西南地區某通用機場水泥混凝土道面板厚度計算研究分析

摘要：近年來通用機場發展建設迅速，由于水泥混凝土取材方便、施工工藝成熟，大部分通用機場道面均采用水泥混凝土，而道面板的厚度設計對機場跑道至關重要。本文結合西南某通用機場工程實例，用傳統設計規范方法和大型有限元軟件ABAQUS分別計算出板底彎拉應力，結果表明有限元軟件計算彎拉應力方便準確，可供其他機場道面厚度計算提供參考依據。

關鍵詞：通用機場;道面;板厚計算;有限元

一、引言

通用航空作為民航業的兩翼之一，已被列入國家戰略性新興產業，在國家經濟社會建設中具有不可替代的作用。通用機場作為通用航空發展必要的基礎設施，布局建設通用機場是必要和迫切的。西南地區位于祖國邊陲，戰略位置十分重要，通航網絡的建設是完善省內綜合交通網絡的重要方面，也是盡快融入國家新戰略規劃的具體內容。

目前國內大部分機場的跑道形式為水泥混凝土道面，因為水凝混凝土取材方便、施工工藝成熟，而瀝青路面容易出現“老化現象”[1]，而且瀝青道面易受溫度的變化而變化。因此，通用機場道面形式也多采用水泥混凝土道面。而道面板的厚度設計對機場跑道至關重要，基于機場工程建設的特殊性，道面板的過厚以及過薄都對機場跑道的使用安全以及后期機場運營造成很大的影響。通過下述對西南地區某通用機場水泥混凝土板厚度的計算研究分析，得到合理的道面結構，為通用機場的安全運營提供保障。

二、機場水泥混凝土道面板厚度計算研究

（一）根據道面設計規范方法計算板底彎拉應力

目前溫克勒地基上的小撓度薄板理論依舊是我國機場新建水泥混凝土道面板厚度設計計算的基本理論。以溫克勒地基上的半無限大板為基本力學模型，以主起落架輪印外輪邊緣與板邊相切為臨界荷位并考慮道面板接縫的傳荷作用得到的板邊計算彎拉應力，然后根據混凝土材料的疲勞彎拉規律得到對應的機型容許作用次數，再由疲勞損耗疊加原理，以所有機型疲勞損耗比之和介于0.8到1.1之間為原則[2]，從而確定水泥混凝土道面板厚度。

通過對該通用機場的長遠規劃考慮，飛行區內新建設施按照B類飛機荷載進行設計。其中，某常見B類機型的參數如下表所示。

依據上表中的飛機參數，根據規范中計算公式可以求出設計飛機主起落架的單輪輪載為51.775kN。

根據單輪輪載以及主起落架胎壓，可計算得出飛機主起落架一個輪印的長度和寬度分別為420.6mm和252.4mm。

式中：ne為某機型在設計年內的作用次數累積;T為主起落架75%輪跡的寬度，也即通行寬度（m），取2.3m;Ns為飛機在設計年中的年均運行次數;t為設計年限，一般取30年。

根據該機場的航空業務量預測結果，年均運行次數確定為12000架次，因此根據上述公式可以計算出設計年限內的累積作用次數為59259次。

由于飛機主起落架構型及輪胎接地形狀等問題的復雜性，道面板內彎拉應力的計算尚無解析解，而傳統方法是依據相對剛度半徑作為比例因子，將主起落架的輪印按要求縮放到板邊彎矩影響圖中，從而由輪印所覆蓋的總格子數計算出板邊彎矩，進而得出彎拉應力。

（二）利用有限元方法計算板底彎拉應力

利用上述傳統方法計算出的板邊彎矩，不僅消耗時間，而且精確度不高，容易受主觀因素影響。因此為了方便快速且保證彎拉應力計算結果的精確度，通過大型有限元軟件ABAQUS，建立水泥混凝土道面板的有限元模型，并將主起落架的輪胎壓力施加于板邊臨界荷位，從而計算得出彎拉應力。

建立道面板有限元模型時，初擬面層厚度為220mm的水泥混凝土，基層厚度為300mm的水穩碎石層，理論上是基于無限大板的彎拉應力計算，實際建模中不可能實現，因此根據相關文獻[3]，所建道面板尺寸為15m×15m，設計機型起落架形式為單軸雙輪，兩種不同臨界荷位下有限元模型如下圖所示。

根據數值計算可得，板底最大彎拉應力為3.645MPa，再由下述公式計算出計算彎拉應力進而最后求出容許作用次數為73044，因此滿足要求。

最終確定該通用機場面層為厚度220mm的水泥混凝土，基層為厚度300mm的水穩碎石層。

三、總結與展望

利用機場道面設計規范方法計算板底彎拉應力不僅消耗時間，而且精確度不高，而通過大型有限元軟件ABAQUS建立道面板模型，可以方便快速計算出板底彎拉應力。可供后續其他機場道面厚度計算提供一定的參考依據。

參考文獻：

[1]黃曉明.水泥路面設計[M].第一版.北京：人民交通出版社，2004： 13-20.

[2]MH 5004-2010， 民用機場水泥混凝土道面設計規范[S].

[3]袁捷.機場剛性道面結構參數反演方法研究[D].上海：同濟大學，2008.

作者簡介：

任起城（1992—），性別：男，民族：漢，籍貫：內蒙古，職稱：助理工程師，學歷：碩士研究生，單位：中國民航工程咨詢有限公司，研究方向：機場場道工程設計。