沥青混合料属于温度敏感性材料，需要确定其不同温度下的弹性参数及蠕变参数。所以，本[47]节针对沥青混合料进行蠕变及抗压回弹模量试验，确定其材料参数。采用万能试验机对尺寸为直径D=100mm，高h=100mm的沥青混合料试件进行蠕变试验，具体试验步骤如下：(1)将试件放入选定温度的环境箱中，恒温保持4h以上，保证试件内外温度均匀；(2)在加载前，用石膏对试件端部找平，确保端面平整；(3)为防止局部受力影响试件变形，试件两端放置聚四氟乙烯薄片后将试件放置在压头上，在试件左右安装好卡规；(4)对试件施加预载0.003MPa，维持10min，保证压头与试件充分接触，防止偏心受压；(5)对试件进行一系列压强(0.1MPa,0.2MPa,0.3MPa,0.4MPa,0.5MPa)，加载60min，然后卸载10min；(6)进行数据处理通过蠕变试验得到变形与试件的关系，对蠕变应变εcr、时间t及相应应力σ取对数，通过多元线性回归得到所需沥青混合料的蠕变参数A、n、m。由于试验条件的限制，在[48,49]此采用相关文献中的沥青混合料蠕变参数，如表4.1所示。本节考察沥青加铺结构在厚度、材料、荷载、温度、行驶速度及作用次数下的变形特性进行分析，为机场道面加铺结构及材料选取提供依据。实际荷载作用是一个重复加载的过程，但是有关资料表明，多次加载卸载和相同时间的连续加载对永久变形的影响误差很小，故采用一次加载卸载的方式计算荷载重复作用产生的轮辙，加载时间随荷载作用次数和飞机行驶速度决定。73 长安大学硕士学位论文表4.1沥青混合料弹性参数及蠕变参数2混合料类型温度/℃模量/MPa泊松比μAnmR2015000.256.54E-110.94-0.590.9333011040.303.33E-90.86-0.590.946SMA-13408230.351.45E-80.79-0.580.942506050.401.39E-60.52-0.530.9242012000.254.58E-110.94-0.600.926308830.302.46E-90.80-0.590.923AC-20406580.353.67E-80.77-0.570.936504840.404.80E-60.58-0.530.8492021500.253.70E-110.92-0.580.9383014680.302.12E-90.86-0.580.921HMAC409480.351.24E-80.83-0.560.906506880.409.67E-70.50-0.520.802第三章中荷载位置选取为纵缝边缘中部，主要考虑是此处作用下旧水泥混凝土板为最不利受力位置，现在主要研究沥青加铺层的永久变形特性，而荷载作用在不同位置处对沥青层的变形特性影响较小，同时考虑到第三章中的三维模型计算需要较长的计算时间，对计算机的要求也较高。所以，本节不考虑接缝的影响，采用的计算模型为原有模型的一半，荷载作用位置为模型中心处，如图4.7所示。图4.7网格划分有限元模型4.2.2加铺层永久变形规律本节仍采用第三章的路面结构形式SMA-13+AC-20(5cm+8cm)，分析在B747-400设74 第四章基于粘弹性的加铺结构永久变形数值模拟计飞机荷载以5m/s速度行驶及前述不同层位温度作用下采用数值模拟方式加载50000次后沥青加铺层的永久变形规律。沥青加铺层在飞机荷载反复作用下，发生侧向剪切流动变形，如图4.8所示为沥青加铺层在飞机荷载作用50000次后的蠕变变形，而图4.9则为沥青加铺层永久变形沿道面横向分布规律。图4.8飞机荷载作用下加铺层蠕变变形（放大5倍）0.901050.8500.80012345上轮-5X向距离(m)下0.75辙(mm)层-10变0.70形比-150.65-200.60010002000300040005000-25作用时间(s)图4.9沿道面横向加铺层变形规律图4.10变形比随作用时间变化规律从图4.8及4.9可以看出：(1)飞机荷载作用下荷载作用中心处永久变形量最大，随着距离荷载中心距离越远其变形量也越小直至趋于零；(2)原有旧混凝土板刚度较大且随温度的升高变化很小，在荷载作用下只有弹性变形且弹性变形较小，永久变形仅集中在沥青加铺层内；(3)由于受到剪切应力的作用，沥青层产生剪切侧向流动，加之旧混凝土面层刚度较大变形很小，阻断了永久变形向下扩展的空间，只能向两侧及自由面流动，从而导致轮隙处和轮缘外侧产生明显的向上隆起现象，且侧向流动隆起的高度远大于柔性基层路面。对加铺层各层永久变形所占比例随作用时间变化曲线进行分析，如图4.10所示。从75 长安大学硕士学位论文图中可以看出，下面层永久变形比上面层永久变形大，但随着作用时间的增长，其上下面层永久变形比逐渐降低并趋于平缓；荷载作用100次时变形比为0.68，荷载作用50000次后变形比为0.83。这主要是由于下面层所受的剪切应力较大，在荷载作用初期下面层首先发生剪切流动变形，所以在整个荷载作用周期内下面层永久变形占比较大；但是旧水泥混凝土板刚度较大，沥青层向下变形发展受到限制，只能侧向流动产生隆起，从而对下面层永久变形发展受到一定限制，同时上面层增长幅度变大，所以随着作用时间的增加上下层永久变形比逐渐增加并趋于平缓。353.30绝对轮辙A隆起轮辙B3.2530相对轮辙C3.20253.15轮20A/B辙(mm)3.10153.05103.0052.952.900010002000300040005000010002000300040005000作用时间(s)作用时间(s)图4.11轮辙随作用时间变化规律图4.12A/B随作用时间变化曲线分别采用A、B、C代表绝对轮辙、隆起轮辙及相对轮辙，对荷载作用下永久变形随作用时间的变化规律及三者之间的关系比例进行研究，如图4.11及4.12所示。从图中可以看到：(1)绝对轮辙、隆起轮辙和相对轮辙均随作用时间的增长呈幂指数形式增加，且相对轮辙为绝对轮辙与隆起轮辙之和；荷载作用50000次后，三者分别为22.11mm、7.49mm及29.60mm。对相对轮辙随作用时间的变化规律进行回归分析，可得出其回归方程为0.41992RD=0.8473×t，其中RD为轮辙量(mm)，t为作用时间(s)，相关系数R=0.9996，证明其相关性很高。(2)绝对轮辙与隆起轮辙之比(A/B)随作用时间的增长逐渐减小，而且降幅逐渐减小；标准荷载作用100次时其比值为3.24，作用50000次后为2.95，每作用100次的降幅则从0.0157变为0.0001，基本趋于稳定。4.2.3速度-荷载影响飞机荷载的大小对轮辙形成影响较大，尤其是在高温低速条件下，轮辙会迅速增加。76 第四章基于粘弹性的加铺结构永久变形数值模拟随着我国航空事业的迅猛发展，大型宽体飞机越来越多，有必要对荷载影响下的永久变形特性进行研究。为此，分别研究速度为5m/s、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s、50m/s下，荷载在150～270kN（30kN逐级递增）时的沥青加铺层永久变形规律。结果见表4.2～4.4及图4.13、4.14。表4.2不同速度下相对轮辙C(mm)随荷载变化荷载/kN150180210240270速度/m/s522.7725.2827.6529.8831.971017.3119.2421.0222.7424.342012.9714.4515.8017.1018.323010.9612.2213.3714.4715.51409.7310.8511.8712.8613.79508.879.8910.8311.7312.58表4.3不同速度下绝对轮辙A(mm)随荷载变化荷载/kN150180210240270速度/m/s517.1418.9520.6922.3123.831013.0514.4715.7817.0418.21209.8010.8911.8912.8513.75308.299.2210.0810.9011.67407.368.198.979.7010.38506.727.488.198.859.49表4.4不同速度下隆起轮辙B(mm)随荷载变化荷载/kN150180210240270速度/m/s55.636.336.967.578.15104.264.775.245.706.13203.173.563.914.254.57302.673.003.293.573.84402.372.662.903.163.41502.152.412.642.883.0977 长安大学硕士学位论文35303025255m/s5m/s10m/s2010m/s轮2020m/s轮20m/s辙(mm)辙(mm)30m/s1530m/s40m/s1540m/s50m/s1050m/s105500150180210240270300150180210240270300荷载(kN)荷载(kN)图4.13相对轮辙随速度荷载变化规律图4.14绝对轮辙随速度荷载变化规律从表4.2～4.4及图4.13、4.14中可以看出：在不同行驶速度下，永久变形随着荷载的增大基本呈线性增大，且随速度的降低其增加幅度略有增加，荷载从150kN增加到270kN后，其相对轮辙在5m/s、10m/s、20m/s、30m/s、40m/s、50m/s下分别增长40.40%、40.61%、41.25%、41.51%、41.73%、41.83%；其绝对轮辙分别增长39.03%、39.54%、40.31%、40.77%、41.03%、41.22%。在不同荷载下，永久变形随速度降低则呈指数增长，速度从50m/s减小到5m/s后，其相对轮辙平均增加了155.2%，绝对轮辙平均增加了152.7%。在实际情况中，大型宽体飞机在平行滑行道及联络道的行驶速度较别小型及中型飞机更低，在重载及低速作用下，加铺层永久变形将显著增大，假定大型飞机单轮荷载为240kN、速度为5m/s，小型飞机单轮荷载为150kN、速度为10m/s，则在50000次作用后，前者永久变形为后者的1.73倍。所以，荷载对加铺层轮辙影响显著，在进行加铺结构设计时，必须考虑低速重载条件下加铺层的轮辙损害。4.2.4速度-温度影响沥青混合料是粘弹性材料，其弹性参数及蠕变参数随温度的变化而变化，从而影响其抗变形能力。本节主要研究不同速度下温度对沥青加铺层永久变形的影响规律。其中速度变化同上节所述，温度变化为20～50℃(10℃逐级增长)。结果如表4.5及图4.15、4.16所示。78 第四章基于粘弹性的加铺结构永久变形数值模拟表4.5不同速度下轮辙(mm)随温度的变化温度/℃20304050速度/m/sABCABCABCABC50.150.040.191.760.682.447.842.6610.5022.117.4929.60100.120.030.151.350.511.865.932.007.9316.985.6622.64200.090.030.121.030.381.414.461.505.9612.724.2016.92300.080.020.100.880.321.203.781.265.0410.753.5214.27400.0760.020.0960.790.281.073.361.114.479.543.1112.65500.070.020.090.720.260.983.061.024.088.692.8311.5230255m/s5m/s10m/s10m/s2520m/s20m/s2030m/s30m/s40m/s40m/s2050m/s50m/s轮15轮辙(mm)辙(mm)15101055002030405020304050温度(℃)温度(℃)图4.15相对轮辙随速度温度变化规律图4.16绝对轮辙随速度温度变化规律从表4.5及图4.15、4.16中可以看出：温度对沥青加铺层轮辙深度有显著的影响，在不同行驶速度下，随温度的升高其轮辙深度基本呈幂函数形式增加；以5m/s时的速度为例，温度为20℃时其相对轮辙深度仅为0.19mm，但温度增长到50℃时轮辙深度将达到29.60mm，后者为前者的156倍，这种巨大的差异将会导致沥青混合料在较高温度下迅速产生轮辙破坏，在此速度下其回-85.52092归方程为RD=1×10T，R=0.9949。从上面分析可得沥青加铺层永久变形的产生及增长主要集中在夏季炎热季节，春冬季节基本不会产生轮辙变形。不同温度下，速度对轮辙深度也会产生较大影响，但是这种影响主要体现在所在温度下的同一数量级的变化。例如在5m/s和50m/s下，随温度变化前者加铺层轮辙深度均为后者的2～3倍，可以看出荷载、速度等因素对加铺层永久变形的影响主要体现在加速轮辙的产生及增长；而温79 长安大学硕士学位论文度对加铺层的影响则主要体现在沥青混合料的温度敏感性上，材料对温度越敏感，其永久变形越大。4.3加铺结构合理厚度及材料类型推荐通过不同行驶速度下的力学响应可以看出，加铺层最大剪应力及剪应变出现在下面层，且随着速度的降低而逐渐增加；提高下面层材料模量后，其剪应力略有增加但剪应变会显著降低，说明其抗变性能力有所改善。通过对加铺层永久变形特性及随速度变化的变形规律研究后，可以看出永久变形随作用时间呈幂指数增长，且下面层永久变形所占比例较大；不同荷载及温度下，随速度的降低永久变形均显著增加，且荷载越大、温度越高越不利。温度受外界环境的影响，荷载受机型及起降状态影响，速度则受飞行区不同区域的影响，三者均为外部影响因素而不能人为改变，但可以控制的是加铺结构材料类型及结构组合形式等内在影响因素。由此可以看出，沥青加铺层的抗轮辙性能受到材料性能及结构组合形式两方面的制约，合理的结构组合形式能够显著提高路面的整体抗变形能力，基于此本节结合飞行区不同区域行驶特性对合理的加铺结构组合形式及厚度进行研究。4.3.1加铺结构合理组合形式本节所采用的材料类型为SMA-13、AC-20及HMAC三种沥青混合料，组合形式分为4种组合形式：SMA-13+AC-20、双层SMA-13、SMA-13+HMAC及双层HMAC具体如表4.6所示。表4.6路面结构组合厚度/cm组合1组合2组合3组合45SMA-13SMA-13SMA-13HMAC8AC-20SMA-13HMACHMAC38旧水泥混凝土板18二灰稳定碎石18二灰稳定砂砾四种结构组合下，数值模拟相对轮辙随行驶速度的变化规律如图4.17所示。80 第四章基于粘弹性的加铺结构永久变形数值模拟3530RD1=57.878v1-0.412组合1R²=0.999725组合2组合320RD2=46.485v2-0.41轮R²=0.9987组合4辙(mm)15乘幂(组合1)乘幂(组合2)10乘幂(组合3)RD3=44.786v3-0.4265R²=0.9992乘幂(组合4)RD4=36.408v4-0.444R²=0.997400102030405060速度(m/s)图4.17不同结构组合下轮辙随速度变化规律从图4.17可以看出四种结构组合下轮辙深度随速度的增加呈幂指数函数降低，尤其是在低于10m/s的低速慢行状态下，其永久变形量处于较高水平，不同速度下各结构组合的回归方程分别为：-0.412RD1=57.878v1(4.22)-0.410RD2=46.485v2(4.23)-0.426RD3=44.786v3(4.24)-0.444RD4=36.408v4(4.25)可以看出其相关系数都在0.99以上，有很高的相关性。基于此，针对飞行区不同区域的行驶特性对各结构组合在平行滑行道、联络道及跑道上的永久变形曲线进行分析对比。飞机在平行滑行道的行驶状态为低速慢行或者停滞状态，假定飞机在平行滑行道上的行驶速度为5m/s，一次作用时间为0.10s；每次平均停滞等待时间为5min，滑行道长度为3000m，则一个轮印长度的停滞时间平均为0.05s，飞机在平行滑行道上一次总作用时间为0.15s。飞机在联络道上处于低速慢行状态，假定其平均行驶速度为5m/s，一次作用时间为0.10s。飞机在跑道上处于高速行驶状态，假定其平均行驶速度为50m/s，则一次作用时间为0.01s。B747-400飞机荷载作用50000次下在滑行道、联络道、跑道上的总作用时间分别为7500s、5000s和500s。在上述四种结构组合方案下，飞行区不同区域加铺结构的永久变形规律如表4.7～4.9及图4.17、4.18所示。81 长安大学硕士学位论文表4.7不同结构组合下平行滑行道轮辙变化轮辙/mm绝对轮辙隆起轮辙相对轮辙结构组合组合126.829.0935.91组合220.917.4628.37组合319.727.126.82组合415.875.4821.35表4.8不同结构组合下联络道轮辙变化轮辙/mm绝对轮辙隆起轮辙相对轮辙结构组合组合122.117.4929.60组合217.736.324.03组合316.595.9722.56组合413.294.5417.83表4.9不同结构组合下跑道轮辙变化轮辙/mm绝对轮辙隆起轮辙相对轮辙结构组合组合18.692.8311.52组合26.952.409.35组合36.232.238.46组合44.841.586.424030组合135组合2组合1组合325组合230组合3组合4组合42025轮轮辙(mm)辙(mm)20151510105500平滑道联络道跑道平滑道联络道跑道图4.17飞行区不同结构组合下相对轮辙图4.18飞行区不同结构组合下绝对轮辙82 第四章基于粘弹性的加铺结构永久变形数值模拟从表4.7～4.9及图4.17、4.18中可以看出：(1)四种路面结构组合中抗轮辙性能最好的是组合4，该结构采用双层高模量沥青混合料；抗轮辙性能最差的为组合1，该结构上面层采用SMA，下面层采用AC，是目前最常用的结构组合形式。以组合1为基准，组合2及组合3为增强下面层组合方式，组合2平行滑行道、联络道及跑道相对轮辙深度分别为组合1的79.0%、81.2%和81.2%；组合3平行滑行道、联络道及跑道相对轮辙深度分别为组合1的74.7%、76.2%和73.4%。可以看出加强下面层抗轮辙性能能显著提高加铺层整体抗变形能力，且高模量沥青混合料较SMA效果更好。组合4为全结构加强方案，平行滑行道、联络道及跑道相对轮辙深度分别为组合1的59.5%、60.2%和55.7%，可以发现该方案提升效果最为明显。(2)在飞行区不同区域，沥青加铺层轮辙深度具有显著差别，以组合1为例，平行滑行道和联络道相对轮辙深度分别为跑道的3.12倍、2.57倍。通过加强下面层及全结构抗轮辙性能后，2、3、4组合在平行滑行道上相对轮辙深度分别降低7.54mm、9.09mm、14.56mm，联络道上分别降低5.57mm、7.04mm、11.77mm，跑道上分别降低了2.17mm、3.06mm、5.10mm。可见加强结构抗轮辙性能后，对滑行道及联络道轮辙深度降低最为明显，且全结构加强较下面层加强降低幅度更大。《民用机场道面评价管理技术规范》(MH/T5024-2009)对轮辙损坏程度的规定如表4.10所示，从中可以看出轮辙损害程度分为轻微、中等、严重三个等级。跑道在采用常用的SMA+AC的组合方式下的轮辙损坏程度为轻微，所以采用此种结构就能满足使用年限内的使用要求；联络道在常用结构组合形式下，轮辙损坏程度为严重，采用2、3、4结构组合后损坏程度降低为中等，基本满足使用要求，所以在联络道宜采用双层SMA或SMA+HMAC结构组合形式；平行滑行道在2、3结构组合下，轮辙损坏程度均为严重，采用上层高模量沥青混合料后损坏程度降为中等，说明在平行滑行道宜采用双层HMAC结构组合形式。表4.10轮辙损害程度判别标准(3m直尺法)损坏程度3m直尺间隙均值/mm轻微6～13中等13～25严重＞254.3.2合理厚度推荐从前面的分析可知，对于机场加铺结构来说，平行滑行道、联络道及跑道的永久变83 长安大学硕士学位论文形特性具有较大的差异，需要对不同区域采用不同的加铺结构组合形式。在确定好材料类型之后，需要对加铺结构的合理厚度进行研究，所以本节以SMA+HMAC双层结构组合形式或SMA+HMAC+AC三层结构组合形式为例，计算B747-400飞机荷载作用下其轮辙深度及剪应力随厚度的变化规律，得出合理的加铺层结构厚度。厚度组合方案为5cm+6cm、5cm+8cm、5cm+5cm+5cm、5cm+5cm+7cm、5cm+6cm+8cm和5cm+7cm+9cm，其总厚度从11cm增加到21cm(按2cm递增)。计算结果如图4.19及表4.11所示。表4.11不同厚度组合下相对轮辙(mm)随速度变化速度/m/s51020304050厚度组合/cm5+619.8714.9511.269.538.477.735+822.5616.7912.5010.519.308.465+5+524.5318.3213.6911.5410.229.315+5+726.1719.3414.3111.9910.589.605+6+827.1520.2715.1412.7611.3010.295+7+927.6420.6815.4713.0511.5710.54300.3211cm0.312513cm15cm0.3017cm20相19cm剪对应0.2921cm轮力(MPa)15辙(mm)0.28100.2750.260.2501113151719210204060速度(m/s)厚度(cm)图4.19不同厚度下轮辙随速度变化规律图4.20不同厚度下下面层最大剪应力变化规律84 第四章基于粘弹性的加铺结构永久变形数值模拟36RDH=-0.0837h2+3.6067h-6.0573R²=0.99853024联络道轮RDL=-0.0668h2+2.9139h-4.08辙(mm)R²=0.9998跑道18RDP=-0.0135h2+0.7157h+1.488平滑道R²=0.9917126111315171921厚度(cm)图4.21平行滑行道、联络道、跑道轮辙随厚度变化规律从表4.11及图4.19～4.21可以看出：(1)在不同行驶速度下，随着厚度的增加路面永久变形逐渐增加，面层总厚度从11cm增大到21cm后，联络道、平行滑行道、跑道永久变形分别增加了7.77mm、9.30mm、2.81mm；但是增加幅度逐渐降低并且趋于平缓，每增加2cm增幅分别从(13.5%、14.3%、9.4%)降低到(1.8%、1.6%、2.4%)。这主要是由于温度沿路面深度方向逐渐降低，而沥青混合料弹性及蠕变参数随温度变化而显著变化，从粘弹性体转变为弹性体，同时从上节的分析可知在温度降低时沥青混合料永久变形将显著降低，也就是说所增加的厚度所产生的永久变形随着其厚度增大而逐渐趋于平缓，抵抗永久变形的效果不再显著。速度的主要作用是影响其荷载作用时间，尤其是在低速慢行状态下，荷载作用时间的显著增加导致永久变形急剧增大。(2)从第三章的分析可知加铺层下面层厚度增加后，对上面层剪应力几乎没有影响，下面层剪应力则随厚度的增加而减小。从图4.20中可以看出，下面层最大剪应力随着厚度的增加基本呈线性降低，面层总厚度从11cm增大到21cm后，下面层剪应力降低了19.6%。从下面层剪应力的降低也可以看出，随着厚度的增加，下面层永久变形将逐渐趋于平缓。因此，同时从加铺结构受力、变形、飞机高速行驶下对道面的振动损伤及经济效益考虑，加铺层的设置厚度不宜过厚也不宜过薄，跑道上在15～19cm为宜，平行滑行道及联络道厚度则可适当降低至满足其功能性或结构性要求即可。其在平行滑行道、联络道、跑道上永久变形随厚度变化的回归方程为：2RDH=-0.0837h+3.6067h-6.0573,R²=0.99852RDL=-0.0668h+2.9139h–4.08,R²=0.9998(4.26)2RDP=-0.0135h+0.7157h+1.488,R²=0.99185 长安大学硕士学位论文可以看出，跑道的永久变形随厚度的增加变化幅度很小，而滑行道、联络道的轮辙变形变化较大。从材料组合和厚度组合上来说，这种结构形式对于跑道来说效果不明显且经济效益较差，所以对于跑道来说采用原有的SMA+AC的结构组合形式就可以满足要求，而平行滑行道和联络道考虑到永久变形的影响，需采用温度敏感性较低的高模量沥青混合料，所以其结构组合形式为SMA+HMAC或双层HMAC较为合理。综上所述，由于飞机在跑道上高速行驶，其加铺结构永久变形累积量较小，可见跑道上采用SMA+AC组合形式即可。飞机在平行滑行道、联络道上的低速行驶状态导致其永久变形累积量远大于跑道，通过提高其下面层模量后，其累积变形量得到显著降低。假定均采用5cmSMA+8cmAC，则50℃下50000次后平行滑行道、联络道轮辙为跑道的3.1倍和2.6倍。当前者下面层采用HMAC(20℃下模量2150MPa)后，轮辙降为跑道的2.3倍和1.9倍；下面层厚度再减小2cm后，轮辙降为跑道的2.0倍和1.7倍。当前者采用双层HMAC时，轮辙降为跑道的1.8倍和1.5倍。说明对于平行滑行道、联络道来说，采用高模量沥青混合料可以显著降低荷载长时间作用下产生的轮辙；同时，在满足结构性能或功能性能要求的前提下，可适当降低平行滑行道、联络道加铺层厚度来降低其使用期内永久变形。4.4本章小结本章首先介绍了沥青混合料的粘弹性力学特性及力学模型，确定了轮辙模拟所需的弹性及蠕变参数，并通过有限元软件建立旧水泥混凝土道面沥青加铺结构三维有限元模型分析计算轮辙变形规律。主要结论如下：(1)对机场加铺结构在设计飞机荷载作用下的永久变形规律进行了分析，得出：①混凝土板刚度太大，导致加铺层与原有道面结构整体变形协调性较差，从而加速了加铺层内永久变形的产生，且为全部产生于沥青层的失稳型轮辙；②加铺结构轮辙沿道路横向呈“W”形态分布，荷载作用中心永久变形最大，轮隙处和轮缘外侧产生隆起变形，且下面层产生的永久变形较上面层大，应通过提高下面层材料性能或结构组合形式抑制轮辙的产生。(2)通过对不同速度、荷载、温度下的永久变形规律进行研究，表明：①永久变形随速度增长呈幂函数形式降低，5m/s低速下永久变形量为50m/s下的2.63倍；②永久变形随荷载的增大呈线性增长，荷载增大一倍后，其永久变形量提高了49%；③永久变形随温度的升高而急剧增大，50℃下产生的永久变形为40℃时的2.82倍。加铺结构早期86 第四章基于粘弹性的加铺结构永久变形数值模拟出现轮辙病害的主要原因是在高温、重载及低速慢行的极限不利状态下，沥青混合料抗变形能力降低而剪应力增大，从而迅速产生剪切流动变形。外界温度、荷载及低速慢行是宏观存在而不能改变，只能通过设置合理的结构组合形式及材料类型来控制轮辙。(3)对SMA+AC、SMA+SMA、SMA+HMAC及HMAC+HMAC(其中HMAC20℃模量2150MPa)四种加铺结构组合永久变形分析表明：常用的SMA+AC在B747-400作用50000次后平行滑行道及联络道上轮辙变形分别为跑道上的3.09倍和2.54倍，此结构组合不宜用于平行滑行道及联络道上；SMA+SMA、SMA+HMAC及HMAC+HMAC相比SMA+AC，跑道、平行滑行道、联络道永久变形分别降低了(18.8%、26.6%、44.3%)、(21.0%、25.3%、40.6%)和(18.8%、23.8%、39.8%)。可见提高材料模量、降低材料温度敏感性可以很好的降低轮辙的产生及发展，从而减缓平行滑行道、联络道飞机低速行驶造成的早期破坏。(4)对不同厚度组合下的加铺结构永久变形分析表明，厚度从11cm增大到21cm后，联络道、平行滑行道、跑道永久变形分别增加了7.77mm、9.30mm、2.81mm；但是增加幅度逐渐降低并且趋于平缓，每增加2cm增幅分别从(13.5%、14.3%、9.4%)降低到(1.8%、1.6%、2.4%)；同时其下面层最大剪应力则基本呈线性降低，厚度从11cm增大到21cm后，下面层剪应力降低了19.6%。综合受力、变形及经济等因素后认为跑道加铺层厚度在15～19cm为宜，平行滑行道及联络道则应在满足功能性或结构性要求的情况下适当减薄。87 长安大学硕士学位论文第五章机场道面沥青加铺结构差异化设计方法机场道面沥青加铺结构设计面临着复杂的情况，需要具体考虑飞机在飞行区不同区域行驶特性、大型飞机荷载应力、复杂外界环境及不停航施工等问题。然而，现有的机场加铺结构设计中对这些问题考虑不足，导致局部区域轮辙病害集中，严重影响加铺结构的使用寿命。为此，本章结合加铺结构所面临的复杂条件，提出针对飞行区不同区域永久变形的加铺结构差异化设计方法。5.1国内外设计方法5.1.1我国现有民用机场道面加铺设计方法机场道面加铺包括结构性加铺和功能性加铺两类，我国民用机场沥青混凝土道面设[19]计规范规定，对于没有结构性破坏的旧水泥道面进行功能加铺时，首先对裂缝及接缝处进行防裂处置，然后加铺≮7.5cm沥青混凝土罩面，过渡段则需单独处置；而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，其沥青加铺层厚度应≮15cm，加铺设计程序为：1)原有旧水泥混凝土道面调查与评价；2)确定交通量及设计机型；3)根据调查的各段或各区K值及相关数据，计算出所需的水泥混凝土板厚度；4)确定原道面开裂程度系数F和道面状况系数Cb；5)计算需要补强厚度。补强厚度计算方式如下所示：1)当加铺厚度≤原水泥道面厚度时，计算公式为：𝑡𝐽=2.5(F∙h−𝐶𝑏ℎ𝑒)(5.1)其中：𝑡𝐽—沥青加铺厚度(cm)；F—控制原有水泥道面开裂程度系数；h—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—原有道面状况系数，范围在0.75～1.0之间；ℎ𝑒—原有道面厚度(cm)。2)当加铺厚度＞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88 第五章机场道面沥青加铺结构差异化设计方法泥道面作为高强基层。计算方式5.2所示：ℎ𝑐=𝑡𝑐−∑𝛼𝑖𝑏𝑖(5.2)其中：𝑡𝑐—换算成沥青混凝土的道面总厚度(cm)；∑𝛼𝑖𝑏𝑖—旧道面基层、垫层换算成沥青混凝土总厚度(cm)；3)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，先计算所需加铺厚度，再计算原沥青层有效厚度，最终得出所需加铺厚度，计算过程5.3所示：ℎ𝑐=𝑡𝐽−𝐶0ℎ1(5.3)其中：𝐶0—原有沥青层损坏状况系数；ℎ1—原有沥青层厚度(cm)；𝑡𝐽—所需沥青层总厚度(cm)；ℎ𝑐—需新加铺厚度(cm)。5.1.2我国军用机场道面加铺设计方法当不考虑接缝或裂缝影响时，通常采用多层弹性层状理论体系计算程序计算加铺层厚度。其设计指标为：路表弯沉、加铺层底拉应力、旧水泥板板底拉应力、土基顶面压[50,51]应变。加铺厚度计算公式为：ℎ𝑎=A𝐶𝑒(ℎ𝑁−𝐶𝑏ℎ𝑑)(5.4)其中：ℎ𝑎—加铺厚度(cm)；ℎ𝑁—所需水泥道面厚度(cm)；𝐶𝑏—旧水泥道面状况系数，处于0.75～1.0之间；ℎ𝑑—旧水泥道面厚度(cm)；𝐶𝑒—基于沥青加铺层及土基模量的参数；A—起落架构型系数，单轮为2.47，多轮为2.15。当考虑接缝及裂缝影响时，在荷载及温度应力耦合作用下，其设计指标有：加铺层底拉应力及剪应力、旧水泥板板底拉应力。加铺厚度计算方式为：ℎ𝑎=A(ℎ𝑁−𝐶𝑏ℎ𝑑)(5.5)5.1.3FAA机场道面设计方法美国联邦航空局FAA加铺结构设计方法最先采用有效厚度法，也就是我国现有加铺结构补强设计方法。随着大型宽体飞机的迅速增长，传统设计方法面对较为复杂的起落架构型及荷载分布形式所得的厚度值偏于保守，基于此FAA提出了以弹性层状体系为89 长安大学硕士学位论文理论基础，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—[52]经验设计方法，并开发了设计软件LEDFAA1.2。而后，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采用的K值，而是采用弹性模量和泊松比表征。设计程序如下：各类型飞机的参数及预测架次ni，道面各结构层Ei、μi、hi及土基模量E0层底拉应力疲劳开裂损伤预估方程荷载允许重复作用次数Ni调整厚度𝑛𝑖𝐶𝐷𝐹𝑖=𝑁𝑖𝑚𝑚𝑛𝑖CDF=∑𝐶𝐷𝐹𝑖=∑𝑁𝑖𝑖=1𝑖=10.995＜CDF＜1.005否是结束图5.1FAA设计流程从上述国内外设计方法中可以看出：我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法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90 第五章机场道面沥青加铺结构差异化设计方法性等问题，从而具有很大的灵活性和较好的适应能力。然而，这些方法并没有考虑和模拟荷载作用下加铺层变形累积过程和轮辙控制指标，同时也没有考虑机场飞行区不同区域行驶特性的不同对加铺结构内受力及变形的影响，从而造成飞行区部分区域轮辙病害严重，影响道面服务水平与使用寿命。基于此，本章以现有设计方法及有限元分析计算结果为基础，结合飞机在飞行区的行驶特性及沥青加铺层轮辙形成规律，提出以控制轮辙为目的的加铺结构不同区域差异化设计方法与指标。5.2基于行驶特性的加铺结构差异化设计5.2.1剪应力验算指标在配合比设计、材料、施工工艺满足要求的前提下，对于旧水泥混凝土道面沥青加铺层来说，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，荷载反复作用下加铺层底因剪切作用产生疲劳裂缝并逐渐向上扩展，在有水的情况下，荷载反复作用下产生的动水压力更加速了其破坏；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，而原有水泥混凝土路面为刚性材料，不发生永久变形，即所有的永久变形均产生于沥青加铺层。尤其是在低速高温重载条件下，沥青混合料的抗变形能力显著降低，从而很快产生剪切疲劳裂缝及永久变形，影响其使用性能及使用寿[48,49]命。因此，在加铺层结构设计中应充分考虑飞行区不同区域的剪切特性。初拟选定结构层材料类型及结构组合后，加铺层的厚度设计验算阶段主要考察拟定的加铺结构在设计使用期内不同机型荷载反复作用下，能否满足控制指标的要求。由此，为了控制加铺层内的反射裂缝及永久变形，引入剪应力指标作为加铺结构设计验算指标之一，初步建立抗剪强度设计标准。同时根据道面结构的实际情况，结合飞行区的行驶特性，采用数值模拟的方式分别计算在滑行道、联络道及跑道的最大剪应力τH、τL和τP作用加铺层不同区域控制指标，计算方法如第三章所述。沥青加铺层在荷载反复作用下，层内剪应力超过了其极限状态，产生反射裂缝及剪切流动变形，所以需要控制加铺层内的剪切应力。针对飞行区不同区域加铺结构材料的不同，加铺层内容许剪应力分别为τRH、τRL和τRP，而容许剪应力则是根据其所用材料的极限抗剪强度τS得到的，二者之间的关系为：𝜏𝑆𝜏𝑅=(5.6)𝐾𝑆其中：KS—道面结构安全系数，与设计使用期内荷载作用次数和所用材料有关。91 长安大学硕士学位论文由此可得，加铺结构在设计使用期内荷载反复作用下不同区域应满足以下控制指标：𝜏𝐻≤𝜏𝑅𝐻𝜏𝐿≤𝜏𝑅𝐿(5.7)𝜏𝑃≤𝜏𝑅𝑃5.2.2容许轮辙验算指标1.容许轮辙验算指标的确定对于旧水泥混凝土道面沥青加铺层的轮辙控制指标为沥青层的永久变形，由于其不属于疲劳破坏，不能采用线性叠加的原理。因此，永久变形指标仍采用设计飞机的方法进行计算。将各种机型的荷载作用次数转化为设计机型的作用次数，得出设计飞机在设计使用期内荷载作用的总的作用次数，然后结合飞行区不同区域的行驶特性得出不同区域的作用时间，再利用蠕变曲线得出不同区域的总轮辙量，最后看轮辙量是否满足轮辙控制指标的要求，如式5.8所示。𝑅𝐷𝐻≤[RD𝐻]𝑅𝐷𝐿≤[RD𝐿](5.8)𝑅𝐷𝑃≤[RD𝑃]2.容许轮辙量的确定国内外主要以舒适性和安全性作为容许轮辙评价依据和评判标准。道面积水深度≤5mm时，在一定胎压下可能出现滑滑的临界速度如式(5.9)所示。V=192.5√𝑃(5.9)其中：V—临界速度(km/h)；P—胎压(MPa)。以B747-400为例，其胎压为1.38MPa，则其安全行驶速度应＜226km/h。各机型的胎压基本都在1.00MPa以上，其最大安全行驶速度均在190km/h以上。可见即使在高速行驶的跑道中部，≤5mm的轮辙深度也不会出现漂滑。当其轮辙深度＞(10～13mm)时，跑道中部就有可能因滞水足够深而导致漂滑现象。各国对于容许轮辙的规定也不完全相同，公路方面：美国沥青协会(AI)以13mm为上限；比利时、法国对主要道路的容许轮辙深度规定为10mm，一般道路15mm；壳牌(Shell)规定高速公路为10mm，一般道路为15mm。《民用机场道面评价管理技术规范》(MH/T5024-2009)对轮辙损坏程度的规定如表4.10所示，其轮辙损害程度分为轻微、中等、严重三个等级，分别为6～13mm、13～92 第五章机场道面沥青加铺结构差异化设计方法25mm和＞25mm。可见我国规范中并没有对不同行驶速度下轮辙容许深度进行规定，从而对飞机行驶安全性造成影响。基于此，本文结合公路方面的规定建立机场飞行区不同区域容许轮辙建议值，如表5.1所示。表5.1容许轮辙建议值其他区域飞行区区域跑道平行滑行道联络道轮辙深度/mm6～13mm25～30mm通过上述容许轮辙的规定，来保障机场飞行区各个区域飞行行驶舒适性和安全性。5.2.3设计步骤在总结分析国内外机场沥青加铺层设计方法的基础上，结合我国实际情况，建立加铺结构设计新方法，具体步骤如下：1.原有水泥道面调查与评价[53,54](1)对原有水泥混凝土道面表面状况进行调查，得出各个区域PCI指数；(2)对原有道面平整度进行测试，得出各区域的平整度整体状况IRI；(3)对原有道面结构性能进行测试，得出土基反应模量及PCN值；[55](4)对原有道面进行综合评价及剩余寿命计算。2.机型及交通量分析(1)预测机场起降飞机的种类、年运行架次及交通量增长率；(2)根据机场建设要求，确定设计使用年限；(3)将各种机型作用次数转变为设计飞机作用次数；(4)计算设计飞机荷载作用形式、主起落架单轮荷载及轮胎接触面积。3.初拟加铺结构组合及厚度(1)初步拟定飞行区不同区域的结构组合、材料类型及厚度；(2)确定拟定加铺结构材料参数。[56-58]4.加铺厚度确定(1)采用有限元软件，建立道面结构数值计算模型；(2)计算道面结构力学响应及永久变形，判断不同区域加铺结构内剪应力及永久变形是否在容许范围内；(3)在容许范围内则计算结束，否则返回第三步重新设计计算直到满足要求。93 长安大学硕士学位论文机场旧水泥混凝土道面沥青加铺结构不同区域差异化设计流程如图5.2所示。旧路面调查(PCI、IRI、ISM、PCN、K0、Kj)设计基准期机型及交通量预测初拟滑行道、联络道、跑道加铺结构厚度及材料加铺层损坏控制指标重新重拟新定拟定剪应力指标容许轮辙指标有限元计算加铺设计基准期内容有限元计算设计基容许轮辙层内剪应力τ许剪应力τR准期内永久变形RD[RD]是否τ≤τRRD≤[RD]否计算结束图5.2机场加铺结构差异化设计流程5.3西北某机场差异化设计该国际机场是我国连接中亚乃至欧洲的重要交通枢纽，为中国西部大开发、开展对外经济文化交流做出了突出贡献。随着航空交通量的增长及使使用性能的下降，道面结构已不能满足使用要求，2012年对原有道面进行加铺后由于加铺结构及材料组成与环境、荷载及行驶特性的不适性，导致加铺结构很快出现轮辙病害，在2014年时平行滑行道部分区域轮辙深度已经达10cm左右。为此，提出该机场不同区域的加铺结构及材料的差异化设计。结合西北某机场原有道面的调查评价资料，以道面结构三维有限元分析为基础，选取合适的加铺结构组合及材料类型。5.3.1设计参数1.设计机型根据机场总体规划，机场飞行区等级为4E，最大使用机型为B747-400，最大起飞94 第五章机场道面沥青加铺结构差异化设计方法重量为3969kN，设计飞机当量单轮荷载参数参照第三章第一节。2.设计年限根据《民用机场沥青混凝土道面设计规范》(MH5010-1999)规定，沥青混凝土道面设计年限为15年。3.目标年起降架次《西北某国际机场总体规划》中的近期规划目标年为2020年，远期为2040年。近期2020年以飞机年起降25.1万架次进行规划，远期2040年以飞机年起降36.2万架次进行规划。本次沥青道面加铺的设计目标年为2025年，介于近期目标年和远期目标年之间，2025年机场跑道的年预测总起降架次为278750架次，则设计基准期内年平均起降架次为207170次，各机型占比及架次如表5.2所示。表5.2西北某机场年起降架次起降架次类型代表机型国内/次比例/%国际/次比例/%合计/次CB737-30097225009722CB737-8001472748000147274DB767-200147388135266028264DA3009205567683015973EB747-400368222256105938各种飞机的年运行次数可按式(5.10)换算成设计飞机的当量年运行次数：0.5lg(𝑛𝑠)𝑃𝐼=()(5.10)lg𝑐𝑛𝑖𝑃𝑠其中：𝑛𝑠，𝑃𝑠—设计飞机当量年运行次数及主起落架单轮荷载，kN；𝑛𝑖，𝑃𝐼—各种换算飞机年运行次数及主起落架单轮荷载，kN；c—主起落架轮子构型换算系数，参见表5.3。表5.3主起落架轮子构型转换系数c单轮双轮双轴双轮转换系数双轮双轴双轮单轮双轴双轮单轮双轮c0.80.51.30.62.01.7由此，可得到设计飞机B747-400的当量年运行次数为44996次，如表5.4所示。95 长安大学硕士学位论文表5.4飞机参数及年运行次数换算机型B737-300B737-800B767-200A300B747-400最大起飞重量/kN564.72790.041428.821650.003968.93主起落架荷载分配系数0.9500.9500.9500.9500.952主起落架个数22224主起落架构型双轮双轮双轴双轮双轴双轮双轴双轮主起落架单轮荷载/kN134.12187.63169.67195.94236.15主起落架轮胎压力/MPa1.401.471.241.161.38主起落架构型转换系数0.60.61.01.01.0主起落架荷载与设计荷载比值0.5680.7950.7180.8301.000运行次数972214727428264159735938换算次数68925704591267535938设计飞机当量年运行次数44996设计飞机设计基准期内累计作用次数为：0.75nwN=Ndt=301962(5.11)100T其中：N—设计飞机在设计基准期内的累计作用次数；n—任一主起落架的轮数；w—主起落架一个轮印宽度(cm)，B747-400为34.3cm；T—通行宽度(m)，取为2.3m；Nd—设计飞机年平均运行架次；t—设计年限。5.3.2加铺结构厚度及材料类型原有机场水泥混凝土道面出现的主要病害为板角断裂、表层剥落及裂缝等，跑道与各联络道的PCI等级均在中及中以上，ISM分别在1200kN/mm～1800kN/mm之间和1000kN/mm～1600kN/mm之间，PCN分别为75R/A/W/T和73R/A/W/T，可以看出原有道面主要为功能性损坏，但是为了适应航空量较快的发展需求，采用厚度补强方式对跑道加铺结构进行设计。初拟加铺厚度的方式采用如式(5.1)所示的补强厚度法：初拟水泥混凝土板的厚度为42cm，则采用规范中水泥混凝土板边应力计算方法查阅板边弯矩影96 第五章机场道面沥青加铺结构差异化设计方法响图可计算出板边应力为σe=3.76MPa，则板底计算应力σp可按式(5.12)计算：σp=(1−β)σe=2.82MPa(5.12)其中：σp—板边计算应力(MPa)；β—应力折减系数，企口缝、假缝及传力杆平缝可采用0.25。该机场飞行区指标为E，根据规范要求，其fcm采用5.0MPa，则可得设计飞机的容许作用次数Ne如式(5.13)所示：σp(14.048−15.117)Ne=10fcm=332660(5.13)则0.8≤Ne/N=1.1≤1.1，所估厚度满足要求，即，最终按设计飞机的荷载和起飞架次计算出到设计年限需要的水泥混凝土核算厚度为42cm；然后按照沥青道面加铺层的设计方法，计算出加铺层的厚度。根据原有道面检测检测结论及规范要求，系数F取为0.98，he为38cm，Cb取为0.95，可得加铺结构厚度为12.7cm；跑道中部区域he为34cm，h应为0.9×42=37.8cm，计算结果为11.9cm。飞行区不同区域轮辙变化规律如第四章所示，飞机在跑道上的行驶速度较高，大幅降低了设计基准期内荷载作用时间，从而不易产生轮辙病害，同时为了适应航空量的发展，初步选取跑道加铺厚度为13cm。跑道的上面层采用SMA-13沥青混合料，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而形成高致密、小空隙材料，从而表现出出色的抗变形能力及耐久性，延长道面使用寿命。由于飞机在跑道上的高速行驶很大程度上减小了其累积永久变形量，所以下面层则采用AC-20改性沥青混合料即可，组合形式为5cmSMA-13+8cmAC-20。在第三章的计算中可以看出随着行驶速度的降低剪应力略有增大的同时荷载作用时间也将逐渐提高，平行滑行道及联络道上的低速慢行状态将在受力及变形上处于双重不利状态，从而加速的轮辙的产生。所以，在平行滑行道及联络道上采用抗剪强度较大、温度敏感性较低的高模量沥青混合料。由于原有旧水泥混凝土道面主要为功能性损坏，且在平行滑行道、联络道加铺结构主要病害为长时间荷载作用下产生的永久变形类病害，并没有较高速度下产生的冲击力对道面加铺结构的损伤，所以平行滑行道、联络道加铺结构厚度较跑道适当减薄，采用5cmSMA-13+6cmHMAC-20。在夏季炎热季节，沥青混合料模量较低，层底应力较小而变形及自愈能力较大，较少因应力集中而引起反射裂缝的形成及发展；但冬季寒冷季节，特别是西北等严寒地带，沥青混合料模量显著升高层底应力增大的同时变形能力也明显降低，很容易产生反射裂97 长安大学硕士学位论文缝。增加沥青层厚度可以有效的减缓反射裂缝的形成和发展，但是其经济效益较差，一般不予采用；设置应力吸收层也可降低应力集中现象，但是会影响加铺结构的整体抗变形能力，从而加剧轮辙破坏；设置APP油毡或土工布不仅可以延缓反射裂缝的产生和发展，同时不会降低加铺结构的整体抗变形能力，所以在此采用此种方式对原有道面接缝或裂缝处进行处理。具体过程为：采用APP油毡对原有水泥混凝土道面所有接缝及裂缝处进行粘贴，粘贴宽度为0.5m，两边各0.25m，同时用40mm×40mm×0.3mm的[59-62]铁皮固定，保障其与原有道面粘结牢固。采用文献[26]中的方法得出该地区的年有效气温为20.99℃，但是考虑到夜间不通航及该地区夜间温度较低的特点，乘以系数1.2可得修正后的年有效气温为25.19℃。由此可得跑道5cmSMA-13+8cmAC-20中上面层有效温度为38.4℃，下面层有效温度为34.9℃；平行滑行道、联络道5cmSMA-13+6cmHMAC-20上面层有效温度为39.0℃，下面层有效温度为36.1℃。采用有限元软件对加铺层内永久变形进行验算，设计飞机B747-400设计期内累计作用次数为301962次，其在跑道上的平均行驶速度以50m/s为准，联络道上的平均行驶速度以5m/s为准，平行滑行道上的平均行驶速度以3m/s为准，则在跑道、联络道、平行滑行道上的累计作用时间为3019.6s、30196s、50327s。最终可得跑道设计使用期内轮辙为11.0mm，联络道为10.6mm，平行滑行道为13.2mm，各区域内设计使用期内永久变形满足使用要求。综上所述，在平行滑行道及联络道上采用5cmSMA-13+6cmHMAC-20结构组合形式，跑道上采用5cmSMA-13+8cmAC-20结构组合形式，接缝或裂缝处则采用APP油毡处理方式。对原有道面进行严格处理，保障原有道面与沥青加铺层的良好层间接触状况。同时，保障配合比、原材料及施工工艺的优良。5.3.3经济性分析1.道面结构材料要求及技术指标(1)沥青基质沥青采用机场道面石油沥青（AB-110），其各项技术指标应符合《民用机场沥青混凝土道面设计规范》（MH5010-1999）中的要求。(2)改姓沥青飞行区道面改性沥青改性剂采用星形SBS，嵌段比S/B为30:70（参考用量为6%）。98 第五章机场道面沥青加铺结构差异化设计方法(3)集料SMA-13型沥青混合料面层石料应采用玄武岩，其他沥青混合料中石料可采用石灰岩。粗集料应采用经锤式破碎机破碎加工而成的碎石，碎石应具有足够的强度和硬度，清洁、干燥。细集料采用石屑、机制砂或天然砂。细集料应清洁、干燥、石质坚硬、耐久无杂质。填料应采用石灰石、白云石等碱性石料加工磨细的石粉。填料要求干燥、洁净、无风化。集料质量应符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）中的要求，回收粉尘不得用做填料。(4)纤维稳定剂SMA-13沥青混合料中的纤维稳定剂采用木质素纤维。(5)抗轮辙剂考虑到机场气候条件及飞机荷载作用的影响及范围，平行滑行道、联络道下面层及跑道端部700m范围内上面层采用高模量沥青混合料，PR抗轮辙剂参考用量为沥青混合料重量的0.4%左右。2.经济性分析(1)平行滑行道、联络道原有方案与现有方案在平行滑行道及联络道最主要的区别有两点：(1)原有方案下面层厚度为8cm，现有方案为6cm；(2)原有方案下面层采用SBS改性沥青混合料，现有方案采用高模量沥青混合料。HMAC模量为2150MPa时，PR抗轮辙剂用量为沥青混合料重量的0.4%左右；原有方案中采用SBS改性沥青混合料，其SBS掺量为6%，油石比为5.0%，现在对其下面层每平米材料造价进行对比分析。2表5.5原有与现推荐方案经济性分析(元/m)22材料名称参考单价(元/T)原有方案(元/m)推荐方案(元/m)基质沥青450039.229.3SBS改性剂150008.0-PR抗轮辙剂20000-11.0集料30052.539.0合计-99.779.2差价20.522从上述每平米价格对比可以看出，现有推荐方案79.2元/m，原有方案99.7元/m。99 长安大学硕士学位论文可见，现有方案具有良好的经济效益。通过前面的力学响应及永久变形分析可以看出，下面层设置高模量沥青混合料后可以很好的降低早期轮辙病害的发展，从而使得其具有良好的耐久性。由此可得，本推荐方案具有良好的初期及长期经济效益。(2)跑道原有方案与现有方案跑道加铺材料及结构组合方式相同，飞机对跑道端部上面层产生较大的水平剪应力，所以在端部700m范围内上面层掺入PR抗轮辙剂，来增大其抗剪强度和抗变形能力。5.4本章小结本章首先调研了国内外机场道面沥青加铺结构的设计方法，综合分析了各种方法的特点，并结合我国现有民用机场加铺结构设计方法，提出了以控制轮辙为目的的机场道面不同区域沥青加铺结构差异化设计方法。(1)国内加铺结构设计方法仅是简单采用补强厚度的方式，并没有结合沥青加铺结构的受力特性进行综合设计；FAA设计方法则基于弹性层状理论体系，同时建立数值计算模型，能够很好的反映加铺结构在不同机型作用下的力学响应，具有较强的适应能力及灵活性。但是，现有的设计方法均没有对加铺结构在飞行区不同区域不同行驶特性下力学响应及变形特性进行验算。(2)基于飞机在飞行区不同区域行驶特性的不同，本文提出基于永久变形的机场道面沥青加铺结构差异化设计方法。以沥青加铺层最大剪应力及永久变形为控制指标，结合飞行区不同行驶特性，建立数值计算模型，给出加铺结构设计流程及详细步骤。(3)以西北某机场加铺工程为例，采用本文改进的加铺结构设计方法进行验算及分析。根据该机场加铺结构平行滑行道、联络道所存在的轮辙损害问题，提出平行滑行道、联络道采用5cmSMA-13+6cmHMAC-20，跑道采用5cmSMA-13+8cmAC-20的差异设计结果。100 结论及有待进一步研究的问题结论及有待进一步研究的问题主要研究结论随着我国早期修建的机场水泥混凝土道面使用性能的急剧下降，越来越多的机场道面均采用沥青加铺的方式改善道面结构性能及功能性能。但是，现有的机场沥青加铺结构设计并没有结合飞机在平行滑行道、联络道及跑道上的行驶特性，导致平行滑行道及联络道沥青加铺层局部区域在使用两三年后就会产生很大的轮辙破坏，影响其服务性能及使用寿命。基于此，本文分别从沥青加铺层的典型病害调查及变形机理分析、不同行驶状态下沥青加铺层的力学响应及永久变形、飞行区不同区域沥青加铺层结构差异化设计等方面进行了研究，得出以下结论：(1)机场加铺工程所面临的复杂条件有大型飞机荷载、交通量增加、不同区域行驶状态的差异及不停航施工。在这些复杂条件下，对加铺层结构组合及典型病害进行调查，发现各区域加铺结构组合形式基本相同，但病害多集中于平行滑行道、联络道及跑道端部，且主要为变形类破坏。同时通过对沥青加铺结构变形机理进行分析，得出沥青加铺结构的永久变形全部产生于沥青层内，且在高温、重载、低速作用下，沥青混合料的劲度模量显著下降。所以，需要对平行滑行道、联络道加铺材料抗变形能力及温度敏感性提出更高要求。基于此，提出机场旧水泥混凝土道面沥青加铺层差异化设计的概念。(2)通过对机场与公路沥青加铺结构在垂直荷载作用下的力学响应对比分析，可得压应力及压应变是产生压密变形的主要原因，而剪应力及剪应变是产生剪切流动变形的原因；机场与公路加铺结构最大压应力位于路表，而剪应力、剪应变及压应变高值区则均处于5～10cm深度处；水平荷载作用下机场加铺层内最大σy和τyz为公路加铺结构的1.6倍以上，且随水平荷载从0.0P增大到0.5P，其最大σy和τyz分别增大了4.5倍和2.5倍，最大τyz逐渐上移至路表，而应力高值区从轮胎作用区域四周扩展到整个区域范围内。(3)系统分析了在静力条件下荷载、温度、下面层模量、应力吸收层厚度及模量变化对沥青加铺结构的受力响应影响，得出随荷载增大沥青加铺层压应力（变）、剪应力（变）均呈线性增大，荷载增大1倍其应力应变及弯沉也增大1倍；温度从20℃升高到50℃后，剪应力略有降低10%，但是剪应变却急剧增大168%，表明温度的升高显著降低了沥青混合料的抗变形能力；随着下面层模量的增加，剪应力略有增加，但剪应变却大幅度减小，下面层模量从1500MPa增加到3600MPa后，剪应力增加29.2%，剪应变则降101 长安大学硕士学位论文低了43.1%，但变化幅度逐渐趋于缓和，综合分析模量在2100～2700MPa较为合适。随应力吸收层厚度增大最大剪应力基本呈线性增大，层底剪应力则先显著降低后缓慢增加，在2cm左右时最小；随应力吸收层模量的增加最大剪应力逐渐减小，层底剪应力则缓慢增大；说明应力吸收层可以有效防止反射裂缝，但会降低道面结构整体抗变形能力，综合分析认为应力吸收层厚度在1～2cm，模量在300MPa左右较为合理，或者采用APP油毡、土工布等方式降低反射裂缝的发生及发展。(4)系统分析了在不同行驶速度下荷载、温度及模量变化对加铺层受力响应的影响，随着速度的变化应力应变及弯沉呈“S”型变化趋势，在速度低于10m/s的低速慢行状态，处于较不利受力状态；在高于40m/s的高速行驶状态，则逐渐趋于平缓。50m/s与5m/s相比，剪应力剪应变及路表弯沉分别降低了5.9%、3.9%和38.1%，说明行驶速度对弯沉影响最为显著，其次是剪应力及剪应变。(5)加铺结构轮辙沿道路横向呈“W”形态分布，荷载作用中心永久变形最大，轮隙处和轮缘外侧产生隆起变形，且下面层产生的永久变形较上面层大，可通过提高下面层抗变形能力来缓解轮辙的发展。通过对不同速度、荷载、温度下的永久变形规律进行研究，表明：①永久变形随速度增长呈幂函数形式降低，5m/s低速下永久变形量为50m/s下的2.63倍；②永久变形随荷载的增大呈线性增长，荷载增大一倍后，其永久变形量提高了49%；③永久变形随温度的升高而急剧增大，50℃下产生的永久变形为40℃时的2.82倍。加铺结构早期出现轮辙病害的主要原因是在高温、重载及低速慢行的极限不利状态下，沥青混合料抗变形能力降低而剪应力增大。(6)对SMA+AC、SMA+SMA、SMA+HMAC及HMAC+HMAC(其中HMAC20℃模量2150MPa)四种加铺结构组合永久变形分析表明：常用的SMA+AC在B747-400作用50000次后平行滑行道及联络道上轮辙变形分别为跑道上的3.09倍和2.54倍，此结构组合不宜用于平行滑行道及联络道；SMA+SMA、SMA+HMAC及HMAC+HMAC相比SMA+AC，平行滑行道、联络道永久变形均显著降低，跑道永久变形降低量则相对较小。可见提高材料模量、降低材料温度敏感性可以很好的降低轮辙的产生及发展，从而减缓平行滑行道、联络道飞机低速行驶造成的早期破坏。(7)对不同厚度组合下的加铺结构永久变形分析表明，厚度从11cm增大到21cm后，联络道、平行滑行道、跑道永久变形分别增加了7.77mm、9.30mm、2.81mm；下面层最大剪应力则基本呈线性降低。平行滑行道、联络道、跑道端部与跑道中部厚度2cm的差异，虽然能够降低层内剪应力2.8%左右，但是由于行驶特性的差异尤其是跑道行驶速102 结论及有待进一步研究的问题度在平行滑行道、联络道10倍以上，并不能解决现有跑道出现的局部区域轮辙病害问题。综合受力、变形及经济等因素后认为跑道加铺层厚度在15～19cm为宜，平行滑行道、联络道在满足功能性或结构性使用要求的情况下可适当减薄。(8)结合机场道面不同区域加铺结构力学响应及永久变形特点及现有的设计方法，提出增加剪应力及容许轮辙为验算指标的机场加铺结构差异化设计方法；并以西北某机场为例进行差异化设计。进一步研究建议本文基于平行滑行道、联络道典型病害对机场沥青道面加铺结构进行了研究，取得了一些研究成果及建议，但是研究的并不够深入及全面，尚需对以下几个方面进行研究：(1)飞机起落架构型的不同会对道面力学响应产生一定的影响，本文只是针对某一起落架进行受力分析，并未考虑其叠加效应及机型影响，应针对不同机型建立全尺寸三维模型。(2)本文并未考虑层间结合状况对加铺层的受力影响，还需针对不同接触状况进行具体分析。(3)鉴于条件限制，本文并没有测定不同类型沥青混合料的蠕变参数及抗剪强度，应做进一步补充实验来更好的应用于加铺结构与材料设计中。(4)本文主要采用数值模拟方式进行受力及变形的分析，同时进行了很多简化，结果上存在一定的偏差，应结合室内足尺试验对其进行修正，从而得出适合我国工程条件、气候条件及道面结构组合的力学-经验设计方法。103 长安大学硕士学位论文参考文献[1]2014年民航行业发展统计公报[R].中国民用航空局,2015.[2]滕力鹏,谭悦,柴震林.中国机场水泥混凝土道面脱空状况分析与评价[J].中国民航大学学报,2013,06:41-45.[3]傅智.如何改善水泥混凝土路面舒适性[J].公路,2004.7:47-52[4]吕伟民.不停航机场沥青道面施工的特点[J].华东公路,1992,03:27-30.[5]林小平.复杂条件下机场跑道沥青加铺层结构设计理论与方法[D].同济大学,2007.[6]胡长顺,王秉纲.水泥混凝土与沥青混凝土复合式路面研究综述[J].中国公路学报,1994,04:33-39[7]JIWONKIM.THREEDIMENSIONALFINITEELEMENTANALYSESOFMULTILAYEDSYSTEM.ADissertationSubmittedtoUniversityofIllinoisatUrbana-Champaign.FulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophy,2000.[8]DIYARBOZKURT.THREEDIMENSIONALFINITEELEMENTANALYSESTOEVALUATEREFLECTIVECRACKINGPOTENTIONALINASPHALTCONCRETEOVERLAYS.ADissertationtoUniversityofIllinoisatUrbana-Champaign.FulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophy,2002.[9]周德云,姚祖康.机场旧混凝土道面上加铺沥青层的应力分析[J].华东公路,1991,01:15-20.[10]翁兴中.机场道面加铺沥青面层的荷载应力分析[J].中国公路学报,1994,04:20-25.[11]翁兴中,焦明声.机场水泥混凝土道面沥青薄层盖被起飞段的应力分析[J].公路,2002,10:17-20.[12]游庆龙,凌建明,赵鸿铎.考虑飞机制动力的机场沥青道面力学响应分析[J].同济大学学报(自然科学版),2012,02:223-227.[13]胡长顺,曹东伟.有防裂夹层结构的旧水泥混凝土路面沥青加铺层力学分析[J].中国公路学报,1999,S1:3-10.[14]杨斌,陈拴发,廖卫东,胡长顺.STRATA应力吸收层对加铺层荷载及温度应力的影响分析[J].公路交通科技,2005,09:27-30.[15]陈拴发,郑木莲,杨斌,王秉纲.破裂水泥混凝土路面板沥青加铺层温度应力影响因素104 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长安大学硕士学位论文攻读学位期间取得的研究成果科研项目：[1]河南省交通厅重点项目《沥青路面免压快速修复材料与技术研究》[2]西部交通科技项目《热带多雨区公路保畅快修材料开发与应用研究》发表论文：[1]李炜光,汤豆等.机场旧水泥混凝土道面沥青加铺层轮辙研究.公路.[2]汤豆,连城.SBS掺量对改性沥青及其混合料低温性能影响.内蒙古公路与运输.专利申请：[1]吕忠达,宋家乐,汤豆等.一种SBS改性沥青质量监控流动实验车.(CN204359788U)108 致谢致谢本论文是在我的导师李炜光教授的悉心指导下完成的，无论是论文的选题、框架的设计，还是最终的修改定稿，李老师都倾注了大量的心血。在学习上，导师深厚的理论素养、丰富的实践知识、敏锐的观察力，开阔了我的视野，使我的科研能力有了很大的提高；在工作上，老师平易近人、求真务实、积极进取的人生态度也深深影响着我；在生活上，李老师更是给了我无微不至的关怀。借此机会，向李老师表示衷心的感谢。三年的研究生学习期间，感谢田耀刚老师、宋家乐老师及耿九光老师在学习、工作、生活及论文写作中给予的大量帮助。同时，感谢中国民航机场建设集团西北分公司在论文调研、写作等方面给予的配合与帮助。感谢一直支持、帮助、关怀我的同学与好友，陪我度过了终生难忘的研究生生涯。感谢经冠举、李宏超、肖燕、王坤等已毕业师兄师姐在学习和生活中的帮助，感谢石帅锋、李禅禅、郑敏楠、陈楚鹏、李辉等同学在研究生三年的鼓励与帮助。在此，还要感谢306各位同门师弟师妹的关心与帮助。感谢我的父母家人，你们在我求学生涯中给予的理解与支持是我完成学业的不懈动力。学业即将完成，我将不负老师、家人、朋友的期望与鼓励，迈进人生新阶段。109
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