中美機場水泥混凝土道面加鋪厚度設計方法對比分析

趙鴻鐸，陳峙昂

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

中美機場水泥混凝土道面加鋪厚度設計方法對比分析

趙鴻鐸，陳峙昂

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

通過計算不同荷重級別的設計飛機類型（波音-737、空客-300、波音-747）、不同厚度和模量的既有道面結構（面層、基層）、不同既有道面條件（主要狀況為輕微或嚴重損壞）、不同加鋪類型（水泥混凝土、瀝青層）等256種工況下的加鋪層厚度，對中國民航機場道面設計規范中既有水泥混凝土道面加鋪設計方法與美國聯邦航空管理局、陸軍工程兵團、Rollings等加鋪設計方法進行對比分析。結果表明，在繁重交通荷載作用下加鋪水泥混凝土時，我國民航設計方法厚度在既有水泥道面結構較強計算結果相對保守；加鋪瀝青層時，在既有水泥道面結構不強時計算結果較為保守，不符合經驗預估范圍。其它工況下與其它方法厚度設計結果相差不大。

機場；水泥混凝土加鋪；瀝青層加鋪；厚度設計

據我國民航局發布的全國機場生產統計公報，截止到2014年底，我國民用機場總數達到202個 （不含港、澳、臺），這其中超過90%的跑道為水泥道面［1］。近十幾年，各大機場航空交通量顯著上升，大型飛機比例有所提高，早期修建的水泥道面的結構性能或表面功能不能繼續滿足通航要求。既有水泥道面上加鋪水泥混凝土或瀝青層，可有效解決此問題。

至今，國外已有較多加鋪實例，國內也已有數十條條跑道進行了瀝青層加鋪，據我國機場道面20年的設計壽命推算，其余近1/3的跑道將在未來十年實施加鋪改造。一方面，較大應用需求須對應較精確、具有較強適應性的道面加鋪設計方法；另一方面，道面復雜的工程與氣候條件、材料與結構組合、荷載與交通量變異性、不同設計方法的損壞指標差異性，勢必導致不同設計方法結果的差異化。因此，有必要將我國加鋪設計方法與美國先進設計方法的厚度計算結果進行對比，分析我國現有設計方法的不足、國外先進設計方法可借鑒之處，指出我國加鋪厚度設計方法的適應特性。

1　加鋪厚度設計（計算）方法

國內外眾多機構有“厚度補差法”和“力學-經驗法”兩類厚度設計（計算）方法。厚度補差法是一種經驗設計方法，按經驗得出當前設計壽命下所需面層總厚度，再扣除既有道面厚度得到加鋪厚度；力學-經驗法通過計算荷載作用下的道面結構響應量，并將其與加鋪厚度、設計壽命建立某種關系，從而得到所需加鋪厚度。相關設計方法提出的年鑒如下：

1946年，美國COE在6條跑道53個試驗項目的基礎上，最早提出厚度補差法用于加鋪設計［2］。1975年，美國聯邦航空局（Federal Aviation Administration，下簡稱FAA），在資訊通告AC150/5320-6C指出，加鋪厚度采用厚度補差法這種經驗法的方式，并在1995年發布6D改良版本（此方法下簡稱FAA（6D）法）進行厚度計算［3-4］。1988年，R S Rollings等人在Design of Overlay for Rigid Airport Pavement報告中，提出基于“彈性層狀理論”的力學-經驗法用于加鋪設計（下簡稱SCI法），以結構條件指數（Structure Condition Index，以下簡稱SCI）作為設計指標，利用SCI的衰減隨荷載作用次數的關系，通過SCI與道面結構性能的對應得到加鋪厚度［5］。1999年，我國《民用機場瀝青混凝土道面設計規范（MH 5010-1999，下簡稱MH法）》指出采用厚度補差法進行瀝青混凝土加鋪設計［6］。2001年，COE發布了“統一設施標準”（Unified Facilities Criteria，下簡稱UFC法），其中道面加鋪設計章節采用厚度補差法，但也將SCI法作為備選方法錄入［2］。2009年，FAA發布最新資訊通告（AC 150/5320-6E）中的加鋪設計方法，利用基于有限元法計算的力學-經驗法道面結構響應量，求得加鋪厚度（下簡稱FAA（6E）法），其過程通過“FAARFIELD”軟件實現［7］。2010年，我國新出《民用機場水泥混凝土道面設計規范（MHT 5004-2010，下簡稱MH法）》，其中水泥混凝土加鋪厚度計算公式與原理完全參考厚度補差法，僅對部分參數采用一定的取值修正［8］。

不同設計方法的區分要素包括設計方法種類、飛機荷載處理方式、道面響應計算理論、損壞指標。飛機荷載處理方式包括設計飛機法和損傷疊加法。設計飛機法是將所有飛機交通量換算成設計飛機交通量進行計算的方式；損傷疊加法是分別計算各飛機對道面的疲勞損傷并采用Miner定律進行疊加的計算方式。目前的道面響應計算方法包含Westergaard板邊解析理論（下簡稱Wes.）、彈性層狀理論（Layer Elastic Theory，下簡稱LET）、三維有限元方法（Three-Dimensional Finite Element Method）。各方法的要素詳見表1。

表1　不同厚度設計方法要素Tab.1　The key point of different thickness design methods

2　飛機荷載與道面結構條件擬定

2.1飛機荷載擬定

為了使各類設計方法能夠具有相同的設計條件，須采用設計飛機法進行對比。通過查詢上海某機場機型數據，可選用機場常用中型荷載飛機B-737和超重型荷載飛機B-747，并可限定荷載范圍；選用重型荷載飛機A300，使3種設計飛機荷載重量逐漸遞增，便于結果對比。交通量擬定采用繁重荷載，即采用換算后的各類飛機的交通量上限 （AC150-5320-6D中，B-737、A-300上限為年起飛次數25 000次，B-747年起飛次數為6 000次）。

故擬定三類設計飛機及航空交通量如表2所示。

表2　設計飛機荷載擬定示意表Tab.2　The aircraft load assumed

2.2道面結構擬定

不同時期我國各地建設的道面結構各不相同，為了綜合考慮強度不同的道面對于上述荷載的應力響應，應設置多個等級的道面，通過改變基層不同的材料（級配碎石基層與水泥穩定碎石基層作為代表）以及既有道面和基層（20，30，40 cm）的厚度即可。故擬定由弱到強的四種既有道面結構，如表2～表6所示。

表3　結構s1—較弱結構Tab.3　Structure s1—quite weak structure

表4　結構s2—稍弱結構Tab.4　Structure s2—weak structure

表5　結構s3—稍強結構Tab.5　Structure s3—strong structure

表6　結構s4—較強結構Tab.6　Structure s4—quite strong structure

根據相關規范［5］，加鋪混凝土彎拉強度可取5.17 MPa（750psi），模量可取34 000 MPa地基反應模量可取k=40 MN·m-3（147pci）。級配碎石厚度當量系數可取1.0，水泥碎石厚度當量系數可取1.4，加鋪瀝青層模量取1 379 MPa（200 000psi）。

2.3水泥混凝土加鋪條件擬定

擬定加鋪前既有道面的3種條件及其加鋪方式：

1）既有道面狀況較差，大部分板出現結構性損壞，難以繼續使用。取C=0.35（厚度補差法公式中既有道面厚度折減系數）或SCI=55，此時宜進行隔離式或直接式加鋪設計。

3）既有道面狀況良好，板面、板角處有初期裂縫，但處于不發展狀態，可修復，取C=0.75或SCI=80，此時宜進行隔離式或直接式加鋪設計。

3）既有道面狀況優秀，道面混凝土板完整，無構造裂縫，取C=1.00或SCI=100此時可進行結合式加鋪設計。

上述文字部分摘自我國MH法，其中參數SCI（structure condition index，衡量既有道面結構狀況的參數）的數值取自SCI法和FAA（6E）法的推薦取值，參數C取自厚度補差法公式（1）：

式中：h0——加鋪厚度；

hd——假定即有道面面層不存在時，計算所需的新道面的設計厚度；

hE——即有道面厚度；

C——舊混凝土板折減系數，按即有道面破損情況取值，見上文擬定數值；

α——加鋪瀝青層時，α=2.5（FAA6D法和我國MH法規定）或3.0（UFC法規定）；加鋪水泥板時，α=1；

r——加鋪瀝青層時，r＝1。加鋪水泥混凝土板時，新舊道面層間聯接形式采用結合式時，r＝1；采用部分結合式時，r＝1.4；采用隔離式時，r＝2。

至此，所有參數均已擬定完畢，各設計方法具有了相同或相近的設計條件，可進行各方法的加鋪厚度計算。

3　加鋪設計各方法厚度計算結果

按上述擬定條件進行計算，水泥混凝土加鋪設計厚度計算結果見表7，瀝青層加鋪設計厚度計算結果見表8。按不同情況分別將表中結果繪制于圖1～圖2中（對于水泥混凝土加鋪方式僅選取3張圖作為代表，便于查看差異趨勢）。

表7　水泥混凝土加鋪厚度計算結果匯總Tab.7　The cement concrete overlay thickness of different methods cm

表8　瀝青層加鋪厚度計算結果匯總Tab.8　The asphalt concrete overlay thickness of different methods cm

圖1　C=0.35或SCI=55，3種飛機荷載條件下水泥混凝土板加鋪設計厚度Fig.1　Design thickness of cement concrete overlay under three kinds of aircraft loading when C=0.35 or SCI=55

圖2　3種飛機荷載條件下的瀝青層加鋪設計厚度Fig.2　Design thickness of asphalt concrete overlay under three kinds of aircraft loading

4　加鋪設計方法分析評價

4.1水泥混凝土加鋪

由表7、圖1對比可得，美國軍方設計方法代表——COE（UFC）法的計算厚度最大，比其它方法相對保守；Rollings.改良的設計方法——SCI法的計算厚度變化范圍大，應結合更多現場數據進行失效指標的標定（即確定SCI由100降低至何值時將道面認定失效），以此準確計算所需道面厚度。

加鋪水泥混凝土板時，我國MH法（MHT 5004-2010）設計厚度相比于FAA（6D）法和FAA（6E）法較為接近，比FAA兩種方法稍厚，詳見表9。計算可得MH法平均比FAA兩種方法略厚——比FAA（6D）法厚3.2 cm（11.5%）、比FAA（6E）法厚3.4 cm（12.1%）。

考慮到FAA（6E）法是FAA在FAA（6D）法基礎上結合新的計算理論以及足尺試驗數據所得到［7］，可以認為FAA（6E）法計算結果相對可靠。從較多工況下與FAA（6E）厚度結果吻合或較小偏差，可以認為我國MH設計方法在繁重交通條件下具有較高的設計水準；但是，計算結果中也包括少數差異較大的工況——如既有道面結構取較強結構時（如S4假定），此時無論交通荷載為何種飛機，我國MH法均得到較為保守的設計厚度，這不符合實際經驗，且相比FAA（6E）法也有較大偏差。

通過板邊彎矩影響圖進行厚度迭代計算，使計算過程十分繁瑣、耗時巨大，是我國MH法的不足之處.相比于附帶設計曲線圖的FAA（6D）法和附帶FAARFIELD計算程序的FAA（6E）法，效率較低，且易受到不同人員習慣不同導致的計算誤差或錯誤?？山梃bFAA（6D）法，繪制設計曲線圖，或編制計算程序，方便相關人員操作，提高效率。

從厚度計算角度看，我國MH法對加鋪方式不夠敏感:采取隔離式相比于部分結合式加鋪，平均加鋪厚度僅增加3.4 cm（12.5%）?？紤]到部分結合式加鋪很難把握實際路面層間接觸方式，從而難以把握道面壽命，也易出現局部損壞；完全結合式加鋪的施工技術較難滿足，故本論文推薦在加鋪水泥混凝土板時使用隔離式加鋪方式。

表9　水泥混凝土加鋪MH法與FAA（6D）法、FAA（6E）加鋪厚度對比表Tab.9　The cement concrete overlay design thickness of MH，FAA（6D）and FAA（6E）

4.2瀝青層加鋪

由表8、圖2對比可得，加鋪瀝青層時，在繁重交通荷載條件下，各設計方法所得計算厚度較大，超出經驗預估范圍。其原因在于厚度補差公式中的放大系數α（公式（1）中的α，α=2.5或3.0）；假設通過先前計算得到所需總水泥混凝土的厚度約為40 cm，扣除較強既有道面結構折減后的厚度 （40 cm），可得所需加鋪水泥混凝土道面厚度最小約為10 cm。將其乘此放大系數α后，可得所需最小加鋪瀝青層厚度為25 cm，因此在既有道面結構不夠強的條件下（我國各地早期建設的道面，如2.2假定），若面向未來的較繁重交通（如交通荷載較大或交通量較大，如2.1節假定）進行加鋪設計，則會得到較大的瀝青層計算厚度，這種現象可稱之厚度補差法（經驗法）中的“系數放大效應”。這是我國MH法（MH 5010-1999）的不足之處.而在采用力學-經驗法理論時（LET或3D-FEM），如FAA（6E）法則不會出現這種現象。

與水泥混凝土加鋪設計相同，COE（UFC）法的計算厚度最大，比其它方法相對更保守；SCI法的計算厚度變化范圍大，計算厚度數據僅作對比參考.我國MH法較FAA（6D）法較為接近，但相比FAA（6E）法有一定差異，詳見表9。計算可得MH法平均比FAA（6D）法厚3.8 cm（9%）、比FAA（6E）法厚11.8 cm（31.6%）。

由擬定條件數據、厚度計算結果及上述分析可得，瀝青層加鋪設計的厚度補差法在繁重交通情況下難免會得到較為保守的厚度?？紤]到未來我國大多數機場會為了減少經濟損失而采用不停航施工的方式進行加鋪改造，即采用瀝青層加鋪方式，因此我國規范（MH 5010-1999）中瀝青層加鋪設計方法有待改良，結合足尺試驗數據及各地設計參數，更新計算理論與模型（可借鑒FAA（6E）法的三維有限元計算方式），以更好地適應各機場加鋪需求。

5　結論

1）既有水泥混凝土道面上加鋪水泥混凝土時，我國MH法（MH5004-2010）的厚度計算結果具有繁重交通條件下的較高設計水準，其設計厚度比FAA（6D）法和FAA（6E）法稍厚，平均比FAA（6D）法厚3.2 cm （11.5%）、比FAA（6E）法厚3.4 cm（12.1%）；

表10　瀝青層加鋪MH法與FAA（6D）法、FAA（6E）加鋪厚度對比表Tab.10　The asphalt concrete overlay design thickness of MH，FAA（6D）and FAA（6E）

2）既有水泥混凝土道面上加鋪水泥混凝土時，我國MH法（MH5004-2010）采用板邊彎矩影響圖進行厚度迭代計算，使計算過程十分繁瑣、耗時巨大，可借鑒FAA設計方法，繪制設計曲線圖或編制計算程序，方便設計人員操作，提高效率；

3）既有水泥混凝土道面上加鋪水泥混凝土時，從設計方法的厚度計算角度推薦采用隔離式加鋪方式；

4）既有水泥混凝土道面上加鋪瀝青層時，我國MH（MH 5010-1999）法平均比FAA（6D）法厚3.8cm （9%）、比FAA（6E）法厚11.8 cm（31.6%）。由于厚度補差法的“系數放大效應”，我國各地早期建設的道面若采用MH法（MH 5010-1999）進行設計，則面向未來的繁重交通條件，則往往會得到較大的瀝青層設計厚度，超出經驗預估范圍；

5）我國民航現行機場道面加鋪設計方法改良可行方向：對于水泥混凝土加鋪設計方法，可借鑒FAA （6D）法，繪制設計曲線圖或編制計算程序，方便相關人員操作，提高效率；對于瀝青層加鋪設計方法，需重新研究計算理論與結構模型（可借鑒FAA（6E）法的三維有限元計算方式），結合我國各地民航機場設計參數，進行室內外足尺試驗并驗證，以適應各機場加鋪需求。

［1］中國民用航空局.全國機場生產統計公報［EB/OL］.Http://www.caac.gov.cn/H1/H2/，2015.

［2］Unified Facilities Criteria.Pavement Design for Airfields（UFC 3-260-02）［S］.Washington DC：U S Army Corps of Engineers，2001.

［3］Advisory Circular（AC 150/5320-6C）.Airport Pavement Design and Evaluation［S］.Washington DC：Federal Aviation Administration，1978.

［4］Advisory Circular（AC 150/5320-6D）.Airport Pave-ment Design and Evaluation［S］.Washington DC:Federal Aviation Administration，1995.

［5］Rollings R S.Design of overlays for rigid airport pavements［R］.Washington DC：Federal Aviation Administration，1988.

［6］MH 5010-1999.民用機場瀝青混凝土道面設計規范［S］.北京：中國民用航空總局，2000.

［7］Advisory Circular（AC 150/5320-6E）.Airport Pavement Design and Evaluation［S］.Washington DC：Federal Aviation Administration，2009.

［8］MH5004-2010.民用機場水泥混凝土道面設計規范［S］.北京：中國民用航空總局，2010.

（責任編輯王建華）

Comparative Analysis of Overlay Thickness Design for Sino-American Airport Cement Concrete Pavement

Zhao Hongduo，Chen Zhi’ang
（Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804）

For overlay design of airport pavement，this paper compares and analyzes methods of overlay thickness design between Civil Aviation Administration of China（CAAC）and the U.S.A Corps of Engineers，the U.S.A Federal Aviation Administration（etc.）by calculating thickness value of overlay under more than 256 working conditions，including different designing aircraft（Boeing-737，Airbus-300 and Boeing-747），different existing pavement conditions（mainly slight，or serious damage），different overlay types（cement concrete or asphalt concrete）.Results show that value for cement concrete overlay calculated by CAAC is a little more conservative when existing pavement is strong.However，for asphalt concrete overlay，CAAC’s value is apparently conservative and not in correspondence with the experience estimates when existing pavement is not strong enough.No apparent thickness values in different overlay thickness designs can be figured out under the other conditions.

airport；cement concrete overlay；asphalt concrete overlay；thickness design

U416.224

A

1005-0523（2016）04-0010-06

2016－04－05

國家自然科學基金項目（U1433201）

趙鴻鐸（1976—），男，教授，博士生導師，研究方向為道路與機場工程。

陳峙昂（1992—），男，在讀碩士研究生，研究方向為機場復合道面結構行為與應用。