0 引言
白改黑加铺是在不停航要求下机场水泥混凝土道面养护的首选方案，但是，近年来很多道面加铺后，在平行滑行道、联络道及跑道上出现很多轮辙、推移及拥抱等病害，严重影响飞行安全[1].
目前机场加铺结构设计中平行滑行道、联络道、跑道的结构组合及材料类型基本相同，并没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[2]，此外，也没有考虑不同区域飞机行驶特性的不同对加铺结构内受力及变形的影响[3].基于此，针对飞机在不同飞行区的行驶特性，研究沥青加铺层的力学响应及轮辙形成规律，进而提出针对不同行驶条件下，以轮辙控制为目的的加铺结构差异化设计方法与指标.
1 应力应变分析
1.1 道面结构及材料参数
为了寻求应力、应变在加铺结构中的分布规律，采用我国某大型民用机场的道面加铺结构及材料参数，如表1所示，设计飞机采用B747-400.
表1 道面结构及材料参数
Tab.1 Pavement structure and material parameters
道面结构层厚度/cm弹性模/MPa泊松比μSMA-13上面层51 5000.25AC-20下面层81 2000.25水泥混凝土面层3834 0000.15二灰碎石上基层181 5000.20二灰砂砾下基层181 3000.25
1.2 模型尺寸及荷载作用位置
旧水泥混凝土路面板所采用的平面尺寸为板长×板宽=5 m×5 m，接缝宽度为1 cm，土基不建立实体模型采用Foundation弹性基础代替.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.按照ABAQUS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Uy=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=80 MN/m3.为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[4].
对有接缝的旧水泥混凝土板沥青加铺结构，其最不利荷位仍位于接缝处一侧板的纵向边缘中部.为缩短计算时间，在荷载作用处网格划分尺寸较细,并逐渐向边界处扩展，面层网格划分尺寸较小，向基层逐渐增大.道面加铺结构网格划分模型如图1.
图1 道面结构网格划分模型
Fig.1 Mesh model of pavement structure
1.3 参数影响分析
剪应力及剪应变是沥青加铺结构产生失稳流动轮辙和推移的主要诱因，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.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[5].在此，分析外部影响因素(大型飞机荷载、温度、行驶速度)变化时的应力应变变化规律，结果如图2～4所示.
图2 剪应力(变)随主起落架单轮轮载变化规律
Fig.2 The change law of shear(strain) with wheel load
从图2中可以看出，加铺层内最大剪应力、剪应变均随主起落架单轮轮载的增加而呈线性增长，轮载增大1倍，其剪应力、剪应变也增大1倍.
图3 剪应力(变)随温度变化规律
Fig.3 The change law of shear(strain) with
temperature
图4 剪应力(变)随速度变化规律
Fig.4 The change law of shear(strain) with speed
从图3可见，温度从20 ℃升至50 ℃，最大剪应力呈线性降低10%，但最大剪应变则呈幂函数的形式增大168%.所以，夏季失稳型轮辙是内部抵抗变形能力降低所致，改善材料的温度敏感性是延缓轮辙产生和发展的有效措施之一[6-7].
从图4可见，速度为50 m/s时，剪应力和剪应变分别比10 m/s时降低93%和95.6%.较低行驶速度时，加铺层最大剪应力及剪应变处于一个较高的水平，但随着速度的逐渐增加其值逐渐降低，并趋于平缓.同时，相同的条件下，荷载在低速行驶区域的作用时间将是高速行驶区域的几十倍，大大增加了低速行驶区域发生病害的可能.
从上述荷载、温度及行驶速度变化对剪应力、剪应变的影响规律可以看出，平行滑行道及联络道正是处于重载、高温、低速三相耦合作用下，造成其加铺层内剪应力、剪应变急剧增大，从而处于极限不利受力状态，导致早期轮辙变形破坏.飞机在跑道上的高速行驶状态则极大地降低了荷载作用时间，延缓了早期轮辙变形的发生.在进行加铺结构设计时，可以根据飞机轴载、当地温度以及最低滑行速度等因素，控制不同飞行区域的最大剪应力，有效缓解平行滑行道和联络道轮辙病害尤为重要.
2 永久变形分析
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，本节采用ABAQUS中自有的时间硬化蠕变模型模拟沥青加铺层永久变形[8].
2.1 永久变形规律
假定飞机在平行滑行道、联络道上的平均行驶速度为5 m/s，跑道上平均行驶速度为50 m/s.本节采用数值模拟方法计算加载50 000次后平行滑行道、联络道及跑道的沥青加铺层随主起落架单轮轮载、温度变化的永久变形规律，其结果如图5～6所示.
图5 各区域轮辙随轮载变化规律
Fig.5 The change law of rut with wheel load
in different area
图6 各区域轮辙随温度变化规律
Fig.6 The change law of rut with temperature
in different area
从图5中可以看出，随着主起落架单轮轮载逐渐增大，飞行区各区域轮辙基本呈线性增大，单轮轴载越大，平行滑行道、联络道与跑道之间的轮辙差值越大.单轮轮载240 kN、行驶速度5 m/s的轮辙深度为150 kN、50 m/s下的3.6倍.从图6可以看出，随着温度升高，飞行区各区域轮辙基本呈幂函数形式增长，并且随着温度的升高平行滑行道、联络道与跑道间的轮辙差越来越大.50 ℃、行驶速度5 m/s下的轮辙深度比20 ℃、50 m/s下高出329倍，比30 ℃、50 m/s下也高出30倍.
可见，沥青加铺道面面层敏感温度约为30 ℃.在日间持续高温时段，重载飞机飞行是轮辙迅速发展的重要条件[9].而我国南方地区夏季气温可达到35 ℃以上,而沥青道面的表面温度常能达到60 ℃以上[10]，加之重载、低速的耦合作用，轮辙快速产生和发展.因此，通过控制高温时段重载飞机飞行或适当提高最低滑行速度，有利于减少平行滑行道和联络道轮辙病害.
2.2 材料类型及厚度组合影响
本节所采用的材料类型为改性AC-20、SMA-13及HMAC 3种沥青混合料，组合形式分为4种，面层的模量逐渐增加[11].其中20 ℃下HMAC的模量为2 150 MPa，路面结构组合如表2所示.4种结构组合下飞行区各区域加铺结构加载50 000次后轮辙深度如图7、8所示.
表2 路面结构组合
Tab.2 The combination of pavement structure
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
图7 不同结构组合下轮辙随速度变化规律
Fig.7 The change law of rut with speed when
structure combinations are different
图8 不同结构组合下飞行区不同区域轮辙深度
Fig.8 The depth of rut at different flight area when
structure combinations are different
从图7、8中可以看出，4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10 m/s的低速慢行状态下，其永久变形量处于较高水平.4种路面结构组合中，随着面层材料模量的增加，抗车辙能力也逐渐增强.抗轮辙性能最好的是组合4，采用双层HMAC，但目前我国对HMAC的研究还不够成熟，没有成熟的经验可以借鉴，在机场道面结构设计时并没有得到非常多的应用[12-13].抗车辙能力最差的为组合1，是目前最常用的结构组合形式，采用SMA-13+AC-20，具有良好的耐磨性和易修复性，相对HMAC来说，施工和设计方法较为成熟，并且，其加铺结构的永久变形累积量较小，可以满足跑道的使用要求，因而被广泛的应用[14].但是并不能满足高温、重载、低速三相耦合作用下的行驶状态，平行滑行道和联络道上轮辙病害问题依然严重.因此，在加铺结构设计时，可以通过改变材料，提高其下面层模量，降低其累积变形量.
沥青加铺层厚度从11 cm增大到21 cm后(按2 cm递增)，飞行区不同厚度时轮辙随速度变化和不同区域永久变形规律如图9、10所示.
从图9、10可以看出，随着厚度的逐渐增大，加铺结构轮辙变形逐渐增大并趋于平缓.厚度的增大对平行滑行道及联络道永久变形增加较为明显，对跑道则相对较小.可见，加铺层宜设置在13～15 cm范围内，不增加成本的同时可以满足跑道的要求，现有的加铺结构厚度基本满足.飞机在平行滑行道、联络道上行驶时，则需要考虑与跑道行驶状态的差异，加铺层厚度尽量不超过13 cm，以降低轮辙病害发生概率[15].
图9 不同厚度下轮辙随速度变化规律
Fig.9 The change law of rut with speed at
different thickness
图10 轮辙随厚度变化规律
Fig.10 The change law of rut with thickness
逐渐增加下面层模量或减小下面层厚度时，不同结构组合，在荷载作用50 000次后，平行滑行道、联络道轮辙与跑道轮辙深度的关系如表3所示[16].
表3 不同结构组合下不同区域轮辙深度关系
Tab.3 The relation of rut depth at different area
when structure combinations are different
结构组合平行滑行道、联络道轮辙与跑道轮辙倍数关系5cmSMA+8cmAC2.57倍5cmSMA+8cmHMAC1.96倍5cmSMA+6cmHMAC1.72倍5cmHMAC+6cmHMAC1.38倍
表3进一步表明，采用不同的加铺厚度和模量组合，轮辙深度的差异非常大.因此，加铺结构设计时，通过控制轮辙深度的方式，控制飞行区不同区域加铺结构的厚度和模量是非常有必要的.对于平行滑行道、联络道，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；在满足结构性能或功能要求的前提下，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.
3 差异设计方法与设计指标
机场跑道沥青加铺层结构在大型飞机的反复作用和自然因素的不断影响下逐渐出现损坏,特别是在平行滑行道和联络道低速行驶时，大大加大了重载作用时间，致使轮辙病害快速出现和发展.通过上述对剪应力、剪应变和永久变形的分析可知，可以通过控制荷载、温度、速度等因素，最大剪应力和最大轮辙深度的方法,缓解平行滑行道和联络道上轮辙病害尤为严重的问题.因此，在现有设计方法的基础上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设计方法[17].
3.1 剪应力验算指标
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，产生剪切流动变形，所以需要控制加铺层内的剪切应力[18-19].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：
(1)
式中：KS为道面结构安全系数，与设计使用期荷载作用次数和所用材料有关.
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，
(2)
式中：τRH、τRL、τRP 分别为平行滑行道、联络道及跑道容许剪应力.
3.2 轮辙验算指标
永久变形计算方法是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，
(3)
式中：RDH、RDL、RDP分别为滑行道、联系道、跑道总轮辙量；[RD]RH、[RD]RL、[RD]RP分别为滑行道、联络道、跑道容许轮辙量。
3.3 设计流程
机场旧水泥混凝土道面沥青加铺结构不同区域差异设计流程如图11所示.
图11 机场加铺结构差异化设计流程
Fig.11 The differential design process of airport asphalt overlay structure
4 结论
(1)在重载、高温条件下，平行滑行道和联络道上低速行驶，加大荷载作用时间，致使轮辙病害迅速发生和发展.
(2)适当提高加铺层模量、降低加铺层厚度可以减缓轮辙病害的发展.
(3)针对平行滑行道、联络道和跑道上飞机行驶特性差异，结合我国现有规范，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设计方法.
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