機場跑道、滑行道不設豎曲線最大允許縱坡差研究

張儒雅

摘 要：該文采用公路和城市道路的豎曲線設置理論探討了機場跑道、滑行道的不設豎曲線最大允許縱坡差取值。基于飛機行駛于縱向變坡上乘客的運動軌跡分析，推導了縱坡差的計算式。通過對現行公路和城市道路規范的分析，確定了臨界離心加速度的合理取值，并由此計算出了不設豎曲線的縱坡差一般最大值和極限最大值，最后對其實際應用提出了建議。

關鍵詞：跑道 滑行道 加鋪 縱向變坡 縱坡折斷 最大允許值 豎曲線 離心加速度 豎曲線半徑 縱向輪距

中圖分類號：V279 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（c）-0014-02

1 問題的提出

我國現行《民用機場飛行區技術標準》（MH 5001-2013）及《國際民用航空公約附件14—— 機場》規定，跑道和滑行道在縱向變坡時應設置豎向變坡曲線，并給出了變坡曲線的最小曲率半徑[1-2]。但在實際工程中，特別是在跑道和滑行道加鋪工程中，為盡量減小加鋪工程量，縱向會設置較多的坡段，從而導致存在較多的縱向變坡，而且這些縱向變坡往往都很小，常為萬分之幾。如果這些坡段都設置豎向變坡曲線，一來給設計施工帶來不便，二來從直覺上看似乎也沒有必要無論多小的變坡均設置豎曲線。這就提出了一個工程實際問題，到底多小的變坡（縱坡折斷）可以不設置豎曲線？該文將就這一問題采用公路和城市道路的豎曲線設置理論進行探討和分析。

2 不設豎曲線時縱坡差對飛機乘客的影響

在公路和城市道路中，豎曲線的設置主要的限制因素為離心加速度不過大、行程時間不過短及滿足視距的要求[3]。對于該問題而言，討論的是不設豎曲線的最大縱坡差，因此無需討論豎曲線上的行程時間限制。對于機場而言，視距另有規定，不在該次討論之列。所以機場跑道、滑行道不設豎曲線的最大縱坡差值主要影響因素為飛機內乘客所感受到的離心加速度不過大，故需對不設豎曲線的縱坡差對飛機乘客的影響進行分析。

2.1 問題的抽象和簡化

如圖1所示，假設道面縱斷面為GOG′，GO和OG′分別為兩段縱坡，其縱坡差為ω，變坡點為O。接下來分析飛機行駛于縱斷面為GOG′的道面上時，乘客的運動軌跡。

首先飛機在GO段上平穩行駛，當飛機鼻輪到達O點時，乘客位于位置P，然后飛機鼻輪進入OG′段，主輪還位于GO段，此時乘客位置發生變化，開始承受離心加速度。飛機繼續往前行駛，當主輪通過O點后，飛機恢復平穩行駛，此時乘客位于位置P′，此后乘客不再承受離心加速度。在此過程中，乘客的位置沿一條曲線由P變化至P′，曲線PP′即為乘客的運動軌跡。曲線PP′的方程受乘客在飛機中的位置、飛機起落架的懸掛方式、地面的縱向變坡ω、飛機的縱向輪距L等諸多因素影響，具體的解析式非常復雜。由于地面的縱向變坡ω一般都很小，根據公路和城市道路的豎曲線設置理論[3]，可以將曲線PP′簡化為圓弧。由圖1可知，乘客位置由P變化至P′時，飛機位置由鼻輪位于O點變化至主輪位于O點，飛機的方向由GO變為OG′，因此圓弧PP′的長度等于飛機的縱向輪距L，角度等于地面的縱向變坡ω（單位為弧度），由此可以推出圓弧PP′的半徑為：

2.2 各參數取值的確定

由式（3）可知，要確定ω的最大允許值，需要確定a、L、V三個參數。參數a的取值在下一節中專門討論，該小節僅討論L、V的取值。

由式（2）可知，L越大，a越小，即飛機的縱向輪距越小越不利于飛機通過無豎曲線的縱向變坡。基于偏安全的考慮，應該采用較小的L來計算ω值。目前常用的大中型飛機中，縱向輪距最小的為A319，為11.04 m[4]；其次為B737-500，為11.07 m[5]，因此可取L=11 m。對于飛機的行駛速度V，跑道可取250 km/h，快速出口滑行道可取93 km/h，其他滑行道可取50 km/h[6]。

3 臨界離心加速度的確定

臨界離心加速度a的取值依賴于人的主觀感受，目前國內外已經有比較多的研究。AASHTO對縱坡豎曲線設計的有關分析認為：“在豎曲線上，當離心加速度不超過0.305 m/s2時，車上乘員感覺是舒適的”[7]。凌建明等通過主觀評價試驗研究表明，當車輛豎向加速度小于0.315 m/s2時，司乘人員“沒有不舒適感”[7]。電梯工程中關于轎廂內人體對于振動頻率和強度響應的研究表明：豎向加速度超過0.30 m/s2時，司乘人員開始感到不適[8]。我國現行公路和城市道路設計規范規定，如果僅從舒適度要求考慮，豎曲線的最小半徑如表1所示[9-10]。

根據表2和式（2）可以反算得出對應于上述豎曲線半徑的離心加速度值。

從以表2格可以看出，我國規范認為離心加速度的臨界值為0.25～0.30 m/s2左右；為保證舒適，離心加速度應控制在0.15～0.18 m/s2左右。

綜合上述各項研究，可以認為離心加速度的臨界值可取用0.25～0.30 m/s2，為保證平順性，可取用更小的離心加速度值。基于此，該文采用我國公路和城市道路的規范所反算得出的離心加速值作為計算不設豎曲線最大允許縱坡差的依據。根據表2的數據，a的取值可定為：一般值0.18 m/s2，極限值0.27 m/s2。

4 不設豎曲線最大允許縱坡差的確定

根據上述確定的參數a、L、V，可以計算出不設豎曲線的最大允許縱坡差值如表3所示。

實際設計中當縱坡差小于以上表格的一般最大值時，可以認為不必設置豎曲線，飛機也能較為舒適的通過該變坡點；當縱坡差取上表中的極限最大值時，飛機通過該變坡點時機上乘客的感覺仍為“舒適”，但已處于臨界狀態。所以在一般情況下不設豎曲線的縱坡差應小于或等于一般值；在特別困難時方可采用極限值。

建議在重要部位如跑道、快滑道上的縱坡差不宜大于一般值，在重要性稍低的部位或條件困難處如機坪、道口處的縱坡差方可采用極限值。另外由于道面板塊施工原因，即使在設置了豎曲線的道面縱向兩塊相鄰板塊之間仍然存在縱坡差，因此建議此處相鄰板塊的縱坡差也不宜超過表3中的一般最大值。

參考文獻

[1] 中國民用航空局.MH 5001-2013，民用機場飛行區技術標準[S].2013.

[2] 國際民用航空組織.國際民用航空公約附件14——機場[Z].2013.

[3] 張雨化.道路勘測設計[M].人民交通出版社，2001.

[4] Airbus A319， Airplane Characteristics For Airport Planning [Z].2005.

[5] Boeing 737-500，Airplane Characteristics for Airport Planning [Z].2001.

[6] （美）羅伯特·霍隆杰夫，弗蘭西斯·馬卡維，著.機場規劃與設計[M].吳問濤，譯.同濟大學出版社，1987.

[7] 凌建明，袁捷，嚴永斌，等.高等級道路橋頭引道沉降處理輔助系統決策研究[J].中國公路學報，2001，14（S1）：16-18.

[8] 張國禎.淺談電梯檢測與檢測技術[J].中國電梯，2001（1）：13-16.

[9] 中華人民共和國交通部.JTG-D20-2006，公路路線設計規范[S].2006.

[10] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.CJJ37-2012，城市道路工程設計規范[S].2012.