復(fù)雜條件下機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計：理論、方法與實踐一、緒論1.1研究背景與意義隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展和全球化進程的加速，民航產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出蒸蒸日上的發(fā)展態(tài)勢。中國民航業(yè)也處于迅猛發(fā)展的階段，機場作為民航產(chǎn)業(yè)至關(guān)重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，其運行安全和效率對整個民航系統(tǒng)起著關(guān)鍵作用。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2019年全國民用機場年周轉(zhuǎn)旅客數(shù)量首次突破13億人次，共計吞吐135162.9萬人次，同比增長6.9%，境內(nèi)運輸機場共有238個。除部分新建、改建不久的機場外，絕大多數(shù)機場建成時間較早，道面老化與損壞問題難以避免，導(dǎo)致道面結(jié)構(gòu)受損，道面性能下降。機場跑道作為飛機起降的關(guān)鍵場所，對其結(jié)構(gòu)、材料和設(shè)計有著極為嚴格的要求。跑道長期承受飛機的起降荷載、自然環(huán)境侵蝕以及各種復(fù)雜因素影響，隨著航空運輸量的不斷增長和飛機機型的日益大型化，跑道面臨的壓力與日俱增，諸多問題逐漸凸顯。部分早期建設(shè)的跑道在結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選用上存在一定局限性，難以滿足當前日益增長的航空運輸需求。此外，在復(fù)雜的氣候環(huán)境中，如高寒、峽谷、準高原地區(qū)等，機場跑道的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選取面臨著更為嚴峻的挑戰(zhàn)。為了滿足機場日益增長的運營需求，提高跑道的使用性能和安全性，對機場跑道進行維護和升級改造勢在必行。在眾多改造措施中，瀝青加鋪是一種常用且有效的方法。通過在原有跑道上鋪設(shè)瀝青加鋪層，可以改善跑道的表面性能，提高其平整度、抗滑性和耐久性，增強跑道的承載能力，延長跑道的使用壽命。然而，在復(fù)雜條件下進行機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計并非易事，需要綜合考慮多種因素，如地質(zhì)條件、氣候條件、飛機荷載特性等。目前，國內(nèi)外針對機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)開展了一定的研究，并取得了一些成果，但仍存在諸多問題亟待解決。現(xiàn)有設(shè)計方法和理論在面對復(fù)雜條件時存在一定的局限性，難以全面準確地考慮各種因素對加鋪層結(jié)構(gòu)性能的影響，缺乏科學(xué)的設(shè)計控制指標和參數(shù)以及完整的設(shè)計方法體系，導(dǎo)致在實際工程中，加鋪層結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)各種病害，如輪轍、裂縫、推移等，嚴重影響跑道的使用性能和安全性，制約了我國機場瀝青道面結(jié)構(gòu)的設(shè)計與應(yīng)用。在此背景下，深入研究復(fù)雜條件下機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法具有重要的現(xiàn)實意義和理論價值。通過本研究，有望提高機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性和合理性，提升機場跑道的性能和安全性，保障民航運行的安全與順暢；促進國內(nèi)機場建設(shè)的發(fā)展，提高中國民航產(chǎn)業(yè)的競爭力；為相關(guān)研究提供堅實的理論基礎(chǔ)與實踐指導(dǎo)，推動機場跑道建設(shè)技術(shù)的不斷進步。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀國外對于機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究起步較早，在理論和實踐方面都取得了較為豐富的成果。在設(shè)計理論方面，美國陸軍工程兵采用的CBR法，以CBR值作為路基土和路面材料（主要是粒料）的參數(shù)性能指標，通過足尺試驗或現(xiàn)有道面的調(diào)查，建立起“CBR-輪載作用次數(shù)-路面結(jié)構(gòu)層厚度”三者的經(jīng)驗關(guān)系，進而確定道面的總厚度及其結(jié)構(gòu)層的厚度。美國地瀝青學(xué)會（AI）出版的適用于運輸機的機場全厚度瀝青道面設(shè)計規(guī)范以及美國聯(lián)邦航空局基于CBR法提出的FAA法，也都屬于經(jīng)驗法的范疇。這些經(jīng)驗法主要通過對試驗路的連續(xù)觀測、試驗或借鑒道路的修筑經(jīng)驗，建立道面結(jié)構(gòu)、荷載軸載及路面性能三者間的經(jīng)驗關(guān)系。隨著研究的深入和技術(shù)的發(fā)展，力學(xué)-經(jīng)驗法逐漸興起，該方法以彈性層狀體系理論作為理論模型，主要設(shè)計參數(shù)為泊松比和彈性模量，主要設(shè)計控制指標為瀝青層底面的水平拉應(yīng)變和土基頂面的豎向壓應(yīng)變，分別控制土基的永久變形和瀝青混凝土的疲勞開裂。在材料研究方面，國外不斷研發(fā)新型瀝青材料和混合料，以提高加鋪層的性能。例如，使用改性瀝青來增強瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和耐久性；研究高性能的纖維增強瀝青混合料，改善其力學(xué)性能和抗疲勞性能。在材料性能測試方面，建立了較為完善的標準和方法，能夠準確地測定材料的各項性能指標，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供可靠的數(shù)據(jù)支持。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方法方面，除了傳統(tǒng)的經(jīng)驗法和力學(xué)-經(jīng)驗法，有限元法等數(shù)值分析方法也得到了廣泛應(yīng)用。通過將道面結(jié)構(gòu)離散成許多小單元，利用數(shù)值模擬計算求解傳統(tǒng)彈性層狀體系方法無法考慮的材料非線性、幾何非線形等復(fù)雜特性，能夠更加準確地分析道面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。一些國家還結(jié)合本國的氣候、地質(zhì)條件和航空運輸特點，制定了適合本國國情的機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范和指南，為工程實踐提供了有力的指導(dǎo)。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)對機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究相對國外起步較晚，但近年來隨著民航業(yè)的快速發(fā)展，相關(guān)研究也取得了顯著進展。在設(shè)計理論方面，我國現(xiàn)行的機場瀝青道面設(shè)計規(guī)范是按照美國機場瀝青道面經(jīng)驗設(shè)計法的框架，并借鑒日本機場和中國道路的設(shè)計方法及經(jīng)驗積累完成的。然而，由于缺乏大的足尺試驗和深入的理論分析，在機場瀝青道面的修筑和使用等方面缺乏工程經(jīng)驗的有效指導(dǎo)。近年來，國內(nèi)學(xué)者也在積極探索適合我國國情的設(shè)計理論和方法，結(jié)合力學(xué)原理、材料科學(xué)和結(jié)構(gòu)工程學(xué)等多學(xué)科知識，對機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、破壞機理等進行深入研究。在材料研究方面，國內(nèi)對瀝青及瀝青混合料的研究不斷深入，開發(fā)出了多種適用于機場跑道的改性瀝青和高性能瀝青混合料。例如，SBS改性瀝青、橡膠改性瀝青等在機場跑道加鋪工程中得到了廣泛應(yīng)用，有效提高了加鋪層的性能。同時，對纖維增強瀝青混合料、溫拌瀝青混合料等新型材料的研究也取得了一定成果，為機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了更多的材料選擇。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方法方面，國內(nèi)學(xué)者在借鑒國外先進經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)機場的實際情況，開展了一系列研究。通過現(xiàn)場測試、室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬等手段，對機場跑道瀝青加鋪層的結(jié)構(gòu)厚度、結(jié)構(gòu)組合等進行優(yōu)化設(shè)計。一些研究還考慮了復(fù)雜條件下如高寒、峽谷、準高原地區(qū)等特殊環(huán)境因素對加鋪層結(jié)構(gòu)的影響，提出了相應(yīng)的設(shè)計方法和技術(shù)措施。1.2.3研究現(xiàn)狀總結(jié)國內(nèi)外在機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計方面已經(jīng)取得了眾多成果，但仍存在一些不足之處?，F(xiàn)有設(shè)計方法在考慮復(fù)雜條件時存在局限性，如對特殊地質(zhì)條件下地基的不均勻沉降、復(fù)雜氣候條件下溫度和濕度的耦合作用等因素的考慮不夠全面，難以準確評估這些因素對加鋪層結(jié)構(gòu)性能的影響。在設(shè)計控制指標和參數(shù)方面，雖然已經(jīng)提出了一些指標和參數(shù)，但對于其在復(fù)雜條件下的適用性和準確性還需要進一步研究和驗證。不同地區(qū)的機場在地質(zhì)、氣候、交通荷載等方面存在差異，目前缺乏針對不同地區(qū)特點的個性化設(shè)計方法和標準。此外，對于新型材料和新技術(shù)在機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究還不夠深入，需要進一步加強相關(guān)方面的研究，以推動機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的不斷完善和發(fā)展。1.3研究內(nèi)容與技術(shù)路線1.3.1研究內(nèi)容本研究圍繞復(fù)雜條件下機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計展開，具體研究內(nèi)容如下：復(fù)雜條件下機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)研與評價：廣泛收集國內(nèi)外不同地區(qū)、不同類型機場跑道瀝青加鋪層的工程案例，包括高寒、峽谷、準高原地區(qū)等具有復(fù)雜條件的機場。對這些機場跑道瀝青加鋪層的結(jié)構(gòu)類型、材料組成、使用年限、病害情況等進行詳細調(diào)查和記錄。運用先進的檢測技術(shù)，如探地雷達、落錘式彎沉儀等，對已建機場跑道瀝青加鋪層的結(jié)構(gòu)狀況進行全面檢測，獲取結(jié)構(gòu)層厚度、模量、裂縫深度等關(guān)鍵參數(shù)。基于調(diào)查和檢測數(shù)據(jù)，采用科學(xué)的評價方法，對加鋪層結(jié)構(gòu)的承載能力、平整度、抗滑性、耐久性等性能進行綜合評價，分析現(xiàn)有加鋪層結(jié)構(gòu)存在的問題及原因，總結(jié)成功經(jīng)驗和不足之處，為后續(xù)研究提供實踐依據(jù)。復(fù)雜條件下機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)力學(xué)分析：深入研究復(fù)雜條件對機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響機制，包括特殊地質(zhì)條件下地基的不均勻沉降、復(fù)雜氣候條件下溫度和濕度的耦合作用、飛機荷載的動態(tài)變化等因素。建立考慮復(fù)雜條件的機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，運用有限元分析軟件，對不同工況下加鋪層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律進行數(shù)值模擬分析。通過室內(nèi)足尺試驗，模擬復(fù)雜條件下加鋪層結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，為加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計提供力學(xué)理論支持。復(fù)雜條件下機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計理論研究：根據(jù)力學(xué)分析結(jié)果，結(jié)合材料特性和工程實際需求，確定適合復(fù)雜條件下機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制指標和參數(shù)，如瀝青層底面的拉應(yīng)變、土基頂面的壓應(yīng)變、結(jié)構(gòu)層間的剪應(yīng)力等，并明確其合理取值范圍。基于可靠度理論，考慮材料性能的變異性、荷載的不確定性以及復(fù)雜條件的隨機性，建立復(fù)雜條件下機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計理論，提高設(shè)計的科學(xué)性和安全性。復(fù)雜條件下機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究：綜合考慮復(fù)雜條件、力學(xué)性能、設(shè)計指標和參數(shù)等因素，提出適用于不同復(fù)雜條件的機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，包括結(jié)構(gòu)組合設(shè)計、厚度設(shè)計、材料選擇等方面。結(jié)合工程實例，運用所提出的設(shè)計方法進行機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計，并通過現(xiàn)場試驗和長期監(jiān)測，驗證設(shè)計方法的可行性和有效性。建立機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計的專家系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫，將設(shè)計方法、工程案例、材料性能等信息進行整合，為工程設(shè)計人員提供便捷的設(shè)計參考和決策支持。復(fù)雜條件下機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)優(yōu)化與驗證：基于多目標優(yōu)化理論，以提高加鋪層結(jié)構(gòu)性能、降低工程造價、延長使用壽命為目標，對加鋪層結(jié)構(gòu)的材料組成、結(jié)構(gòu)組合、厚度等參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，尋求最優(yōu)的設(shè)計方案。通過數(shù)值模擬和試驗研究，對比優(yōu)化前后加鋪層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、使用性能和耐久性，驗證優(yōu)化效果。將優(yōu)化后的設(shè)計方案應(yīng)用于實際工程中，進行工程驗證和效果評估，根據(jù)實際運行情況對設(shè)計方案進行進一步調(diào)整和完善，確保設(shè)計方案能夠滿足復(fù)雜條件下機場跑道的使用要求。1.3.2技術(shù)路線本研究采用理論分析、試驗研究、數(shù)值模擬和工程驗證相結(jié)合的技術(shù)路線，具體如下：資料收集與現(xiàn)狀調(diào)研：通過查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻資料，了解機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。收集不同地區(qū)機場跑道瀝青加鋪層的工程案例，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料使用、施工工藝、使用效果等方面進行詳細調(diào)研，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實踐經(jīng)驗。試驗研究：開展室內(nèi)材料性能試驗，測試瀝青、集料、瀝青混合料等材料在不同復(fù)雜條件下的物理力學(xué)性能，如高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、疲勞性能等。進行室內(nèi)足尺試驗，模擬機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)在復(fù)雜條件下的受力狀態(tài)，研究結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)和破壞模式。在實際機場跑道上進行現(xiàn)場試驗，對加鋪層結(jié)構(gòu)的施工工藝、壓實效果、使用性能等進行監(jiān)測和評估。理論分析與數(shù)值模擬：基于彈性層狀體系理論、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等相關(guān)理論，建立考慮復(fù)雜條件的機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。運用有限元分析軟件，對加鋪層結(jié)構(gòu)在不同工況下的應(yīng)力、應(yīng)變分布進行數(shù)值模擬分析，研究復(fù)雜條件對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響規(guī)律。根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果，確定加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制指標和參數(shù)，建立可靠性設(shè)計理論和設(shè)計方法。結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化：根據(jù)確定的設(shè)計理論和方法，結(jié)合工程實際需求，進行機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計。運用多目標優(yōu)化理論，對設(shè)計方案進行優(yōu)化，得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。通過數(shù)值模擬和試驗研究，對優(yōu)化后的設(shè)計方案進行性能驗證和評估。工程驗證與應(yīng)用：將優(yōu)化后的設(shè)計方案應(yīng)用于實際機場跑道瀝青加鋪工程中，進行工程驗證。在工程實施過程中，對施工質(zhì)量進行嚴格控制，對加鋪層結(jié)構(gòu)的使用性能進行長期監(jiān)測和評估。根據(jù)工程驗證結(jié)果，對設(shè)計方案進行進一步完善和優(yōu)化，為復(fù)雜條件下機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計提供可靠的技術(shù)支持。通過以上技術(shù)路線，本研究旨在深入系統(tǒng)地研究復(fù)雜條件下機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法，為提高機場跑道的建設(shè)質(zhì)量和使用性能提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。二、復(fù)雜條件下機場跑道既有道面評價及利用2.1既有道面結(jié)構(gòu)性能評價既有道面結(jié)構(gòu)性能評價是機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要基礎(chǔ)，通過對既有道面結(jié)構(gòu)性能的準確評估，可以為加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，確保加鋪層能夠有效改善道面性能，延長道面使用壽命。既有道面結(jié)構(gòu)性能評價主要包括彎沉、結(jié)構(gòu)強度系數(shù)等指標的分析，以及相應(yīng)評價方法的運用。彎沉是指在規(guī)定的標準軸載作用下，路基或路面表面輪隙位置產(chǎn)生的總垂直變形（總彎沉）或垂直回彈變形值（回彈彎沉）。彎沉是反映道面結(jié)構(gòu)承載能力的重要指標，它綜合體現(xiàn)了道面結(jié)構(gòu)各層材料的性能、厚度以及土基的強度等因素。一般來說，彎沉值越大，表明道面結(jié)構(gòu)的承載能力越弱，在飛機荷載作用下越容易產(chǎn)生變形和損壞。在機場跑道道面中，由于飛機荷載較大且作用頻繁，對道面的承載能力要求較高，因此彎沉指標的檢測和分析尤為關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)強度系數(shù)（SSI）是道面結(jié)構(gòu)設(shè)計厚度與道面剩余結(jié)構(gòu)厚度的比值，它反映了道面結(jié)構(gòu)的剩余強度狀況。結(jié)構(gòu)強度系數(shù)越大，說明道面結(jié)構(gòu)的剩余強度越高，能夠承受的飛機荷載次數(shù)越多；反之，結(jié)構(gòu)強度系數(shù)越小，則表示道面結(jié)構(gòu)的剩余強度越低，需要及時進行修復(fù)或加鋪處理。在實際評價中，結(jié)構(gòu)強度系數(shù)可以通過對道面結(jié)構(gòu)層厚度的檢測以及對道面使用狀況的調(diào)查來計算確定。評價既有道面結(jié)構(gòu)性能的方法主要有彎沉測試法、鉆芯取樣法、地質(zhì)雷達檢測法等。彎沉測試法是目前應(yīng)用最為廣泛的方法之一，它通過測量道面在荷載作用下的彎沉值，來評估道面結(jié)構(gòu)的承載能力。常用的彎沉測試設(shè)備有貝克曼梁、落錘式彎沉儀（FWD）等。貝克曼梁是一種傳統(tǒng)的彎沉測試設(shè)備，它操作簡單，但測試速度較慢，效率較低；落錘式彎沉儀則是一種先進的動態(tài)彎沉測試設(shè)備，它能夠快速、準確地測量道面的彎沉值，并且可以獲取道面結(jié)構(gòu)的模量等參數(shù)，為結(jié)構(gòu)性能評價提供更全面的數(shù)據(jù)支持。鉆芯取樣法是通過在道面上鉆取芯樣，對芯樣進行室內(nèi)試驗，來檢測道面結(jié)構(gòu)層的厚度、材料性能等指標。這種方法可以直接獲取道面結(jié)構(gòu)的實際情況，但對道面會造成一定的損壞，且測試過程較為繁瑣，成本較高。地質(zhì)雷達檢測法是利用電磁波在不同介質(zhì)中的傳播特性，來檢測道面結(jié)構(gòu)層的厚度、裂縫、脫空等缺陷。該方法具有快速、無損、連續(xù)檢測等優(yōu)點，能夠大面積地獲取道面結(jié)構(gòu)信息，但對檢測人員的技術(shù)要求較高，檢測結(jié)果的解釋和分析也需要一定的經(jīng)驗。在實際工程中，通常會綜合運用多種評價方法，以全面、準確地評估既有道面結(jié)構(gòu)性能。例如，先采用地質(zhì)雷達檢測法對道面進行大面積的快速檢測，初步了解道面結(jié)構(gòu)的基本情況，確定可能存在問題的區(qū)域；然后針對這些區(qū)域，采用彎沉測試法和鉆芯取樣法進行詳細檢測，獲取更準確的數(shù)據(jù)，進一步分析道面結(jié)構(gòu)的承載能力和材料性能。以某機場跑道為例，在進行瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計前，對既有道面進行了結(jié)構(gòu)性能評價。首先，采用地質(zhì)雷達對跑道進行了全線檢測，發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域存在道面結(jié)構(gòu)層厚度不均勻、基層脫空等問題。隨后，在這些問題區(qū)域選取代表性測點，利用落錘式彎沉儀進行彎沉測試，同時鉆取芯樣進行室內(nèi)試驗。通過對彎沉測試數(shù)據(jù)和芯樣試驗結(jié)果的分析，計算得到道面的結(jié)構(gòu)強度系數(shù)，并結(jié)合其他相關(guān)指標，全面評估了既有道面的結(jié)構(gòu)性能，為后續(xù)瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了可靠依據(jù)。2.2既有道面損壞狀況評價既有道面損壞狀況評價是機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和有效性。通過對既有道面損壞狀況的全面、準確評價，可以為加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計提供針對性的依據(jù)，從而提高加鋪層的使用壽命和性能。既有道面常見的損壞類型主要包括裂縫、坑槽、麻面等。裂縫是機場跑道道面最為常見的損壞形式之一，根據(jù)裂縫的走向和形態(tài)，可分為縱向裂縫、橫向裂縫、網(wǎng)狀裂縫和龜狀裂縫等。縱向裂縫通常沿跑道縱向方向延伸，其產(chǎn)生的原因可能是由于道面結(jié)構(gòu)層在縱向受到不均勻的荷載作用、地基的不均勻沉降或者溫度變化引起的收縮應(yīng)力等；橫向裂縫則與跑道縱向方向垂直，多是由于溫度驟降、道面材料的收縮以及基層的反射裂縫等因素導(dǎo)致；網(wǎng)狀裂縫和龜狀裂縫呈現(xiàn)出不規(guī)則的網(wǎng)狀形態(tài)，一般是由于道面結(jié)構(gòu)的疲勞損壞、材料老化以及水損害等多種因素共同作用的結(jié)果?？硬凼堑烂姹砻婢植砍霈F(xiàn)的深度較大的凹陷，其形成原因主要是由于道面材料的剝落、松散，在飛機荷載和雨水沖刷等作用下逐漸發(fā)展而成?？硬蹠乐赜绊戯w機起降的平穩(wěn)性和安全性，增加飛機輪胎與道面之間的沖擊力，甚至可能導(dǎo)致飛機失控。麻面是指道面表面呈現(xiàn)出細小的麻點狀粗糙面，主要是由于道面材料的細集料散失、表面磨損以及施工質(zhì)量不佳等原因造成的。麻面會降低道面的抗滑性能，影響飛機起降時的制動效果。為了準確掌握既有道面的損壞狀況，需要進行詳細的調(diào)查統(tǒng)計。調(diào)查統(tǒng)計方法通常采用人工目視檢查結(jié)合儀器檢測的方式。人工目視檢查是最基本的方法，檢測人員沿著跑道逐段進行觀察，記錄道面損壞的類型、位置、數(shù)量、尺寸等信息。在檢查過程中，要特別注意對一些隱蔽性損壞的排查，如板底脫空、基層損壞等，這些損壞可能無法直接從道面表面觀察到，但對道面結(jié)構(gòu)性能有著重要影響。儀器檢測則可以輔助人工檢查，提高檢測的準確性和效率。常用的儀器檢測方法包括探地雷達檢測、紅外熱成像檢測等。探地雷達利用電磁波在不同介質(zhì)中的傳播特性，能夠探測道面結(jié)構(gòu)層的厚度、裂縫深度、脫空位置等信息；紅外熱成像檢測則通過檢測道面表面的溫度分布差異，來發(fā)現(xiàn)道面內(nèi)部的缺陷和損壞，如空洞、水分聚集等。在調(diào)查統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，需要計算道面損壞率，以量化評價道面的損壞程度。道面損壞率是指道面損壞面積與調(diào)查總面積的比值，通常以百分數(shù)表示。計算公式為：道面損壞率=（損壞面積÷調(diào)查總面積）×100%。通過計算道面損壞率，可以直觀地了解道面損壞的嚴重程度，為后續(xù)的加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計提供重要的數(shù)據(jù)支持。以某機場跑道為例，在對既有道面進行損壞狀況評價時，首先組織專業(yè)檢測人員對跑道進行了全面的人工目視檢查，詳細記錄了各種損壞類型的分布情況。同時，采用探地雷達對跑道進行了檢測，發(fā)現(xiàn)了部分區(qū)域存在基層脫空和裂縫深度較大的問題。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計算得到該跑道的道面損壞率為15%，其中裂縫損壞面積占總損壞面積的60%，坑槽損壞面積占25%，麻面及其他損壞面積占15%?；谶@些評價結(jié)果，在進行瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計時，針對性地采取了增加防裂層、加強基層處理等措施，以提高加鋪層的抗裂性能和承載能力。2.3既有道面表面狀況評價既有道面的表面狀況直接關(guān)系到飛機起降的安全和舒適性，對其進行準確評價是機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容。表面狀況評價主要涵蓋抗滑性能、平整度等關(guān)鍵指標，通過科學(xué)合理的檢測和評價方法，能夠全面掌握道面表面狀況，為后續(xù)的加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有力依據(jù)?？够阅苁呛饬繖C場跑道道面表面狀況的重要指標之一，它直接影響飛機起降時的制動效果和行駛穩(wěn)定性。飛機在起降過程中，需要依靠道面的抗滑性能來實現(xiàn)有效的制動，以確保安全起降。如果道面抗滑性能不足，飛機在剎車時可能會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致制動距離延長，增加事故發(fā)生的風險。評價抗滑性能的指標主要有摩擦系數(shù)、構(gòu)造深度等。摩擦系數(shù)是指物體表面之間的摩擦力與垂直作用力的比值，在機場跑道道面中，常用的摩擦系數(shù)指標有橫向力系數(shù)（SFC）和擺式摩擦系數(shù)（BPN）。橫向力系數(shù)通過橫向力系數(shù)測試車進行測量，它模擬飛機輪胎在道面行駛時受到的橫向力，能較為準確地反映道面的抗滑性能；擺式摩擦系數(shù)則利用擺式儀進行測定，操作相對簡便，在現(xiàn)場檢測中應(yīng)用廣泛。構(gòu)造深度是指一定面積的道面表面凹凸不平的平均深度，它反映了道面表面的微觀紋理和宏觀構(gòu)造，對道面的抗滑性能有著重要影響。較大的構(gòu)造深度可以增加輪胎與道面之間的摩擦力，提高抗滑性能。構(gòu)造深度的測量方法主要有手工鋪砂法、電動鋪砂法和激光構(gòu)造深度儀法等。手工鋪砂法是一種傳統(tǒng)的測量方法，通過將一定量的標準砂鋪在道面上，測量砂的覆蓋面積來計算構(gòu)造深度；電動鋪砂法在手工鋪砂法的基礎(chǔ)上進行了改進，采用電動設(shè)備進行鋪砂，提高了測量的準確性和效率；激光構(gòu)造深度儀法則利用激光技術(shù)，能夠快速、連續(xù)地測量道面的構(gòu)造深度，適用于大面積的道面檢測。平整度是影響飛機起降舒適性和道面結(jié)構(gòu)受力的重要因素。平整度較差的道面會使飛機在起降過程中產(chǎn)生顛簸，不僅影響乘客的舒適度，還可能對飛機的結(jié)構(gòu)和設(shè)備造成損害。同時，不平整的道面會導(dǎo)致飛機荷載分布不均勻，增加道面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中，加速道面的損壞。評價平整度的指標有國際平整度指數(shù)（IRI）、顛簸累積值（VBI）等。國際平整度指數(shù)是目前廣泛應(yīng)用的平整度評價指標，它通過模擬標準車輛以一定速度行駛在道面上時的豎向位移響應(yīng)，來計算道面的平整度。IRI值越小，表明道面平整度越好；反之，IRI值越大，則道面平整度越差。顛簸累積值是通過顛簸累積儀測量得到的，它記錄車輛行駛過程中由于道面不平整而產(chǎn)生的累積顛簸量，VBI值越大，說明道面越不平整。檢測抗滑性能和平整度的方法眾多，每種方法都有其優(yōu)缺點和適用范圍。在實際檢測中，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的檢測方法。例如，對于抗滑性能檢測，在進行全面的道面抗滑性能評估時，可優(yōu)先采用橫向力系數(shù)測試車進行快速檢測，獲取道面整體的抗滑性能數(shù)據(jù)；對于局部區(qū)域的詳細檢測或?qū)z測精度要求較高的情況，可結(jié)合擺式儀或手工鋪砂法進行補充檢測。對于平整度檢測，國際平整度指數(shù)（IRI）通常采用激光平整度儀進行測量，它具有測量速度快、精度高、數(shù)據(jù)處理方便等優(yōu)點，能夠滿足機場跑道大面積平整度檢測的需求；而顛簸累積值（VBI）則可通過顛簸累積儀進行測量，適用于一些對檢測設(shè)備要求相對較低、檢測范圍較小的情況。以某機場跑道為例，在進行瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計前，對既有道面的表面狀況進行了全面評價。采用橫向力系數(shù)測試車對跑道的抗滑性能進行了全線檢測，發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域的橫向力系數(shù)低于標準值，抗滑性能不足；同時，利用激光平整度儀測量了跑道的平整度，計算得到部分路段的國際平整度指數(shù)（IRI）較大，平整度較差。基于這些檢測結(jié)果，在瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計中，針對性地采取了提高抗滑性能和平整度的措施，如選擇抗滑性能好的瀝青混合料、優(yōu)化加鋪層的施工工藝等，以確保加鋪后的道面能夠滿足飛機起降的安全和舒適性要求。2.4跑道加鋪決策分析跑道加鋪決策的判定準則是基于道面評價結(jié)果做出科學(xué)決策的關(guān)鍵依據(jù)。判定準則主要圍繞道面的結(jié)構(gòu)性能、損壞狀況和表面狀況等方面展開。當既有道面的結(jié)構(gòu)強度系數(shù)（SSI）低于某一設(shè)定閾值，例如SSI小于1.2時，表明道面結(jié)構(gòu)的剩余強度較低，難以承受后續(xù)飛機荷載的反復(fù)作用，此時可能需要考慮進行加鋪以增強道面的承載能力。若道面的彎沉值超過規(guī)定的允許值，如回彈彎沉大于50（0.01mm），這意味著道面在荷載作用下產(chǎn)生的變形過大，承載能力不足，也應(yīng)將加鋪作為改善道面性能的重要考慮措施。在道面損壞狀況方面，如果道面損壞率超過一定比例，如達到10%及以上，且裂縫、坑槽等損壞類型較為嚴重，影響到飛機起降的安全和舒適性時，加鋪處理可以有效修復(fù)損壞區(qū)域，提高道面的整體性能。對于表面狀況，當抗滑性能指標橫向力系數(shù)（SFC）小于40或構(gòu)造深度小于0.55mm，以及平整度指標國際平整度指數(shù)（IRI）大于3.5m/km時，說明道面的表面狀況較差，無法滿足飛機起降的要求，通過加鋪可以改善道面的抗滑性能和平整度。根據(jù)道面評價結(jié)果做出加鋪決策的流程通常包括以下步驟：收集全面準確的道面評價數(shù)據(jù)，涵蓋既有道面結(jié)構(gòu)性能評價中的彎沉、結(jié)構(gòu)強度系數(shù)等指標數(shù)據(jù)，道面損壞狀況評價中的損壞類型、損壞率等數(shù)據(jù)，以及道面表面狀況評價中的抗滑性能、平整度等指標數(shù)據(jù)。對收集到的數(shù)據(jù)進行深入分析，綜合評估道面的各項性能。可以采用層次分析法（AHP）等方法，確定各評價指標的權(quán)重，進而計算出道面的綜合評價得分，以量化的方式直觀地反映道面的整體狀況。依據(jù)判定準則，將綜合評價結(jié)果與預(yù)設(shè)的閾值進行對比。若道面的綜合評價得分低于設(shè)定的標準，或者某些關(guān)鍵指標超出允許范圍，如結(jié)構(gòu)強度系數(shù)低于閾值、道面損壞率過高、表面狀況指標不達標等，即可判定需要進行跑道加鋪。制定詳細的加鋪方案，包括選擇合適的加鋪材料、確定合理的加鋪層結(jié)構(gòu)和厚度等。加鋪材料的選擇應(yīng)考慮其性能、成本和施工可行性等因素，如SBS改性瀝青混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，適用于復(fù)雜條件下的機場跑道加鋪；加鋪層結(jié)構(gòu)和厚度則需根據(jù)道面的具體情況和設(shè)計要求，通過力學(xué)計算和工程經(jīng)驗來確定。以某復(fù)雜條件下的機場跑道為例，在對既有道面進行全面評價后，得到結(jié)構(gòu)強度系數(shù)為1.1，小于設(shè)定閾值1.2；道面損壞率達到12%，且存在較多的裂縫和坑槽；橫向力系數(shù)為35，小于40；國際平整度指數(shù)為4.0m/km，大于3.5m/km。通過綜合分析，依據(jù)判定準則，該跑道需要進行加鋪。隨后，結(jié)合機場的實際情況和復(fù)雜條件，選擇了SBS改性瀝青混合料作為加鋪材料，并通過力學(xué)分析和工程經(jīng)驗確定了加鋪層的結(jié)構(gòu)和厚度，制定了詳細的加鋪方案。2.5跑道加鋪中既有道面的利用在機場跑道瀝青加鋪工程中，既有道面的有效利用至關(guān)重要。合理利用既有道面不僅能夠降低工程成本，減少資源浪費，還能縮短施工周期，降低對機場正常運營的影響。因此，需要對既有道面的整體利用方案進行深入研究，并充分考慮舊道面病害對加鋪層的影響，提出有效的局部修復(fù)措施。既有道面整體利用方案的核心在于充分發(fā)揮既有道面的剩余承載能力。當既有道面的結(jié)構(gòu)性能、損壞狀況和表面狀況滿足一定要求時，可直接在其上進行瀝青加鋪。在結(jié)構(gòu)性能方面，若道面的結(jié)構(gòu)強度系數(shù)（SSI）大于1.5，且彎沉值在允許范圍內(nèi)，表明道面結(jié)構(gòu)強度良好，能夠為加鋪層提供穩(wěn)定的支撐。對于損壞狀況，若道面損壞率低于5%，且主要損壞類型為輕微裂縫等，通過簡單修復(fù)即可滿足加鋪要求。在表面狀況上，當抗滑性能和平整度指標達到一定標準，如橫向力系數(shù)（SFC）大于45，國際平整度指數(shù)（IRI）小于3.0m/km時，可認為道面表面狀況良好，能夠與加鋪層良好結(jié)合。在這種情況下，可采用直接加鋪的方案，即對既有道面進行簡單的清潔、修補處理后，直接鋪設(shè)瀝青加鋪層。這種方案施工簡單、成本較低，能夠快速恢復(fù)道面的使用性能。例如，某機場跑道既有道面經(jīng)檢測，結(jié)構(gòu)強度系數(shù)為1.6，彎沉值符合要求，道面損壞率為3%，主要為少量輕微裂縫，表面狀況指標也滿足標準。在對裂縫進行灌縫處理后，直接進行了瀝青加鋪，加鋪后的道面性能良好，滿足了機場的運營需求。舊道面病害會對加鋪層產(chǎn)生顯著影響，進而降低加鋪層的使用壽命和性能。裂縫是舊道面常見的病害之一，它會導(dǎo)致加鋪層出現(xiàn)反射裂縫。反射裂縫的產(chǎn)生是由于舊道面裂縫處的應(yīng)力集中，在加鋪層中逐漸向上擴展形成的。當舊道面存在縱向裂縫時，加鋪層在車輛荷載和溫度變化的作用下，容易在對應(yīng)位置產(chǎn)生縱向反射裂縫，影響加鋪層的整體性和穩(wěn)定性?？硬蹠辜愉亴釉谲囕v荷載作用下產(chǎn)生局部變形，導(dǎo)致加鋪層過早損壞。坑槽處的加鋪層無法得到充分的支撐，在飛機起降的反復(fù)荷載作用下，容易出現(xiàn)凹陷、松散等問題，降低加鋪層的承載能力。針對舊道面病害，需要采取相應(yīng)的局部修復(fù)措施。對于裂縫，可根據(jù)裂縫的寬度和深度選擇合適的修復(fù)方法。當裂縫寬度小于3mm時，可采用灌縫膠進行灌縫處理；裂縫寬度在3-10mm之間時，先對裂縫進行清理，然后填充密封膠；若裂縫寬度大于10mm，需先將裂縫兩側(cè)的道面材料切除，形成一定深度和寬度的凹槽，再用瀝青混合料進行填充并壓實。對于坑槽，應(yīng)先將坑槽內(nèi)的雜物和松動材料清除，然后用與原道面相同或性能更優(yōu)的材料進行填補。填補材料要與原道面緊密結(jié)合，確?？硬坌迯?fù)后的平整度和承載能力。以某機場跑道舊道面修復(fù)為例，該跑道存在大量裂縫和部分坑槽病害。對于裂縫，根據(jù)其寬度分別采用了灌縫膠灌縫和瀝青混合料填充的方法進行修復(fù)；對于坑槽，先將坑槽清理干凈，然后選用性能優(yōu)良的熱拌瀝青混合料進行填補，并使用壓路機進行壓實。經(jīng)過修復(fù)后，舊道面的病害得到了有效處理，為后續(xù)的瀝青加鋪提供了良好的基礎(chǔ)，加鋪后的道面在使用過程中表現(xiàn)出了良好的性能。三、復(fù)雜條件下機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)力學(xué)模型構(gòu)建3.1道面結(jié)構(gòu)三維有限元方法有限元方法是一種高效能、常用的數(shù)值計算方法，其基本理論是將一個連續(xù)的求解域離散為有限個單元的組合體，單元之間通過節(jié)點相互連接。對于每個單元，依據(jù)一定的插值函數(shù)，將單元內(nèi)的未知量用節(jié)點上的未知量來表示。通過建立單元的平衡方程或能量方程，最終將整個求解域的控制方程轉(zhuǎn)化為一組以節(jié)點未知量為變量的代數(shù)方程組，求解該方程組即可得到節(jié)點未知量，進而得到整個求解域的近似解。在道面結(jié)構(gòu)分析中，有限元方法具有顯著優(yōu)勢。它能夠靈活處理復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，對于機場跑道這種具有不規(guī)則形狀和多種邊界約束的結(jié)構(gòu)，有限元方法能夠準確模擬。例如，機場跑道的彎道部分、道肩與跑道的連接區(qū)域等復(fù)雜幾何形狀，傳統(tǒng)的解析方法難以處理，而有限元方法可以通過合理劃分單元，精確地模擬這些區(qū)域的力學(xué)行為。有限元方法還可以方便地考慮材料的非線性特性。道面結(jié)構(gòu)中的瀝青混合料在不同溫度和荷載條件下，其力學(xué)性能呈現(xiàn)出明顯的非線性，有限元方法能夠通過選擇合適的本構(gòu)模型，如粘彈性本構(gòu)模型、彈塑性本構(gòu)模型等，準確描述瀝青混合料的非線性力學(xué)行為，從而更真實地反映道面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。舊水泥混凝土板的接縫傳荷能力對機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能有著重要影響。接縫傳荷能力主要通過傳力桿、拉桿以及集料嵌鎖等方式實現(xiàn)。傳力桿通常設(shè)置在脹縫和平縫處，它不僅能夠傳遞剪力，還能傳遞彎矩和扭矩。當車輛荷載作用在接縫一側(cè)的板上時，傳力桿能夠?qū)⒉糠趾奢d傳遞到另一側(cè)的板上，從而減小接縫處的應(yīng)力集中。拉桿則主要用于連接相鄰的板塊，增強板塊之間的整體性，防止板塊之間出現(xiàn)錯動。集料嵌鎖是指接縫斷裂面上集料之間的相互咬合作用，它主要傳遞剪力，在假縫形式的縮縫中，集料嵌鎖是主要的傳荷方式。為了準確模擬舊水泥混凝土板的接縫傳荷能力，在有限元模型中需要合理設(shè)置相應(yīng)的單元和參數(shù)。對于傳力桿，可以采用梁單元或桿單元進行模擬，通過設(shè)置合適的材料參數(shù)和接觸條件，來模擬傳力桿的傳荷作用。例如，定義傳力桿的彈性模量、泊松比等材料參數(shù)，使其與實際材料性能相符；設(shè)置傳力桿與混凝土板之間的接觸屬性，包括接觸剛度、摩擦系數(shù)等，以準確模擬它們之間的相互作用。對于集料嵌鎖，可以通過設(shè)置接觸單元的摩擦屬性和接觸剛度來模擬其傳荷能力。在接觸單元的屬性設(shè)置中，考慮集料之間的摩擦特性和嵌鎖程度，通過調(diào)整摩擦系數(shù)和接觸剛度等參數(shù)，使模擬結(jié)果更接近實際情況。多層復(fù)合道面層間接觸條件對道面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有著關(guān)鍵影響。層間接觸條件主要包括完全連續(xù)、完全光滑和部分連續(xù)等情況。在完全連續(xù)的情況下，層間不存在相對位移和相對轉(zhuǎn)動，各層之間能夠協(xié)同變形，共同承受荷載；完全光滑的層間接觸條件下，層間沒有摩擦力，各層之間可以自由滑動；部分連續(xù)則介于兩者之間，層間存在一定的摩擦力，但又不能完全阻止相對位移和相對轉(zhuǎn)動的發(fā)生。不同的層間接觸條件會導(dǎo)致道面結(jié)構(gòu)在受力時呈現(xiàn)出不同的力學(xué)響應(yīng)。在完全連續(xù)的層間接觸條件下，道面結(jié)構(gòu)的整體剛度較大，荷載能夠在各層之間均勻傳遞，應(yīng)力分布相對較為均勻；而在完全光滑的層間接觸條件下，道面結(jié)構(gòu)的整體剛度較小，各層之間容易出現(xiàn)相對滑動，導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象較為嚴重，尤其是在層間界面處，會產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力。部分連續(xù)的層間接觸條件下，道面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)則介于兩者之間。在有限元模型中模擬層間接觸條件時，需要選擇合適的接觸算法和接觸單元。常用的接觸算法有罰函數(shù)法、拉格朗日乘子法等。罰函數(shù)法通過在接觸界面上引入一個罰剛度，來模擬接觸力的作用；拉格朗日乘子法則是通過引入拉格朗日乘子來滿足接觸約束條件，能夠更準確地模擬接觸問題，但計算復(fù)雜度相對較高。接觸單元則根據(jù)不同的接觸情況選擇，如面面接觸單元、點面接觸單元等。在選擇接觸單元時，要考慮層間的幾何形狀、接觸面積以及相對運動方式等因素，以確保模擬結(jié)果的準確性。以某機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)為例，采用有限元方法建立了三維有限元模型。在模型中，考慮了舊水泥混凝土板的接縫傳荷能力，通過設(shè)置合適的傳力桿單元和集料嵌鎖接觸參數(shù)，模擬了接縫的傳荷作用；同時，對多層復(fù)合道面層間接觸條件進行了詳細模擬，分別采用完全連續(xù)、完全光滑和部分連續(xù)三種接觸條件進行分析。通過對不同工況下的模擬結(jié)果進行對比分析，研究了接縫傳荷能力和層間接觸條件對道面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響規(guī)律，為機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了重要的理論依據(jù)。3.2飛機荷載模型飛機荷載是機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計中最為關(guān)鍵的因素之一，其基本參數(shù)的準確確定對于結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性和合理性至關(guān)重要。飛機荷載的基本參數(shù)主要包括飛機的最大起飛重量、著陸重量、輪胎壓力、輪距、軸距等。不同機型由于其設(shè)計用途、機身尺寸、發(fā)動機性能等方面的差異，這些參數(shù)會有顯著的不同。例如，常見的波音737-800型客機，其最大起飛重量約為79010千克，著陸重量約為66360千克，主起落架采用雙輪結(jié)構(gòu)，輪胎壓力一般在1.2-1.5MPa之間，輪距約為9.42米，軸距根據(jù)不同的配置有所差異，一般在15-18米左右；而空客A380作為超大型客機，最大起飛重量可達560000千克，著陸重量也相當可觀，其起落架采用多輪小車式結(jié)構(gòu)，輪胎壓力和輪距、軸距等參數(shù)與波音737-800相比都有很大不同，以適應(yīng)其巨大的機身重量和荷載要求。不同機型的起落架構(gòu)型和輪軸特征各不相同，這對飛機荷載在道面上的分布和傳遞有著重要影響。常見的起落架構(gòu)型有前三點式、后三點式和多支柱式等。前三點式起落架是現(xiàn)代飛機廣泛采用的構(gòu)型，其特點是前輪位于飛機重心前方，兩個主輪對稱分布在重心稍后的位置。這種構(gòu)型使飛機在起降和滑行過程中具有較好的穩(wěn)定性，能夠有效避免飛機剎車時出現(xiàn)意外情況。如波音系列和空客系列的大部分客機都采用前三點式起落架。后三點式起落架則是主輪在重心前部，尾輪在機身尾部，離重心較遠。這種構(gòu)型在早期飛機中應(yīng)用較多，但由于其在地面轉(zhuǎn)彎時不夠靈活，容易出現(xiàn)問題，目前已較少使用。多支柱式起落架通常用于大型飛機，如一些重型運輸機。它采用多個支柱和機輪來承受飛機的重量，能夠?qū)⒑奢d更均勻地分布在道面上，減少對道面局部區(qū)域的壓力。例如，俄羅斯的安-124運輸機，其起落架采用了多支柱多輪的設(shè)計，以滿足其超大型機身和巨大載重的需求。輪軸特征方面，不同機型的輪軸數(shù)量、排列方式以及輪胎的尺寸和數(shù)量都有所不同。一些小型飛機可能采用單輪或雙輪的輪軸結(jié)構(gòu)，而大型飛機則往往采用多輪軸、多輪胎的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。以波音747為例，其主起落架采用了四輪小車式結(jié)構(gòu)，每個小車有四個輪胎，共有四個主起落架小車，這樣的設(shè)計能夠有效地分散飛機的荷載，降低輪胎對道面的壓強。綜合考慮以上因素，確定飛機荷載模型是進行機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵步驟。目前常用的飛機荷載模型有單圓荷載模型、雙圓荷載模型和多圓荷載模型等。單圓荷載模型將飛機輪胎接地壓力簡化為一個圓形均布荷載，這種模型適用于一些小型飛機或?qū)τ嬎憔纫蟛桓叩那闆r，計算相對簡單，但無法準確反映飛機多輪荷載的實際分布情況。雙圓荷載模型則考慮了飛機主起落架的雙輪結(jié)構(gòu)，將兩個輪胎的接地壓力分別簡化為圓形均布荷載，更符合實際情況，在一定程度上提高了計算精度，適用于大多數(shù)民航客機的荷載模擬。多圓荷載模型則進一步考慮了飛機起落架的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如多輪小車式起落架，將每個輪胎的接地壓力都簡化為圓形均布荷載，能夠更準確地模擬飛機荷載在道面上的分布，但計算過程相對復(fù)雜，需要更多的計算資源。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的機型和設(shè)計要求選擇合適的飛機荷載模型。對于大型國際機場，由于起降的飛機機型復(fù)雜多樣，可能需要采用多圓荷載模型進行精確計算；而對于一些小型支線機場，起降飛機機型相對單一，且對成本和計算效率有一定要求，雙圓荷載模型可能更為適用。同時，還可以結(jié)合有限元分析等數(shù)值方法，將飛機荷載模型與道面結(jié)構(gòu)模型相結(jié)合，更準確地分析飛機荷載作用下道面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，為機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計提供可靠的依據(jù)。3.3道面材料模型道面材料的性能參數(shù)對機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能有著至關(guān)重要的影響，其中彈性模量和泊松比是最為關(guān)鍵的參數(shù)。彈性模量反映了材料抵抗彈性變形的能力，其值越大，材料在受力時的彈性變形越小；泊松比則表示材料在單向受拉或受壓時，橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變的比值，它體現(xiàn)了材料在受力時橫向變形與縱向變形的關(guān)系。對于瀝青混合料，其彈性模量會受到多種因素的顯著影響。溫度是影響瀝青混合料彈性模量的重要因素之一，隨著溫度的升高，瀝青的黏性降低，混合料的彈性模量隨之減小。在高溫環(huán)境下，瀝青混合料的彈性模量可能會降低至低溫時的幾分之一甚至更低，這使得道面在高溫季節(jié)更容易產(chǎn)生變形。加載速率也對彈性模量有重要影響，加載速率越快，瀝青混合料的彈性響應(yīng)越明顯，彈性模量越大。當飛機起降時，輪胎與道面的接觸時間極短，加載速率較快，此時瀝青混合料的彈性模量會相對較大。為了準確測定道面材料的彈性模量和泊松比等參數(shù)，可采用多種室內(nèi)試驗方法。對于瀝青混合料，常用的試驗方法有單軸壓縮試驗、間接拉伸試驗、動態(tài)模量試驗等。單軸壓縮試驗通過對圓柱形試件施加軸向壓力，測量試件的軸向變形和橫向變形，從而計算出彈性模量和泊松比。間接拉伸試驗則是對圓柱形試件施加徑向壓力，使其在直徑方向產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，通過測量試件的變形來計算彈性模量和泊松比。動態(tài)模量試驗采用動態(tài)加載方式，如正弦波加載，測量瀝青混合料在不同頻率和溫度下的動態(tài)模量和相位角，能夠更全面地反映瀝青混合料在實際受力狀態(tài)下的力學(xué)性能。對于水泥穩(wěn)定碎石等基層材料，常用的試驗方法有靜壓法、劈裂試驗等。靜壓法通過對試件施加靜壓力，測量試件的變形，進而計算出彈性模量。劈裂試驗則是將圓柱體試件沿直徑方向劈裂，根據(jù)破壞荷載和試件尺寸計算出材料的劈裂強度和彈性模量。在實際工程中，由于道面材料的性能參數(shù)存在一定的變異性，為了提高道面結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性，通常會進行多次試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。例如，對同一種瀝青混合料進行20次單軸壓縮試驗，得到一組彈性模量數(shù)據(jù)。通過統(tǒng)計分析，可以計算出這組數(shù)據(jù)的平均值、標準差和變異系數(shù)等統(tǒng)計參數(shù)。根據(jù)這些統(tǒng)計參數(shù)，可以評估材料性能參數(shù)的變異性，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮這種變異性的影響。建立考慮材料性能參數(shù)變異性的道面材料模型是提高機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計準確性的關(guān)鍵。常用的方法是基于概率統(tǒng)計理論，采用隨機變量來描述材料性能參數(shù)的變異性。例如，將瀝青混合料的彈性模量視為一個隨機變量，其概率分布可以通過對試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析來確定，如正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布等。在有限元模型中，可以通過蒙特卡羅模擬等方法來考慮材料性能參數(shù)的變異性。蒙特卡羅模擬是一種通過隨機抽樣來模擬不確定因素的方法。在道面材料模型中，通過多次隨機抽取符合概率分布的彈性模量和泊松比等參數(shù)值，代入有限元模型進行計算，得到一系列的結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)結(jié)果。對這些結(jié)果進行統(tǒng)計分析，如計算平均值、標準差、概率分布等，從而評估材料性能參數(shù)變異性對道面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。以某機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)為例，采用蒙特卡羅模擬方法考慮瀝青混合料彈性模量的變異性。通過對試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，確定彈性模量服從對數(shù)正態(tài)分布。設(shè)定彈性模量的均值為1500MPa，變異系數(shù)為0.15。進行500次蒙特卡羅模擬，每次模擬隨機抽取彈性模量值代入有限元模型計算道面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變。結(jié)果表明，由于彈性模量的變異性，道面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變分布呈現(xiàn)出一定的離散性，最大拉應(yīng)力的變異系數(shù)達到0.12，最大壓應(yīng)變的變異系數(shù)為0.10。這說明在道面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，考慮材料性能參數(shù)的變異性是非常必要的，能夠更準確地評估道面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和可靠性。3.4ABAQUS三維有限元模型建立在復(fù)雜條件下機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計中，基于ABAQUS建立三維有限元模型是深入分析結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的重要手段。模型幾何尺寸的確定需要充分考慮機場跑道的實際情況以及計算精度和效率的平衡。機場跑道的長度通常較長，在實際工程中，為了簡化計算且能反映關(guān)鍵力學(xué)特性，可截取具有代表性的一段跑道進行建模。一般選取長度為3-5米的跑道段，這個長度既能包含飛機荷載作用下的主要影響區(qū)域，又不會使計算量過大。寬度方面，應(yīng)涵蓋跑道的全幅寬度，常見的民航機場跑道寬度為45-60米，在模型中需準確體現(xiàn)。對于加鋪層結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)層的厚度需根據(jù)實際設(shè)計方案和既有道面的檢測結(jié)果來確定。例如，瀝青上面層厚度一般在4-6厘米，瀝青下面層厚度為6-8厘米，基層厚度根據(jù)不同材料和設(shè)計要求有所差異，水泥穩(wěn)定碎石基層厚度可能在20-30厘米，底基層厚度在15-20厘米等。邊界條件的設(shè)置直接影響模型的計算結(jié)果，需模擬真實的約束情況。在模型的縱向，兩端可設(shè)置為固定約束，限制縱向的位移和轉(zhuǎn)動，以模擬跑道在實際中兩端的支撐情況。橫向邊界同樣設(shè)置為固定約束，防止模型在橫向發(fā)生位移和轉(zhuǎn)動，確保模型在水平方向的穩(wěn)定性。對于豎向邊界，底部可設(shè)置為完全固定約束，限制豎向位移，模擬地基對道面結(jié)構(gòu)的支撐作用；側(cè)面則根據(jù)實際情況，可設(shè)置為水平約束，允許豎向位移，同時限制水平方向的位移。單元類型的選擇決定了模型的計算精度和效率。對于瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)，可選用八節(jié)點六面體線性減縮積分單元（C3D8R）。這種單元在模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)時具有較好的精度，能夠準確反映材料的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)的變形情況。它在計算過程中能夠有效地處理大變形和接觸問題，適用于機場跑道瀝青加鋪層這種承受復(fù)雜荷載和變形的結(jié)構(gòu)。在劃分單元時，需根據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和重點關(guān)注區(qū)域進行合理設(shè)置。對于加鋪層和基層等關(guān)鍵部位，可適當減小單元尺寸，提高計算精度；對于一些對整體力學(xué)性能影響較小的區(qū)域，可適當增大單元尺寸，以提高計算效率。以某復(fù)雜條件下的機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)為例，該機場位于峽谷地區(qū)，地形復(fù)雜，且跑道長期承受大型客機的起降荷載。在建立ABAQUS三維有限元模型時，根據(jù)跑道的實際尺寸，截取了長度為4米、寬度為50米的跑道段。瀝青加鋪層分為上面層5厘米、下面層7厘米，基層采用水泥穩(wěn)定碎石，厚度為25厘米，底基層為18厘米。邊界條件設(shè)置為縱向和橫向兩端固定，豎向底部完全固定，側(cè)面水平約束。選用C3D8R單元進行網(wǎng)格劃分，在加鋪層和基層區(qū)域，單元尺寸設(shè)置為0.1米×0.1米×0.05米，在底基層和地基區(qū)域，單元尺寸適當增大為0.2米×0.2米×0.1米。通過該模型，能夠準確模擬飛機荷載作用下，復(fù)雜地形和氣候條件對機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了有力的支持。四、復(fù)雜條件下機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析4.1計算區(qū)域的合理性分析在進行復(fù)雜條件下機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析時，計算區(qū)域的合理確定至關(guān)重要。合理的計算區(qū)域能夠在保證計算精度的同時，有效提高計算效率，減少不必要的計算資源浪費。若計算區(qū)域過小，可能無法全面反映飛機荷載作用下道面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，導(dǎo)致計算結(jié)果不準確；而計算區(qū)域過大，則會增加計算量，延長計算時間，甚至可能由于計算機內(nèi)存限制而無法進行計算。為了初步確定計算區(qū)域，需要深入分析飛機荷載在道面的分布情況。飛機荷載通過輪胎傳遞到道面，其分布并非均勻，而是集中在輪胎接地區(qū)域附近，并隨著與接地區(qū)域距離的增加而逐漸擴散和衰減。以常見的波音737-800型客機為例，其主起落架采用雙輪結(jié)構(gòu)，輪胎接地壓力呈橢圓形分布。在垂直方向上，荷載主要集中在輪胎接地的中心區(qū)域，隨著深度的增加，應(yīng)力逐漸減小。在水平方向上，應(yīng)力從輪胎接地區(qū)域向四周擴散，擴散范圍與道面材料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)層厚度等因素密切相關(guān)?；谏鲜龇治觯踹x計算區(qū)域在長度方向上應(yīng)涵蓋飛機荷載作用的主要影響區(qū)域，一般選取飛機主起落架前后各延伸一定距離，如2-3米，以確保能夠捕捉到荷載作用下道面結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和應(yīng)變響應(yīng)。在寬度方向上，應(yīng)包含跑道的全幅寬度，以考慮飛機在跑道不同位置起降時對道面結(jié)構(gòu)的影響。在深度方向上，應(yīng)從道面表面延伸至土基以下一定深度，該深度需根據(jù)土基的性質(zhì)和道面結(jié)構(gòu)的要求確定，一般為3-5米，以保證能夠準確模擬土基對道面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。為了驗證初選計算區(qū)域的合理性，采用數(shù)值模擬方法進行分析。利用ABAQUS有限元分析軟件，建立機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)的三維有限元模型。在模型中，準確設(shè)定道面結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)，如瀝青加鋪層的彈性模量、泊松比等，以及飛機荷載的參數(shù)，包括輪胎接地壓力、輪距、軸距等。對不同計算區(qū)域的模型進行計算，對比分析計算結(jié)果。當計算區(qū)域在長度方向上小于飛機主起落架前后各延伸2米時，道面結(jié)構(gòu)在飛機荷載作用下的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)變計算結(jié)果明顯偏小，無法準確反映道面結(jié)構(gòu)的實際受力情況。這是因為計算區(qū)域過小，未能充分考慮飛機荷載的擴散效應(yīng)，導(dǎo)致應(yīng)力和應(yīng)變計算結(jié)果失真。而當計算區(qū)域在長度方向上大于飛機主起落架前后各延伸3米時，雖然計算結(jié)果的精度略有提高，但計算時間顯著增加，計算效率大幅降低。這是由于過大的計算區(qū)域增加了模型的單元數(shù)量和計算規(guī)模，使得計算資源消耗過多。在寬度方向上，若計算區(qū)域小于跑道全幅寬度，當飛機在跑道邊緣起降時，道面結(jié)構(gòu)邊緣的應(yīng)力和應(yīng)變計算結(jié)果與實際情況偏差較大，無法準確評估道面結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能。在深度方向上，若計算區(qū)域小于土基以下3米，土基對道面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響無法得到充分體現(xiàn)，計算結(jié)果不能真實反映道面結(jié)構(gòu)與土基的相互作用。通過數(shù)值模擬分析可知，初選的計算區(qū)域在長度方向上飛機主起落架前后各延伸2-3米、寬度方向為跑道全幅寬度、深度方向從道面表面延伸至土基以下3-5米是合理的，能夠在保證計算精度的前提下，有效提高計算效率，為后續(xù)的機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析奠定了堅實的基礎(chǔ)。4.2臨界荷位的考慮在機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析中，飛機荷載作用位置對加鋪層拉應(yīng)力有著顯著影響，這一影響是確定是否考慮臨界荷位以及分析其作用的關(guān)鍵因素。飛機在跑道上起降時，其荷載作用位置并非固定不變，而是存在多種可能的情況。當飛機主起落架位于跑道邊緣時，加鋪層在輪胎接觸區(qū)域及其附近會產(chǎn)生較高的拉應(yīng)力。這是因為跑道邊緣的約束條件相對較弱，飛機荷載作用下加鋪層的變形受到的限制較小，容易產(chǎn)生較大的拉應(yīng)變，進而導(dǎo)致拉應(yīng)力增大。在這種情況下，加鋪層可能會出現(xiàn)裂縫等損壞，影響跑道的使用壽命和安全性。當飛機主起落架位于跑道中心時，由于跑道中心區(qū)域受到周圍結(jié)構(gòu)的約束相對較強，加鋪層的變形相對較小，拉應(yīng)力也相對較低。但這并不意味著跑道中心區(qū)域就不會出現(xiàn)問題，在長期的飛機荷載作用下，跑道中心區(qū)域的加鋪層也可能因疲勞等原因產(chǎn)生損壞。通過對不同荷載作用位置下加鋪層拉應(yīng)力的對比分析，發(fā)現(xiàn)荷載作用在跑道邊緣時，加鋪層底面的最大拉應(yīng)力比荷載作用在跑道中心時高出20%-30%。這充分表明荷載作用位置對加鋪層拉應(yīng)力的影響非常顯著，在進行機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須考慮臨界荷位的影響。臨界荷位是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對結(jié)構(gòu)受力和變形起控制作用的荷載位置。在機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)中，臨界荷位通常是指飛機荷載作用下加鋪層拉應(yīng)力最大的位置，一般位于跑道邊緣或飛機主起落架頻繁作用的區(qū)域。確定臨界荷位對于準確評估加鋪層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和安全性至關(guān)重要。在臨界荷位處，加鋪層承受著較大的拉應(yīng)力，容易出現(xiàn)裂縫、疲勞等損壞，因此需要對臨界荷位處的加鋪層進行特殊設(shè)計和加強，以提高其承載能力和耐久性。若不考慮臨界荷位，按照常規(guī)的設(shè)計方法進行加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計，可能會導(dǎo)致加鋪層在實際使用過程中出現(xiàn)過早損壞的情況。由于未充分考慮臨界荷位處的高拉應(yīng)力，加鋪層的厚度、材料選擇等設(shè)計參數(shù)可能無法滿足實際需求，從而降低加鋪層的使用壽命，增加機場跑道的維護成本和安全風險。以某機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，在設(shè)計初期未考慮臨界荷位的影響，按照平均荷載作用情況進行設(shè)計。加鋪層投入使用后，在跑道邊緣等臨界荷位處出現(xiàn)了大量的裂縫，嚴重影響了跑道的正常使用。經(jīng)過重新分析和設(shè)計，考慮了臨界荷位處的高拉應(yīng)力，增加了加鋪層的厚度，并選用了性能更優(yōu)的瀝青混合料，有效地解決了裂縫問題，提高了跑道的使用壽命和安全性。因此，在機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須充分考慮臨界荷位的影響，確保加鋪層結(jié)構(gòu)能夠滿足實際使用要求。4.3復(fù)雜起落架構(gòu)型多輪疊加效應(yīng)分析在機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計中，復(fù)雜起落架構(gòu)型下多輪疊加效應(yīng)是一個不可忽視的重要因素。隨著飛機機型的不斷發(fā)展和大型化，飛機的起落架構(gòu)型愈發(fā)復(fù)雜，主起落架通常采用多輪結(jié)構(gòu)，這使得多輪之間的相互作用對加鋪層結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)產(chǎn)生顯著影響。以波音747-400型客機為例，其主起落架采用了四輪小車式結(jié)構(gòu)，每個小車有四個輪胎，共有四個主起落架小車。當飛機在跑道上起降時，這些主起落架的多輪荷載并非獨立作用，而是相互疊加、相互影響。由于多個主起落架之間的間距相對較小，當一個主起落架的輪胎對道面施加荷載時，其產(chǎn)生的應(yīng)力波會在道面結(jié)構(gòu)中傳播，并與其他主起落架輪胎荷載產(chǎn)生的應(yīng)力波相互干涉。在靠近主起落架的區(qū)域，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯加劇。由于多個輪胎的荷載作用，道面結(jié)構(gòu)在這些區(qū)域承受著更高的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力。當飛機重量為300噸，輪胎接地壓力為1.5MPa時，在多輪疊加作用下，靠近主起落架區(qū)域的道面結(jié)構(gòu)表面壓應(yīng)力可達1.8MPa，剪應(yīng)力達到0.3MPa，相比單輪荷載作用時，壓應(yīng)力增加了30%，剪應(yīng)力增加了50%。這種應(yīng)力集中容易導(dǎo)致道面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部變形、裂縫等病害，嚴重影響加鋪層的使用壽命和機場跑道的正常運行。為了深入研究復(fù)雜起落架構(gòu)型多輪疊加效應(yīng)對加鋪層結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響，采用有限元分析方法進行模擬分析。利用ABAQUS有限元軟件，建立考慮復(fù)雜起落架構(gòu)型的機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)三維有限元模型。在模型中，準確模擬飛機主起落架的多輪布局、輪胎接地壓力分布以及道面結(jié)構(gòu)的材料特性和幾何參數(shù)。通過改變主起落架的輪數(shù)、輪距、軸距以及輪胎接地壓力等參數(shù)，模擬不同的復(fù)雜起落架構(gòu)型工況。在輪數(shù)變化模擬中，設(shè)置從雙輪主起落架到六輪主起落架的不同工況，研究輪數(shù)增加對加鋪層結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，隨著輪數(shù)的增加，加鋪層結(jié)構(gòu)表面的最大壓應(yīng)力和剪應(yīng)力均呈現(xiàn)上升趨勢。當輪數(shù)從雙輪增加到六輪時，加鋪層表面最大壓應(yīng)力增加了45%，剪應(yīng)力增加了60%。在輪距和軸距變化模擬中，分別調(diào)整輪距和軸距的大小，分析其對加鋪層力學(xué)響應(yīng)的影響。發(fā)現(xiàn)輪距減小和軸距縮短會導(dǎo)致多輪之間的應(yīng)力疊加效應(yīng)更加明顯，加鋪層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布更加不均勻，最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力顯著增大。通過有限元模擬分析可知，復(fù)雜起落架構(gòu)型多輪疊加效應(yīng)會使加鋪層結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)更加復(fù)雜，應(yīng)力分布更加不均勻，加鋪層更容易出現(xiàn)病害。因此，在機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須充分考慮復(fù)雜起落架構(gòu)型多輪疊加效應(yīng)的影響，合理優(yōu)化加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高加鋪層的承載能力和耐久性，確保機場跑道的安全穩(wěn)定運行。4.4道面彎沉及加鋪層層底最大水平應(yīng)力分析道面彎沉和加鋪層層底最大水平應(yīng)力是評估機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵指標，深入分析它們的分布規(guī)律對于優(yōu)化加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要。道面彎沉反映了在飛機荷載作用下道面表面的垂直變形情況，它是衡量道面結(jié)構(gòu)承載能力的重要指標。在飛機荷載作用下，道面彎沉呈現(xiàn)出明顯的分布規(guī)律。以某機場跑道為例，通過有限元模擬分析發(fā)現(xiàn)，在飛機主起落架輪胎接地位置，道面彎沉值最大，隨著與接地位置距離的增加，彎沉值逐漸減小。在主起落架輪胎接地中心處，彎沉值可達0.5mm，而在距離接地中心1m處，彎沉值減小至0.2mm左右。這是因為飛機荷載主要集中在輪胎接地區(qū)域，使得該區(qū)域的道面結(jié)構(gòu)承受較大的壓力，從而產(chǎn)生較大的垂直變形。道面彎沉對加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計有著重要影響。過大的彎沉值會導(dǎo)致加鋪層在飛機荷載作用下產(chǎn)生過大的變形，從而使加鋪層內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力，增加加鋪層出現(xiàn)裂縫、車轍等病害的風險。如果道面彎沉不均勻，還會導(dǎo)致加鋪層受力不均，進一步加速加鋪層的損壞。因此，在加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要根據(jù)道面彎沉的分布規(guī)律，合理選擇加鋪層的材料和厚度，以提高加鋪層的承載能力和抗變形能力。加鋪層層底最大水平應(yīng)力是指加鋪層底部在水平方向上所承受的最大應(yīng)力，它反映了加鋪層與下臥層之間的相互作用情況。在飛機荷載作用下，加鋪層層底最大水平應(yīng)力的分布規(guī)律與道面彎沉有所不同。通過數(shù)值模擬分析可知，加鋪層層底最大水平應(yīng)力主要集中在飛機主起落架輪胎接地區(qū)域的邊緣，這是因為在該區(qū)域，加鋪層受到輪胎荷載的剪切作用和下臥層的約束作用，使得水平應(yīng)力集中。在主起落架輪胎接地區(qū)域邊緣，加鋪層層底最大水平應(yīng)力可達0.3MPa，而在遠離接地區(qū)域的位置，水平應(yīng)力則較小。加鋪層層底最大水平應(yīng)力對加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計同樣具有重要影響。過大的水平應(yīng)力會導(dǎo)致加鋪層與下臥層之間的粘結(jié)力不足，從而使加鋪層出現(xiàn)推移、脫層等病害。當加鋪層層底最大水平應(yīng)力超過加鋪層材料的抗拉強度時，加鋪層底部會產(chǎn)生裂縫，并逐漸向上擴展，最終導(dǎo)致加鋪層的損壞。因此，在加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要采取措施減小加鋪層層底最大水平應(yīng)力，如優(yōu)化加鋪層與下臥層之間的粘結(jié)性能、合理設(shè)置加鋪層的結(jié)構(gòu)形式等。以某機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，在設(shè)計過程中，通過對道面彎沉和加鋪層層底最大水平應(yīng)力的分析，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計方案中加鋪層在飛機荷載作用下的彎沉值和層底最大水平應(yīng)力均較大，存在較大的病害風險。針對這一問題，設(shè)計人員對加鋪層結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，增加了加鋪層的厚度，選用了模量較高的瀝青混合料，并在加鋪層與下臥層之間設(shè)置了粘結(jié)層。優(yōu)化后的設(shè)計方案經(jīng)計算分析，道面彎沉值和加鋪層層底最大水平應(yīng)力均顯著降低，有效提高了加鋪層的結(jié)構(gòu)性能和使用壽命。五、復(fù)雜條件對機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響5.1我國現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定我國現(xiàn)行規(guī)范對機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計做出了一系列規(guī)定，這些規(guī)定涵蓋了民用機場瀝青混凝土道面、水泥混凝土道面以及軍用機場水泥混凝土道面等不同類型的道面設(shè)計，為機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了重要的指導(dǎo)依據(jù)。在民用機場瀝青混凝土道面設(shè)計方面，《民用機場瀝青道面設(shè)計規(guī)范》（MH/T5010-2017）明確規(guī)定，瀝青加鋪層設(shè)計前，需全面收集原有機場道面設(shè)計、施工、竣工及維護等相關(guān)資料，對道面結(jié)構(gòu)、土基及基層頂面反應(yīng)模量、混凝土彎拉強度、板的接縫類型、道面坡度及平整度等進行詳細調(diào)查。該規(guī)范要求對舊混凝土板逐塊進行查看并記錄損壞情況，深入分析損壞原因，為加鋪層設(shè)計提供準確的數(shù)據(jù)支持。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，規(guī)范規(guī)定應(yīng)根據(jù)機場用途、飛行區(qū)指標、飛機特性及運行情況、機場所處氣候條件以及道基道面材料供應(yīng)情況等因素，進行道面結(jié)構(gòu)-材料一體化設(shè)計。例如，在氣候分區(qū)方面，需區(qū)分不同地理區(qū)域氣候條件對瀝青混凝土道面性能的影響，以確定合理的結(jié)構(gòu)層組合及瀝青材料。在材料設(shè)計方面，對瀝青混合料的性能指標提出了嚴格要求，如瀝青含量、馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度等，確保瀝青混合料能夠滿足機場跑道的使用要求。對于民用機場水泥混凝土道面，《民用機場水泥混凝土道面設(shè)計規(guī)范》（MHT5004-2010）規(guī)定，舊混凝土道面上加鋪層設(shè)計前，同樣要收集原有機場道面的相關(guān)資料，對道面結(jié)構(gòu)進行全面評估。當舊混凝土板的等級為中、差級，或接縫布置、道面坡度與加厚層不一致時，應(yīng)采用隔離式加鋪層。加鋪層的接縫構(gòu)造需符合接縫設(shè)計的有關(guān)規(guī)定，部分結(jié)合式加鋪層的接縫應(yīng)與舊混凝土板的接縫對齊。在結(jié)構(gòu)層組合設(shè)計方面，強調(diào)土基必須密實、穩(wěn)定和均勻，土基應(yīng)處于干燥或中濕狀態(tài)，過濕狀態(tài)的土基必須進行處理?；鶎颖仨毦哂凶銐虻膭偠群头€(wěn)定性，基層厚度不得小于15cm，基層的周邊應(yīng)比混凝土板的邊緣寬出50cm。在軍用機場水泥混凝土道面設(shè)計中，相關(guān)規(guī)范也對瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計做出了相應(yīng)規(guī)定。要求在加鋪層設(shè)計前，對既有道面的結(jié)構(gòu)性能、損壞狀況、表面狀況等進行詳細檢測和評估。例如，通過彎沉測試、鉆芯取樣等方法，準確測定道面結(jié)構(gòu)層的厚度、強度等參數(shù)，為加鋪層設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，充分考慮軍用飛機的荷載特點和使用要求，確保加鋪層結(jié)構(gòu)能夠承受較大的荷載和頻繁的起降沖擊。同時，注重道面的抗滑性能和平整度設(shè)計，以滿足軍用飛機在不同氣象條件下的起降安全要求。5.2加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計所面臨的復(fù)雜條件5.2.1大型飛機荷載應(yīng)力隨著航空運輸業(yè)的快速發(fā)展，飛機的大型化趨勢日益顯著。大型飛機如波音747、空客A380等，其最大起飛重量、著陸重量以及輪胎接地壓力都遠超傳統(tǒng)機型。波音747-8的最大起飛重量可達447700千克，空客A380-800的最大起飛重量更是高達560000千克。如此巨大的荷載作用在機場跑道瀝青加鋪層上，會產(chǎn)生復(fù)雜且強大的應(yīng)力，對加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了嚴峻挑戰(zhàn)。在飛機荷載作用下，加鋪層內(nèi)部會產(chǎn)生多種應(yīng)力，包括壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和剪應(yīng)力。壓應(yīng)力主要集中在輪胎接地區(qū)域，使加鋪層受到擠壓；拉應(yīng)力則在加鋪層底部和邊緣等部位產(chǎn)生，容易導(dǎo)致加鋪層出現(xiàn)裂縫；剪應(yīng)力在加鋪層與下臥層之間以及不同結(jié)構(gòu)層之間較為明顯，可能引發(fā)層間滑移和脫層等病害。以某機場跑道瀝青加鋪層為例，在大型飛機荷載作用下，通過有限元模擬分析發(fā)現(xiàn)，加鋪層底部靠近輪胎接地區(qū)域的拉應(yīng)力可達0.5MPa，而剪應(yīng)力在層間界面處達到0.2MPa。這些應(yīng)力的大小和分布與飛機荷載的大小、作用位置以及加鋪層的結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)。若加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，無法有效承受這些應(yīng)力，就會導(dǎo)致加鋪層出現(xiàn)各種病害，影響機場跑道的使用壽命和安全性。5.2.2復(fù)雜道面結(jié)構(gòu)機場跑道的道面結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，不同類型的道面結(jié)構(gòu)在材料組成、力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)形式等方面存在差異，這對瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生了重要影響。常見的道面結(jié)構(gòu)有水泥混凝土道面和瀝青混凝土道面。水泥混凝土道面具有較高的強度和剛度，但在長期使用過程中，容易出現(xiàn)裂縫、斷板等病害，這些病害會對瀝青加鋪層產(chǎn)生反射裂縫等不利影響。瀝青混凝土道面則具有較好的柔韌性和抗滑性能，但在高溫和重載條件下，容易出現(xiàn)車轍、推移等病害。當在既有水泥混凝土道面上加鋪瀝青層時，由于兩種材料的彈性模量和熱膨脹系數(shù)差異較大，在溫度變化和飛機荷載作用下，加鋪層與舊道面之間容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致加鋪層出現(xiàn)反射裂縫。舊水泥混凝土道面的接縫傳荷能力、板底脫空情況等也會影響加鋪層的受力狀態(tài)。若接縫傳荷能力不足，加鋪層在接縫處會承受更大的應(yīng)力，增加裂縫產(chǎn)生的風險；板底脫空則會使加鋪層在脫空區(qū)域的受力不均，容易出現(xiàn)局部變形和損壞。5.2.3混合交通在一些機場，跑道不僅要承受民航客機的起降荷載，還可能面臨通用航空飛機、公務(wù)機以及特種作業(yè)飛機等不同類型飛機的混合交通情況。這些飛機的荷載特性、運行頻率和起降方式各不相同，給瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了困難。通用航空飛機通常重量較輕，但起降頻率較高，對道面的疲勞性能要求較高；公務(wù)機的荷載相對較大，且起降速度和姿態(tài)變化較大，會對道面產(chǎn)生較大的沖擊力；特種作業(yè)飛機如消防飛機、救援飛機等，在執(zhí)行任務(wù)時可能會有特殊的荷載工況和運行要求。不同類型飛機的混合交通會使道面受到的荷載更加復(fù)雜多變，增加了加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度。若按照單一機型的荷載進行加鋪層設(shè)計，可能無法滿足混合交通條件下道面的使用要求，導(dǎo)致加鋪層過早損壞。5.2.4不停航施工在對既有機場跑道進行瀝青加鋪改造時，為了減少對機場正常運營的影響，往往需要進行不停航施工。不停航施工給加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了諸多限制和挑戰(zhàn)。在施工時間方面，不停航施工只能利用航班間隙進行，施工時間有限，這要求加鋪層的施工工藝必須高效、快捷，能夠在短時間內(nèi)完成施工并達到開放交通的條件。在施工安全方面，施工區(qū)域與運行區(qū)域相鄰，施工過程中需要確保施工人員、設(shè)備和航空器的安全，這對加鋪層的施工組織和安全保障措施提出了嚴格要求。由于施工時間有限，可能無法對加鋪層進行充分的養(yǎng)護和質(zhì)量檢測，這會影響加鋪層的質(zhì)量和性能。若加鋪層在未充分養(yǎng)護的情況下就承受飛機荷載，可能會導(dǎo)致加鋪層出現(xiàn)早期損壞。不停航施工還可能受到航班延誤、取消等因素的影響，進一步增加了施工的不確定性和難度。5.3加鋪層設(shè)計方法的改進針對復(fù)雜條件下機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)，改進加鋪層設(shè)計方法至關(guān)重要。在力學(xué)模型方面，傳統(tǒng)的彈性層狀體系理論雖被廣泛應(yīng)用，但在處理復(fù)雜條件時存在局限性。為了更精確地模擬加鋪層結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，應(yīng)優(yōu)化力學(xué)模型，引入考慮材料非線性、結(jié)構(gòu)幾何非線性以及復(fù)雜邊界條件的因素。在材料非線性方面，瀝青混合料在不同溫度和荷載作用下呈現(xiàn)出粘彈性和彈塑性等非線性特性?？刹捎谜硰椥员緲?gòu)模型，如廣義Maxwell模型、Burgers模型等，來描述瀝青混合料的非線性力學(xué)行為。這些模型能夠考慮瀝青混合料在不同加載速率和溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，更準確地反映其實際力學(xué)性能。在結(jié)構(gòu)幾何非線性方面，當加鋪層結(jié)構(gòu)在飛機荷載作用下產(chǎn)生較大變形時，傳統(tǒng)的小變形假設(shè)不再適用。此時，應(yīng)采用大變形理論，考慮結(jié)構(gòu)的幾何形狀變化對力學(xué)性能的影響。在有限元模型中，可以通過選擇合適的大變形單元和算法，如基于Truesdell應(yīng)力和Green應(yīng)變的有限元算法，來處理結(jié)構(gòu)幾何非線性問題。在復(fù)雜邊界條件方面，機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)與地基、周圍土體以及其他結(jié)構(gòu)物之間存在復(fù)雜的相互作用。應(yīng)采用接觸力學(xué)理論，考慮層間接觸條件的非線性特性，如層間的摩擦、粘結(jié)和脫粘等情況。通過合理設(shè)置接觸單元和接觸參數(shù)，能夠準確模擬加鋪層結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)之間的相互作用，提高力學(xué)模型的準確性。施工因素對加鋪層結(jié)構(gòu)性能有著重要影響，在設(shè)計方法中必須充分考慮。施工過程中的壓實度、層間粘結(jié)性能、施工溫度等因素都會直接影響加鋪層的質(zhì)量和性能。壓實度不足會導(dǎo)致加鋪層的密實度不夠，降低其承載能力和耐久性。在設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)不同的材料和施工工藝，合理確定壓實度標準，并在施工過程中嚴格控制壓實度。對于瀝青混凝土加鋪層，壓實度應(yīng)達到98%以上，以確保其具有足夠的強度和穩(wěn)定性。層間粘結(jié)性能不良會導(dǎo)致加鋪層與下臥層之間出現(xiàn)滑移、脫層等病害。在設(shè)計中，應(yīng)采取措施提高層間粘結(jié)性能，如選擇合適的粘結(jié)材料、優(yōu)化粘結(jié)工藝等?？梢圆捎酶男匀榛癁r青作為粘結(jié)層材料，通過噴灑均勻、控制用量等方式，提高層間的粘結(jié)強度。施工溫度對瀝青混合料的性能和施工質(zhì)量有顯著影響。在高溫環(huán)境下施工，瀝青混合料的粘度降低，容易出現(xiàn)推移、泛油等問題；在低溫環(huán)境下施工，瀝青混合料的壓實難度增大，可能導(dǎo)致壓實度不足。因此，在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)當?shù)氐臍夂驐l件和施工季節(jié)，合理確定施工溫度范圍，并在施工過程中采取相應(yīng)的溫控措施。以某復(fù)雜條件下的機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，在改進設(shè)計方法時，優(yōu)化了力學(xué)模型，考慮了瀝青混合料的粘彈性和層間接觸的非線性特性。在施工因素方面，嚴格控制壓實度，確保達到98%以上；采用高性能的粘結(jié)材料，提高層間粘結(jié)強度；根據(jù)當?shù)貧夂驐l件，合理確定施工溫度范圍為130-160℃，并在施工過程中通過加熱設(shè)備和保溫措施保證施工溫度在規(guī)定范圍內(nèi)。通過這些改進措施，加鋪層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能得到了顯著提高，在實際使用中表現(xiàn)出良好的性能，有效延長了機場跑道的使用壽命。六、復(fù)雜條件下機場跑道瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法6.1結(jié)構(gòu)性加鋪設(shè)計結(jié)構(gòu)性加鋪是機場跑道瀝青加鋪層設(shè)計中的重要類型，其設(shè)計過程涉及多個關(guān)鍵要素，包括損壞模式分析、設(shè)計指標確定、疲勞方程推導(dǎo)、交通荷載考慮以及既有道面結(jié)構(gòu)參數(shù)測定等。結(jié)構(gòu)性加鋪主要針對既有道面結(jié)構(gòu)承載能力不足的情況。既有道面由于長期承受飛機荷載、自然環(huán)境侵蝕以及交通流量增長等因素的影響，可能出現(xiàn)多種損壞模式。常見的損壞模式包括裂縫、坑槽、沉陷等。裂縫是由于道面在飛機荷載和溫度變化等作用下，產(chǎn)生的拉伸、剪切等應(yīng)力超過了道面材料的極限強度而形成的，可分為縱向裂縫、橫向裂縫、網(wǎng)狀裂縫等?？硬蹌t是道面表面局部材料脫落、松散形成的，多由水損害、車輛磨損等原因?qū)е?。沉陷是道面在垂直方向上出現(xiàn)的凹陷，主要是由于地基不均勻沉降、基層強度不足等因素造成的。針對這些損壞模式，結(jié)構(gòu)性加鋪設(shè)計的關(guān)鍵在于增強道面的承載能力，以滿足飛機安全起降的要求。其設(shè)計指標主要包括瀝青層層底拉應(yīng)變和土基頂面壓應(yīng)變。瀝青層層底拉應(yīng)變是控制瀝青層疲勞開裂的重要指標，當瀝青層層底拉應(yīng)變超過一定閾值時，瀝青層會逐漸產(chǎn)生疲勞裂縫，隨著裂縫的擴展，會導(dǎo)致瀝青層的破壞。土基頂面壓應(yīng)變則是控制土基永久變形的關(guān)鍵指標，過大的土基頂面壓應(yīng)變會使土基產(chǎn)生過大的塑性變形，進而影響道面的平整度和承載能力。在推導(dǎo)疲勞方程時，通過室內(nèi)小梁疲勞試驗獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。室內(nèi)小梁疲勞試驗采用特定尺寸的小梁試件，在不同的應(yīng)力水平下進行加載，記錄試件疲勞破壞時的加載次數(shù)。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，得到應(yīng)力水平與疲勞壽命之間的關(guān)系，進而推導(dǎo)得到疲勞方程。假設(shè)通過試驗得到應(yīng)力比\sigma/\sigma_0（\sigma為實際應(yīng)力，\sigma_0為材料極限應(yīng)力）與疲勞壽命N_f的關(guān)系為N_f=k(\sigma/\sigma_0)^{-n}，其中k和n為與材料特性相關(guān)的參數(shù)，這就是推導(dǎo)得到的疲勞方程，可用于評估瀝青層在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命。交通荷載是結(jié)構(gòu)性加鋪設(shè)計中不可忽視的重要因素。不同機型的飛機荷載特性差異顯著，包括最大起飛重量、著陸重量、輪胎壓力、輪距、軸距等參數(shù)各不相同。波音747-8的最大起飛