之前中国修建的民用机场中,道面类型一般为水泥混凝土道面,随着使用年限的增加,原有道面出现了不同程度的损坏,难以满足现在航空交通量的需求,迫切需要修复原来的结构和功能,进而提高道面的性能[1]。目前对旧机场混凝土道面进行加铺盖被已经成为主要的改造模式。在旧水泥混凝土跑道上加铺沥青层后,将涉及到不同材料层间的接触和力学响应的变化,复合道面易出现车辙、开裂及层间滑移等病害。因此,国内外的研究人员对机场道面的受力特点及应力分布规律展开了研究。游庆龙等[2]通过建立机场复合道面有限元模型,分析了3种常见机型在不同条件下的力学响应,进行了对比分析,并给出了跑道两端容易出现滑移裂缝和疲劳裂缝现象的原因。Wei等[3]研究了影响水泥混凝土路面与热拌沥青加铺层之间界面结合强度的因素,发现温度对粘接层的附着力和界面结合有着显著的影响。Ma等[4]开发了机场沥青路面健康监测系统框架,并利用实测力学响应反算了路面结构层模量,实现了任意点路面疲劳开裂和车辙累积损伤的实时确定性损伤计算。Li等[5]通过研究认为沥青层与刚性层的模量相差较大,变形协调性不好,荷载作用时层间界面易产生滑移和开裂。赵鸿铎等[6]通过对浦东机场道面进行实时监测,分析了飞机道面的温度变化及在温度影响下的道面变形情况,对道面的设计和评价提出了建议。蔡靖等[7]通过建立复合道面三维有限元模型,采用循环荷载波形式,分析了不同因素对轮辙变形的影响规律,并建立了复合道面转弯区轮辙发展预估公式。张献民等[8]研究了路面结构测试区竖向动位移变化规律,为路面承载力检测提供了依据。
综上,目前对于沥青加铺层的研究多集中在公路上,对于机场复合道面结构的研究并不多。为此,本文通过ABAQUS软件建立了三维有限元模型,结合中原地区某机场道面沥青加铺层的结构形式,针对该机场常见的飞机机型,对多层加铺的复合道面进行力学响应分析。
1 复合道面三维有限元模型
1.1 复合道面结构材料参数
通过分析机场复合道面结构形式,结合机场道面设计规范和相关研究[9-10],确立相关材料参数,建立机场复合道面的有限元模型。具体参数见表1。
表1 复合道面材料参数
Table 1 Composite pavement material parameters
材料厚度/m密度/(kg·m-3)动态模量/MPa泊松比上面层SMA-130.052 3001 5000.30中面层AC-200.052 3001 2000.30下面层AC-200.082 3001 0000.30旧水泥混凝土板0.382 50033 0000.20石灰粉煤灰稳定碎石0.302 0001 0000.25土基10.001 800600.40
1.2 水泥混凝土板间接缝模型和飞机荷载参数
水泥混凝土道面通常会设置接缝来消除混凝土板因热胀冷缩和湿度变化而产生结构内应力的影响,因此,接缝传荷能力的大小极大影响着道面的结构性能,本文采用虚拟材料层法来模拟接缝的传荷能力。选取接缝弹性模量为10 000 MPa[11]。
在考虑飞机荷载时,主要考虑主起落架对机场道面的力学影响。通过等效原则将轮印模型简化为矩形[12]。选取了B737-800、B767-300ER和B777-300ER这3种常见机型,研究复合道面对不同机型的力学响应,对其他因素的力学响应以B737-800机型为研究对象。飞机荷载参数如表2所示。
表2 飞机荷载技术参数[13-15]
Table 2 Aircraft load technical parameters[13-15]
机型飞机荷载/kN轮数荷载分配系数胎压/MPa矩形接触面长/m宽/mB737-800790.0420.9501.470.4350.300B767-300ER1 796.2340.9501.380.4840.333B777-300ER3 411.0060.9361.500.5080.350
1.3 复合道面三维有限元模型
1.3.1 有限元模型尺寸
参考现有研究[16],选取9块板模型进行研究,混凝土板尺寸为5 m×5 m,板间接缝为2 cm,所以道面尺寸为15.04 m×15.04 m。
1.3.2 网格划分和边界条件
在模型的网格划分过程中,为保证受力的均匀和计算精度,对加载区域和计算分析区域进行了合理的加密。本文在平行于飞机滑行方向上约束Y方向位移,在垂直于滑行方向上约束X方向位移,在土基底面上约束X、Y、Z这3个方向位移。
1.3.3 飞机荷载加载方式
对于飞机荷载的加载方式,采用移动荷载的方式进行研究。在ABAQUS中,需要在模型中设置荷载移动带限制荷载的移动范围,并且用Fortran语言编写VDLOAD(考虑竖向压力)和UTRACLOAD(考虑水平剪切力)等荷载代码,从而实现荷载移动。荷载移动带如图1所示。
图1 荷载移动带
Figure 1 Load moving belt
2 模型合理性验证
依据中原地区某机场旧水泥混凝土跑道加铺工程,通过搭建光纤光栅传感器智能监测系统,实现了对机场复合道面结构的实时监测。提取道面变形的监测数据,与模拟数据进行对比,验证了模型合理性。
2.1 监测系统传感器的布设
传感器布设位置位于混凝土表层。由于监测断面传感器数量较多,单一切槽机器开槽较慢,所以采用圆形打孔机进行辅助切槽。在切槽时,切槽区域距离板角位置不小于0.5 m。传感器放置后,需要对传感器进行固定,并针对不同传感器类型选择不同材料回填:如混凝土应变计切槽选用C40混凝土回填,沥青应变计切槽选用沥青混合料回填。回填后,混凝土表层需要铺设抗裂贴进行固定。
2.2 模型验证
通过机场给出的飞机进出港时间信息和机型信息,可以找出B737-800机型所产生的变形数据。并将提取出的应变信息与模拟数据进行对比,分析如图2所示。由图2可以看出,模型模拟数据与应变监测数据随时间变化趋势一致,当飞机轮组正压于传感器上时,道面结构的应变值会产生突变。从力学响应极值来看,模拟数据与实测数据相差较小,尤其对沥青面层的模拟误差更小,可见模型可以较为准确地反映道面受力状况。误差产生的原因有以下两点:飞机轮组没有完全正压于传感器上,有一些偏差;选用的道面材料模拟参数和道面层间状态与实际存在一定的误差,影响了模拟的准确性。
图2 应变数据对比分析图
Figure 2 Comparative analysis diagram of the strain data
3 不同因素作用下复合道面力学响应分析
通过三维有限元模型,以沥青层间剪应力、沥青层底拉应变和水泥混凝土板底拉应力为分析指标,在移动荷载作用下,分析复合道面在不同机型、不同层间结合状态和不同水平力影响下的力学响应。
3.1 不同机型作用下复合道面力学响应
基于建立的机场复合道面三维有限元模型,对B737-800、B767-300ER和B777-300ER这3种飞机机型作用下的道面力学响应进行分析。根据研究[15],复合式道面结构的临界荷位为纵缝边缘中部,故本文在飞机荷载运行至混凝土板纵缝中部时进行数据提取,力学指标提取路径如图3所示。
图3 力学指标提取路径
Figure 3 Extraction path of mechanical index
3.1.1 层间剪应力
图4为B737-800机型作用下各面层层间剪应力情况。由图4可知,在荷载运动至混凝土板纵缝中部时,上面层与中面层之间的接触面所受剪应力最大,达到1.97 MPa,中面层次之,下面层与混凝土道面之间的剪应力最小;在荷载运动过程中,只有当荷载运动到计算点上方时,产生的剪应力才会最大。
图4 层间最大剪应力随时间变化图
Figure 4 Variation of maximum shear stress between layers with time
图5为道面在不同机型荷载作用下,各接触面层间最大剪应力的变化情况。由图5可知,随着飞机轮数的增加,层间剪应力逐渐增大,不同接触面的最大剪应力变化趋势相同,从上到下逐渐递减。其中,B767-300ER机型产生的层间最大剪应力为2.21 MPa,B777-300ER机型产生的层间最大剪应力为2.48 MPa,与B737-800机型相比,分别增加了12.07%和25.39%。
图5 不同机型对接触面最大剪应力的影响
Figure 5 Effect of different models on the maximum shear stress at the contact surface
3.1.2 沥青加铺层层底拉应变
图6为在不同机型作用下沥青加铺层层底拉应变的变化情况。由图6可知,在不同机型作用下,沥青层底拉应变的变化趋势相同。随着轮数的增加,应变数值也在增加,其中横向拉应变变化比较明显,最大为447.40×10-6,最小为338.51×10-6,说明横向拉应变存在叠加现象;而纵向拉应变变化不太明显,最大为245.13×10-6,最小为214.47×10-6,变化较小,无明显叠加现象。
图6 沥青加铺层层底拉应变
Figure 6 Bottom tensile strain of asphalt overlay
3.1.3 水泥混凝土板底拉应力
图7为在不同机型作用下,水泥混凝土板底拉应力的变化情况。由图7可知,随着轮数的增加,水泥混凝土板底拉应力逐渐增加,但增加速度不同。其中,在B777-300ER机型作用下,板底横向拉应力达到2.82 MPa,是B737-800作用下的2.26倍,是B767-300ER作用下的1.29倍;纵向拉应力为2.39 MPa,是B737-800作用下的1.63倍,是B767-300ER作用下的1.15倍,应力叠加现象比较明显。
图7 水泥混凝土板底拉应力
Figure 7 Tensile stress of cement concrete slab bottom
3.2 不同层间结合状态下的力学响应
复合道面的沥青面层由于各结构层材料特性差异以及分层铺筑的特性,导致层间结合状态往往介于完全连续和完全滑动之间。依据库伦模型,通过改变模型的摩擦因数来改变层间结合状态,其中层间摩擦因数为0.05～0.99,摩擦因数为0.05时,代表层间结合状态为完全滑动状态;摩擦因数为0.99时,代表层间为完全连续状态。当B737-800机型运动至板纵缝中部时,复合道面的力学响应如图8所示。由图8可知,随着层间摩擦因数的增大,沥青层间剪应力、沥青层底最大拉应变和水泥混凝土板底拉应力都是逐渐变小的。相比摩擦系数为0.05而言,摩擦系数为0.99时,沥青层间最大剪应力减少了13.69%,沥青层底横向最大拉应变与纵向最大拉应变分别减少了8.29%和8.38%,水泥混凝土板底横向最大拉应力和最大纵向拉应力分别减少了2.04%和2.10%。以上数据说明:层间结合状态对于沥青加铺层的力学性能是有一定影响的,层间结合状态越好,道面受力变形就越小;层间结合状态的影响程度沿着道路深度方向呈现减小趋势。
图8 不同层间结合状态下各力学指标图
Figure 8 Diagram of each mechanical index in different states of interlayer bonding
3.3 不同水平力对复合道面受力的影响
在飞机在滑行过程中,轮子受到地面作用在轮子上向前的滚动摩阻力,道面同时也会受到大小相同方向相反的水平力。所以在对机场道面进行力学分析时,水平力的影响也是需要进行分析考虑的,其水平力的大小可以按式(1)进行计算:
F=λP。
(1)
式中:F为车辆行驶中,轮胎给地面的滚动摩擦力;λ为轮胎和地面间的滚动摩擦因数(水平力系数);P为车辆的垂直荷载。
一般来说,飞机在道面上匀速行车时,沥青混凝土和水泥混凝土道面的λ取值在0.01～0.02,相对较小;当飞机在道面上制动或者加速时,沥青混凝土和水泥混凝土路面的λ取值在0.2～0.5。
本文选用3种水平力系数来分析水平力对飞机道面的影响,并与不考虑水平力的情况进行对比,系数1至3分别为0.010 5、0.2、0.5,其中λ=0.5来模拟飞机紧急制动或加速的情况。图9是道面力学响应情况。由图9可知,随着水平力系数的增加,沥青层间最大剪应力、沥青层底拉应变和水泥混凝土板底拉应力是逐渐提高的。与不考虑水平力相比,在有制动力的情况下各项力学指标逐渐增加:在有相同竖直荷载作用下,水平力系数为0.5时,沥青层间最大剪应力增加了11.84%;沥青层底横向最大拉应变增加了6.05%,纵向拉应变增加了9.68%;水泥混凝土板底横向最大拉应力增加了4.66%,纵向最大拉应力增加了4.79%。通过数据分析可知:飞机制动对于沥青加铺层的影响是比较大的,尤其是对沥青加铺层的层间剪应力的影响较大,且随水平系数的增大而迅速增加;水平力的增加对于剪应力影响较大,沿道面深度方向,变化趋势逐渐减小。
图9 不同水平力系数时各力学指标图
Figure 9 Diagram of the mechanical indicators for different horizontal force factors
4 结论
本文结合中原地区某机场道面加铺改造工程,通过有限元软件,对复合道面在不同因素作用下的力学特性进行了分析,并借助光纤光栅传感器,搭建机场实时监测系统,验证了模型的合理性,为机场复合道面的设计提供了力学参考,主要结论如下。
(1)复合道面在B737-800、B767-300ER和B777-300ER这3种不同飞机机型作用下,道面层间剪应力、沥青层底横向拉应变、水泥混凝土板底拉应力存在应力叠加现象。
(2)层间结合状态好坏对于沥青加铺层的力学性能和使用寿命有影响,层间结合状态越好,道面受力变形越小。层间结合状态对于沥青层间剪应力的影响比较大,对水泥混凝土板底的拉应力影响较小,沿着道面深度方向,其影响程度呈现减小趋势。
(3)飞机在制动时,对于沥青加铺层的影响很大,与没有水平力相比,紧急制动时,沥青层间最大剪应力增加了11.84%;沥青层底横向最大拉应变增加了6.05%,纵向拉应变增加了9.68%,沿道面深度方向变化趋势逐渐减小。
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