瀝青基隔離層對機場道面疲勞壽命影響評價

楊永勝

(安徽民航機場集團有限公司 合肥 230051)

以水泥穩定碎石為基層、水泥混凝土為面層的道面結構在機場道面中得到廣泛使用。為減小水穩基層與水泥混凝土面層之間的約束、提高水穩基層抗沖刷性，道面設計中普遍采用隔離層[1-2]。在國外機場道面中，大多數機場設計均采用了設置隔離層的方案，日本機場道面水泥混凝土面層與貧混凝土基層之間設置3～5 cm的瀝青混凝土隔離層[3]，目前美國起降大型飛機的國際機場開始趨向于在混凝土板下設置隔離層。美國聯邦航空局在機場建設標準AC 150/5370-10G中提出，在水穩基層上澆筑水泥混凝土時，應設置隔離層[4]。

但傳統的隔離層材料并不能滿足其使用性能的要求。20年前常使用的石屑粉找平層由于不耐沖刷的缺點，現已很少使用，多采用土工布隔離層或不設置隔離層，但工程應用狀況均不能達到預期，水穩基層的沖刷和脫空無法避免。水泥道面在實際使用中常會發生因板底沖刷、唧泥引發的板底脫空，最終導致混凝土板在到達設計壽命前便產生疲勞開裂。

由同步碎石封層和雙層微表處組成的瀝青基隔離層是最新提出的一種機場道面隔離層，示意圖見圖1，這種隔離層對于防止水穩基層的脫空效果十分顯著。但是該瀝青基隔離層是否對于道面的作為一種層間處治措施以及設置在基層和面層之間的低模量夾層，對道面整體結構受力均產生了影響。瀝青基隔離層的使用雖然可提高基層抗沖刷性能，但是層間約束狀態的改變和板底豎向支撐條件變化，使結構在飛機荷載作用下的響應產生變化，最終道面使用壽命是否產生顯著提升有待研究。

圖1 瀝青基隔離層結構

實際工程應用中，相對于面層在某一次荷載作用下產生的拉應力，討論和計算結構的疲勞壽命更具有意義。因此，本文將從混凝土道面疲勞壽命出發，探究設置瀝青基隔離層對道面結構長期使用性能所產生的影響。在道面使用壽命計算時，有必要對板底沖刷脫空進行全壽命范圍的分析和討論。

1 機場道面壽命預估方法

1.1 道面壽命預估流程

對已建機場的結構性剩余壽命，規范[5]給出了預估流程及計算方法。在計算前，需根據道面損壞調查結果計算道面損壞等級，從而得到道面折減系數，最終確定道面有效厚度。本文針對新建道面進行壽命預估，無需進行道面有效厚度計算。

在已有的道面剩余壽命預估流程基礎上，參考民航水泥道面設計規范中不同機型飛機累計損傷的做法，提出考慮板底發生沖刷脫空的分段式道面壽命預估思路。思路流程見圖2。

圖2 分段式道面壽命預估思路圖

基于圖2思路，本文中的道面壽命預估方法如下。

步驟1。獲取道面服役期各年航空量，統計道面所需服務的所有機型。

步驟2。利用道面結構參數，建立結構計算模型(數值模型或解析計算模型)，計算各機型輪載作用下的道面板邊最大彎拉應力，若道面在使用過程中存在板底沖刷脫空現象，還需計算板底脫空下的板邊最大彎拉應力。

步驟3。在已知道面板水泥混凝土材料彎拉強度和板邊最大彎拉應力的前提下，利用所選定的疲勞方程，計算各機型的容許作用次數，并執行步驟4，若存在板底脫空現象，還需計算脫空下的各機型容許作用次數，并跳過步驟4，執行步驟5。

步驟4。假設在第n年道面達到使用壽命，計算前n年的航空交通量，基于Miner定律，反算或試算得到當累計損傷為1時n值的大小，從而得到道面使用壽命，流程執行結束。

Miner法則假定作用次數與疲勞損傷為線性疊加關系，計算各機型在重復作用次數下的道面損傷累計量，計算方法如式(1)所示。當FD值等于1時，即認為道面結構出現疲勞開裂。

(1)

式中：FD為累計疲勞損傷；nei為某種(第i種)飛機的累計作用次數；Nei為某種(第i種)飛機的容許作用次數。

步驟5。若在第i年出現沖刷脫空，計算前i-1年的航空交通量，基于Miner法則，計算前i-1年的各機型的累計作用次數及累計損傷量FDi-1。

步驟6。假設在第m年道面達到使用壽命，計算m-i+1年間的航空交通量，基于Miner法則，計算m-i+1年間的各機型的累計作用次數及累計損傷量FDm-i+1。反算或試算當FDi-1+FDm-i+1=1時的m值，從而得到道面使用壽命，流程執行結束。

1.2 水泥道面混凝土疲勞方程

機場水泥道面結構計算中常見的疲勞方程括我國民航機場道面疲勞方程和美國FAA道面疲勞方程。

我國機場水泥道面設計規范中的疲勞方程采用路面的研究成果，主要依據室內小梁彎拉試驗提出，其本質為混凝土材料的疲勞特性。以Winkler基地上無限大板模型的Westergaard解或利用有限元計算方法得到的板邊臨界荷位的最大彎拉應力作為計算應力，計算某一機型的容許作用次數，疲勞方程如式(2)所示。

Ne=10(14.048-15.111 7σp/fcm)

(2)

式中：Ne為飛機容許作用次數；fcm為混凝土材料彎拉強度，MPa；σp為臨界荷位板底計算應力，解析方法計算時考慮板邊0.25的應力折減系數。

與我國設計方法中基于的試驗數據不同，FAA所提出的疲勞方程主要依據陸軍工程兵團獲取的現場足尺試驗數據，以輪跡帶上50%板的開裂作為損壞標準，能較好地反映結構的疲勞特性。計算應力為Westergaard解的板邊荷位應力，疲勞壽命方程如式(3)和式(4)所示。

(3)

(4)

式中：MR為混凝土材料彎拉強度，MPa；σe為板邊計算應力，MPa；B為系數；C為飛機容許作用次數。

在得到機場不同機型的容許作用次數后，同樣基于Miner法則，可以得到某一機型組合下的道面疲勞損傷。

1.3 面層拉應力計算

以我國現有民航4E級機場的航空量作為參考，簡單假定初始年航空交通量為起降共計7×104架次，交通量年增長率為4%。根據現行《民用機場飛行區技術標準》中對機型的歸類方法，4E級機場典型的機型組合為C類占80%，D類飛機占10%，E類飛機占5%，其他飛機5%。考慮未來大型飛機所占的比重越來越大，因此，將其他類別的飛機機型歸到E類飛機中，最終的機型組合為C類飛機80%，D類飛機10%，E類飛機10%。以B737-800代表C類飛機，B767-300代表D類飛機，B777-200代表E類飛機。

采用ABAQUS有限元計算B737-800、B767-300、B777-200 3種機型下的板邊臨界荷位水泥板最大拉應力計算結果。模型中材料參數為：水泥混凝土彈性模量為42 GPa，泊松比為0.15，厚度設為0.36 m；基層彈性模量為7.0 GPa，泊松比為0.20，厚度為0.36 m。土基反應模量典型值取70 MN/m3。根據室內試驗測得，瀝青基隔離層的彈性模量為1.01 GPa，泊松比常溫取0.35。瀝青基隔離層和面層板之間采用層間剪切剛度來表征[6]，其值為1.5×108Pa/m。板角脫空采用正方形，邊長取1.5 m，脫空深度取2 cm。接縫傳荷能力在模型中以彈簧剛度1 500 MN/m2來表征。

2 壽命預估計算結果

利用我國道面設計規范中的疲勞方程，見式(2)(簡稱MH法)和美國FAA設計方法中的疲勞方程，見式(3)、式(4)(簡稱FAA法)分別進行計算，板邊應力分無隔離層無脫空、無隔離層有脫空、設置瀝青基隔離層3種情況，只取典型情況下的應力計算結果，不考慮道面結構參數的變化。混凝土彎拉強度取5.5 MPa。

道面壽命定義為：累計損傷系數FD為1時的道面使用時間(年)。計算在已設航空交通量下，不同道面使用年限的累計疲勞損傷FD，結果見圖3。圖3中的1條實線為有隔離層無脫空的FD曲線，而其余均為發生脫空時的曲線，發生脫空的事件為道面使用T年后。圖中給出了T=1～20左右的FD增大曲線。

圖3 各工況下累計疲勞損傷和道面使用時間的關系

由圖3可見，雖然使用不同的疲勞方程得到的道面壽命差異較大(9年左右)，但是兩圖均反映了隔離層抗沖刷對道面壽命的提高作用。

由圖3可知，設置瀝青基隔離層能夠有效提高道面的使用壽命，脫空發生地越早，累計損傷系數FD越早達到1，設置瀝青基隔離層所起到的作用越明顯，即設置瀝青基隔離層能夠有效避免水泥道面因早期沖刷脫空導致的過早疲勞開裂。

從圖3中還能看出，無隔離層的道面如果不發生脫空，其壽命比有隔離層的道面更長。這是由于不發生脫空時隔離層的使用對水泥道面的彎拉應力實際上是增大的。但是考慮到機場板塊數量龐大，按照概率計算，在特定數量的板塊中產生脫空基本上是必然的。因此，從整體和長遠角度，使用隔離層仍然是十分必要的。

根據民用機場水泥道面的脫空狀況，將脫空出現時間劃分為5個階段：道面服役1～5年、道面服役>5～10年、道面服役>10～15年、道面服役>15～20年、道面服役>20～30年。綜合國內外2種不同累計疲勞損傷計算方法所得出的結果，總結得到板底沖刷脫空出現的時期與設置瀝青基隔離層所帶來的道面壽命增加量見表1。

表1 板底沖刷脫空出現時期與瀝青基隔離層對道面壽命增加量的關系 年

需要指出的是，設置瀝青基隔離層由于避免板底沖刷脫空所起到的板底彎拉應力改善效果與接縫傳荷能力有關，接縫傳荷能力越差，設置瀝青基隔離層對板底拉應力的減小越明顯。本文進行道面使用壽命計算時不考慮接縫傳荷的變化，取接縫傳荷能力較好時的數值，因此得到的設置瀝青基隔離層所帶來的道面壽命增加量為最小值。實際情況中，設置瀝青基隔離層對道面壽命的增加量較表1中的結果更大。

3 結語

本文從道面疲勞壽命角度揭示了瀝青基隔離層的結構效應，主要成果如下。

給出了考慮板底脫空的分段式道面壽命計算方法。依據國內水泥道面設計規范和美國FAA咨詢通報中的混凝土疲勞方程，對設置瀝青基隔離層和無隔離層且發生沖刷脫空的水泥道面使用壽命進行了計算分析。

證實設置瀝青基隔離層能夠有效提高道面的使用壽命，脫空發生的越早，設置瀝青基隔離層所起到的作用越明顯，即設置瀝青基隔離層能夠有效避免水泥道面因早期沖刷脫空導致的過早疲勞開裂，延長道面的使用壽命，具有良好的工程和經濟社會效益。

如果不發生脫空，瀝青基隔離層使道面疲勞壽命降低，因為隔離層實際上增大了水泥板的彎拉應力，但是考慮到板塊中產生脫空的必然性，從整體和長遠角度，使用隔離層仍然是十分必要的。