关于沥青混凝土道面公路飞机跑道结构设计方法的分析与研究.pdf

第 3 9卷 ， 第 2期 2 0 1 4年 4月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 ． 3 9，No ． 2 Ap r．， 2 0 1 4 关于沥青混凝土道面公路飞机跑道结构设计方法 的分析与研究 曲旭 光 ，王建 宇 广东新中南航空港建设有 限公 司 ， 广东 广州 5 1 0 4 0 5 [ 摘 要 ]从公路飞机跑道沥青混凝 土道 面结构设计 的理 论基础 、 设计 指标 、 控制 标准 、 道面结 构力学响应 分 析 、 设 计流程及步骤等方面进行分析研究 ， 提出 了公路飞机跑道沥青混凝土道 面结构设计方法。 【 关键词 ]公路飞机跑道 ；沥青混凝土道面 ；设计方法 中图分类号 ]U 4 1 6 ． 2 1 7 [ 文献标 识码 ]A [ 文章编号 】1 6 7 4 0 6 l 0 2 0 l 4 0 2 0 1 6 7 0 4 An a l y s i s a n d Re s e a r c h o n S t r u c t u r e De s i g n M e t h o d o f As ph a l t Co n c r e t e Pa v e m e n t Ai r fie l d Ru n wa y o n Hi g hwa y QU Xu g u a n g ， W AN G J i a n y u 1 ． G u a n g d o n g N e w Z h o n g n a n A i r p o r t C o n s t r u c t i o n C o ．L t d ， G u a n g z h o u ， G u a n g d o n g 5 1 0 4 0 5 ， C h i n a [ A b s t r a c t ]T h i s p a p e r p u t f o r w a r d a s t r u c t u r a l d e s i g n m e t h o d o f a s p h a l t c o n c r e t e a i r p o r t p a v e m e n t a b o u t t h e a i rfi e l d run wa y o n h i g h wa y， by s t u d y t h e s t r u c t u r a l de s i g n me t h o d o f a s p h a l t c o n c r e t e pa v e me n t a b o u t t he a i r fie l d r u n wa y， i nc l u d i n g s t r uc t u r e d e s i g n t h e o r i e s f o u n d a t i o n， d e s i g n i n d e x e s ， c o n t r o l s t a n d a r d， me c h a n i c a l r e s p o n s e o f t h e p a v e me n t a nd t h e d e s i g n s t e p s a n d flo w- c ha r e t c； [ Ke y w o r d s ]a i rf i e l d run w a y o n h i g h w a y ； a s p h a l t c o n c r e t e p a v e m e n t ； d e s i g n me t h o d 1概述 2设计方法研 究 我国现行的公路沥青混凝土路面结构设计方法 能够满足一般汽车荷载的要求 ， 但对于重交通、 重载 情况下的路面损伤并没有起 到控制作用⋯ ， 也不一 定能够满足 飞机荷载和汽车荷载 的混合 荷载 的要 求 。因此 ， 对我国现行的公路沥青混凝土路面设计 方法改进可以有 2个思路 ①通过理论分析 、 实地 调研和大量计算 ， 在我 国现行 的公路沥青混凝土路 面设计方法添加设计 指标 和控制标准 ， 改变设计程 序 ， 使其设计 的道面能够满足飞机荷载 和汽车荷载 混合使用 的要求；② 通过计算分 析， 找 出飞机荷载 和汽车荷载的等效换 算关 系， 将 飞机荷载转化 为汽 车荷载 ， 再用我 国现行 的公路沥青 混凝 土路面结构 设计方法进行道 面设计。显然 ， 第② 种思路 比第① 种思路简单快捷 。因此建立公路飞机跑道沥青混凝 土道面结构设计方法 的关键之处就是找出飞机荷载 和汽车荷载的等效换算关系。 2 ． 1设计 方 法 的理论 基础 通过分析机场沥青混凝土道面和公路沥青混凝 土道面设计方法体 系， 可知力学 一经验法将力学分 析和实践经验有效的结合 ， 在对道面结构设计指标 进行力学分析的基础上 ， 充分利用现有的机场沥青 混凝土道面和公路沥青混凝 土道 面设计 的既有经 验。因此， 采用力学 一经验法的设计思想构建机场 沥青混凝土道面的设计方法体 系， 并且在进行道 面 结构力学分析时， 采用三维数值模拟方法 ， 以模拟计 算复杂条件下的道面结构力学指标 ， 从而找出与设 计机型等效 的汽车重载。 2 ． 2设计 指标 总结分析机场沥青混凝土道面和公路沥青混凝 土路面的主要损坏形式 ， 公路飞机跑道沥青混 凝土可能出现的主要损坏模式可能包括裂缝类损坏 和车辙损坏。 因此 ， 在公路飞机跑道沥青混凝 土道 【 收稿 日期 】2 0 1 3 0 7 0 9 [ 作 者简 介】曲旭光 1 9 8 3 一 ， 男， 山东烟 台人 ， 硕 士研究生 ， 工程师 ， 主要从事机场建设 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 曲旭光 ， 等 关于沥青混凝土道 面公路 飞机跑道结构 设计方法 的分析与研究 1 6 9 表 1 公路飞机跑道 沥青 道面各结构层材料相关参数 Ta b l e 1 Hi g h wa y r un wa y a s ph a l t p a v e me nt s t r uc t u r e l a y e r ma t e r i a l p a r a me t e r s 实际、 某型主战飞机的主起落架间距 ， 并通过收敛性 分析， 结合实际使用情况， 确定沥青面层和半刚性基 层的分析尺寸为 7 i n 7 in， 且地基尺寸比面层长宽 方 向均扩大 1 m， 深度取 8 m时 ， 基层底的荷载应力 收敛。 分析模型的边界条件为 ① 地基为弹性半空间体 ， 据 收敛性分 析， 取为 有 限尺寸 ， 基层为有限尺 ,- j ‘ ； ② 地基的底面为 自由度完全约束的固定面 ， 地 基 的其他面为法向约束。 3 ． 5 模 拟 单元及 网格 划 分 沥青混凝 土 面层 、 半 刚性基 层 和地基 基础 结 构层采用三维等参 8节点 s o l i d 4 5单元 实体单元 。 面层平面尺寸划分 为 0 ． 10 ． I ， 高度 方 向等分 为 5份 ， 厚度 0 ． 1 6 n l ； 基层平 面划分 为 0 ． 10 ． 1 ， 高 度方向等分为 8份 ， 厚 度 0 ． 3 4～0 ． 5 4 In； 地基平面 尺寸划分 为 0 ． 1 0 ． 1 ， 高度方 向等分 为 1 0份 ， 厚 度 8 m。 3 ． 6模 型 的控 制指 标 根据相关研究可知H ， 对半刚性结构层底部的 拉应力必须进行控 制 ， 半刚性结构层底部的拉应力 应作为结构层设计 的主要指标。在各种情况下 ， 只 要满足了基层底部 的拉应力 ， 土基 的压应变没有超 过 容许值 。 3 ． 7 飞机荷载作 用下沥 青混凝土道 面力学响应分析 为了分析半刚性基层模量和厚度对道面结构相 应的影 响， 半 刚 性 基 层 模 量 分 别 取 8 0 0 、 1 0 0 0 、 1 2 0 0 、 1 4 0 0 、 1 6 0 0 、 2 0 0 0、 2 5 0 0和 3 0 0 0 MP a ， 厚 度 分别取 3 4 、 3 6 、 3 8 、 4 2 、 4 6 、 5 0 、 5 4 t in， 对 比其 所得数 据， 总结出相应规律。 当半刚性 基层模量 固定为 1 4 0 0 MP a时， 其厚 度变化对 A型 主战飞机荷载作用下各 层层底弯拉 应力和弯沉值见表 2 。 当厚度增大时 ， 基层层底弯拉应力随之减小 ， 基 层厚度从 3 4 a m增大到 5 4 c m时， 基层层底弯拉应 力减小 了0 ． 1 7 7 MP a ， 弯沉值减小 了 0 ． 1 5 6 m m。可 见适当增加厚度可 以减小路 表弯沉和层底 弯拉应 力 ， 当半刚性基层厚度不变时 ， 半刚性基层模量变化 表 2沥青 混凝 土道面各层 的力学 反应量 Ta bl e 2 Th e me c h a n i c a l r e s po n s e o f a s p h a l t c on c r e t e p a v e - me n t e a c h l a y e r 对沥青混凝土道面力学响应量的影 响见表 3 。 表 3 沥青混凝土道面 力学响应量 Ta b l e 3 Th e me ch a n i ca l r e s po n s e o f a s ph a l t c o n c r e t e pa v e m ent 弹性模量变大时基层层底弯拉应 力也相应 的 随之增 大 ， 弯沉 值相 应 的减小 ， 当模 量 大于 1 6 0 0 MP a时 ， 弯沉值 的减小不 再 明显 ， 因此 ， 基层 模量 在保证面 层受 力有利 的前提 下 ， 不可 太大。否则 会导致基层层底面拉应力 超过 容许 拉应力而引起 开 裂 。 3 ． 8 等效汽车荷载的选定 用上述方法对公路飞机跑道主要的通行车型进 行力学响应分析 ， 通过比较两种荷载作用下参数变 化对力学反应量的影响分析 ， 从而找到与飞机荷载 对道面影响相似的汽车荷载 ， 确定与改型飞机对应 的等效汽车荷载。 4设计 方法的流程及步骤 根据上文的分析研究可知 公路飞机跑道沥青 混凝土道面结构设计方法的具体设计步骤 见图 5 a ．步骤一交通荷载分析。 ① 预测公路飞机跑道上行驶汽车的种类、 交通 量以及在设计使用年限内的增长趋势 ， 并将其运行 次数换算为标准轴载下的运行次数 ； ② 将 设计 飞机 的运行次数换算为标准汽车轴 载 B Z Z一1 0 0 K N下 的运行次数 ； ③ 累计当量轴次为汽车和飞机二者之和。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 0 公路工程 3 9卷 收集 调 查 交通 量 I 计算标 转化为等效汽车 收集设计机 准轴次 荷载的轴载次数 型的运行次数 f 计算累 根据公路等级 、面 气象资料、 土基类型划 计标准 层和基层类型及N e 材料调查及 分，确定土 轴次 计算设计弯沉值 混合料试验 基回弹模量 } I I 拟 定 路 面 结 构 方 案L I 确 定 材 料 抗 压 回 弹 模 量I 按 设 计 弯 沉 值 计 算 I 或 验 算 厚 度 1 人 磷 进 行 劈 裂 试 验 、 l 极 限 抗 拉 强 度 叮sp l ＼／ I 确 定 容 许 拉 应 力 I I 否 计 算 层 底 拉 应 力盯 卜 一 是 是 是 l 否 ＼ ’／ 进行技术经济比较 ， 确定采用的路面结构 7 - f 牡 h I 图 5 公路飞机跑道沥青道面设计程序 Fi g ur e 5 Hi g hwa y r u nwa y a s p ha h p a v e me n t d e s i g n pr o c e du r e s b ．步骤二 初步拟定道面结构组合。 ① 根据公路等级和设计使用年限， 初步确定沥 青混凝土道面结构面层 、 基层和底基层的厚度； ② 确定沥青 混凝土道面各结构层和土基的材 料参数 ， 包 括 回弹模 量 和泊松 比以及其 他相关 的 参数。 c ．步骤三 设计指标的确定。 ① 根据沥青混凝土路面等级和其他相关 资料 ， 计算设计弯沉值 ； ② 根据 已求得的累计 当量轴次计算各层层底 拉应力 。 d ．步骤 四结构层 厚度 的确定 以及防冻层的 验算。 ① 计算满足设计弯沉的结构层厚度和满足各 层层底拉应力的结 构层的厚度 ， 取与二者中较大值 最接近的推荐厚度为设计结构层厚度 ； ② 根据当地实际情况校核防冻层厚度。 公路飞机跑道沥青混凝土道面结构设计新方法 的设计程序见图 5 。 【 参考文献] 1 ] 黄开宇 ， 钟梦 武 ．混 合式 基层沥青 路面结 构设计方 法的 研究 [ J ] ．公路工程 ， 2 0 1 0 ， 3 5 5 5 6 6 2 ． [ 2 ] 蒋功雪 ， 彭 红卫 ， 孙超林 ， 等 ．湖南 省高速公 路沥 青路面 车辙 病害调查与原 因分 析[ J ] ．公路工程 ， 2 0 1 1 ， 3 6 1 1 3 ． [ 3 ] 彭红卫 ， 蒋 功雪 ， 寻浩 ， 等 ．湖南省 高速公 路沥青路 面裂缝 病 害调查与原因分析 [ J ] ．公路工程 ， 2 0 1 2 ， 3 7 1 1 2一l 5 ． [ 4 ] 刘国民 ．公路沥青路 面与机场沥青路 面设计的对比[ J ] ．中南 公路工程 ， 1 9 9 9 ， 2 4 2 1 5一l 6 ． [ 5 ] 赵鸿铎 ．机场沥青道 面结构设计方法与指标探讨[ J ] ．中国 民 航大学学报 ， 2 0 0 7 ， 2 5 5 48 ． [ 6 ] 谢娟 ， 李文 瑛 ．结构 参 数对 沥青 路 面结 构设 计 的影 响分 析 [ j ] ． 公路工程 ， 2 0 1 1 ， 3 6 4 9 81 0 2 ． [ 7 ] U S ．D e p a r t me n t o f T r a n s p o r t a t i o n ， F AA ．O p e r a t i o n a l L i f e o f A i r - p o rt P a v e me n t s [ R] ．2 0 0 4 ． [ 8 ] MI N C A D S y s t e m s P t y L t d ．AP S D S 4 U s e r Ma n u a l A i r p o r t P a v e me n t S t r u c t u r a l D e s i g n S y s t e m[ R] ．A u s t r a l ia ， 2 0 0 0 ． [ 9] E A P A ．Ai r f ie l d U s e s o f A s p h a l t [ R] ．N e t h e rl a n d s E u r o p e a n A s - p h a h P a v e me n t As s o c i a t i o n， 2 0 0 3． 【 l O ] A t h o n y G ．G e r a r d i ．C o l l e c t i o n o f c o mm e r c ia l a i r c r a f t c h a r a c t e r l s - t i c s f o r s t u d y o f r u n w a y r o u g h n e s s [ R]． F A A R D 一7 6 6 4 ．O hi o Ai r f o r c e fl i g h t d y n a mic s l a b o r a t o r y ． 1 9 7 7 ． [ 1 1 ] 蔡 良才 ．机场规划设计[ M] ．北京 解放军出版社 ， 2 0 0 2， 6 ． 上 接 第 1 6 6页 【 j ] ．公路 ， 2 0 1 3 5 1 2 41 2 7 ． [ 7 ] 李世 贵， 任仁， 朱大权 ， 等．预应力锚索抗滑桩设计方法优化研 究[ J ] ．公路工程 ， 2 0 1 3 2 5 1 5 4 ． [ 8 ] 邓超．平原地 区高速公路低路堤设 计理念 的实践 和探讨[ J ] ． 科技致富向导，2 0 1 0， 2 4 5 6 25 6 3 ． [ 9 ] 崔慧珊， 陈济丁， 裴 文文．公路建设 节约用地 的基 本做法 和经 验[ J ] ． 交通建设与管理 ， 2 0 0 7 4 2 62 8 ． [ 1 O] 周 艳丽．平原区高速公路路基 高度问题 的探讨 [ J ] ．中南公 路工程 ， 2 0 0 5 1 1 1 71 1 9 ． [ 1 1 ] 李宏泉 ， 彭立 ， 刘伟 ， 等．高速 公路建设弃方 量存在 的问题 及 处治措施探讨 [ J ] ．公路工程 ， 2 0 1 l 3 1 61 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m