機場道面受熱環境下反射裂縫形成機理分析

江圣澤，徐 軒

（1.中國民航飛行學院，四川 廣漢618307；2.深圳市市政工程總公司，廣東 深圳518000）

引言

目前我國民用機場跑道以水泥混凝土道面為主，當機場的航班客運量增加，水泥道面由于主起落架的不斷作用而導致強度下降產生破損。為了繼續維護機場的安全運行，部分機場會對損壞較大的水泥混凝土道面進行蓋被。通常采用瀝青混凝土作為材料在原有道面的基礎上進行攤鋪。反射裂縫是瀝青混凝土面層在投入運營后產生較多的病害，它主要沿著原水泥混凝土道面板塊間施工縫分布，是一種由面層內部逐漸向上開裂發展而來的裂縫。機場在夏季高溫運行期間，道面材料會受熱膨脹，此時若飛機滑行時從施工縫上部的瀝青混凝土面層滑過，則會加劇反射裂縫的發展。反射裂縫導致瀝青混凝土加鋪層開裂，使水沿縫下滲，在荷載和溫度的反復作用下，新鋪道面將發生破壞，危及飛行安全[1]。因此在飛機荷載作用下，有必要對此種高溫膨脹狀態下的復合道面結構進行分析，探究反射裂縫形成的機理。

1 有限元模型及參數

1.1 模型設置

在原水泥混凝土道面上鋪筑瀝青混凝土加鋪層，受到溫度和荷載應力的共同作用。這兩種應力隨著加鋪層的厚度，當地的氣候條件等因素的不同所起的作用[2]。目前，機場復合道面防反射裂縫的方法是設置應力吸收夾層[3]或是在瀝青混凝土層與舊水泥混凝土道面之間鋪設土工布[4]。機場復合道面兼顧剛性路面和柔性路面的特點[5]。結合國內某機場復合道面結構，模型設置為兩塊5m×5m 的水泥混凝土板，中間覆蓋一層厚度為0.09m 的AC-20 瀝青混凝土層，最上部為0.06m 的SMA 改性瀝青混凝土層（見圖1），水泥混凝土板與瀝青面層間不加設應力吸收材料，各層材料參數見表1。

表1 材料參數表

1.2 荷載施加

夏季高溫天氣易使瀝青面層在太陽光照射下吸收大量的熱量，部分地區的道面溫度作用下會達到60℃。按照實際機場道面的受熱狀況，使用ANSYS 軟件對模型進行熱分析。為進一步模擬主起落架產生的作用，分別對模型上表面進行兩種荷載布置。第一種荷載施加于下部混凝土板的臨界荷位對應處（見圖2），第二種荷載施加于下部混凝土板縫對應的中間位置處（見圖3）。

由于該機場的道面可無限制運行B737-800，對A321 需進行限制運行，故取這兩種機型在最大起飛重量下的主起落架荷載對道面進行分析，各參數見表2。

圖1 三維有限元模型圖

圖2 荷載施加位置-1 示意圖

圖3 荷載施加位置-2 示意圖

1.3 邊界條件及網格劃分

根據《民用機場道面評價管理技術規范》規定利用評價機型評估機場的最大起飛重量時，采用的有限元模型應為板邊自由狀態下[6]。板體在受熱膨脹后，處于四邊不自由狀態[7]，因此設置邊界條件時，保持模型的上表面為自由狀態，模型四周約束水平方向的運動。根據溫克勒地基上的彈性板理論，板底的基頂反應模量取120MN/m3，對板底施加彈性支撐。

考慮到計算效率和誤差，一般對荷載作用區域的網格密度進行細化，以荷載作用區域為中心漸變增加網格的大小，以減少單元的數量，節約計算成本[8]。整體模型共40050 個節點，11748 個單元。

2 模型計算與分析

2.1 計算結果分析

復合道面受荷載和溫度耦合作用，當瀝青層底產生的主應力大于材料的容許拉應力時，容易產生反射裂縫[9]。結合機場的實際運行情況，計算了兩種機型作用下沿板縫分布的橫向應力、位移以及沿單輪中線分布的縱向位移。

B737-800 在最大起飛重量下的單輪輪印尺寸取長為0.49m，寬為0.3m 的矩形面，A321 在最大起飛重量下的單輪輪印尺寸取長為0.53m，寬為0.32m 的矩形面。兩種機型主起落架在荷載位置-1 處造成的表面應力分布見圖4 和圖5。

由于受熱膨脹，處于四邊不自由狀態下的板體周圍產生應力，B737-800 和A321 起落架作用下最大應力值分別為1.08MPa 和0.85MPa；位于主起落架作用區域的最大應力值分別為0.7MPa 和0.58MPa；模型中央橫向2500mm 處的應力值分別為0.03MPa 和0.09MPa。對比發現，B737-800 產生的主輪作用區和板邊的應力值要大于A321，但是A321 在橫向中心位置處的應力數值要大于B737-800。

計算得到了兩種機型產生的沿橫向板縫對應處瀝青混凝土表面產生的豎向位移，B737-800 和A321 作用下產生的整體最大變形分別為0.21mm 和0.22mm，主起落架作用區域的最大位移約為0.06mm。沿單輪中心線分布的縱向位移，B737-800 和A321 產生的最大位移為0.28mm，縱向5000mm 處的最大位移為0.06mm。

表3 為作用在荷載位置-1 時的瀝青面層底部沿板縫橫向分布的應力計算數值，B737-800 和A321 在瀝青混凝土底層周邊產生的最大應力為1.15MPa，主起落架附近區域產生的最大應力值為0.44MPa 和0.48MPa。

分別以兩種機型的最大起飛重量對板塊接縫位置對應的瀝青面層施加作用，通過對此種荷載下的計算，得到荷載位置-2 瀝青混凝土面層縱向分布的位移、應力結果。

圖6 為B737-800 荷載位置-2 處的橫向應力分布圖，圖7 為A321 荷載位置-2 處的橫向應力分布圖。圖中，B737-800 和A321 的受力區域的最大應力值分別為1.71MPa 和1.12MPa；板體邊緣產生的最大應力值為0.78MPa 和0.58MPa；模型中橫向2500mm 處產生的應力值為0.06MPa 和0.02MPa。從數據看，B737-800 產生的應力數值要略大于A321 產生的應力數值。

表3 為作用在荷載位置-2 時的瀝青面層底部沿板縫橫向分布的應力計算數值，B737-800 和A321 在瀝青混凝土底層周邊產生的最大應力分別為1.19MPa 和1.18MPa，主起落架附近區域產生的最大應力值為1.02MPa 和1.09MPa。

根據兩架飛機對應的接縫位置產生的豎向位移分布結果，B737-800 和A321 產生的最大變形值為0.22mm。當主起落架作用在模型表面的中間位置時，板體產生的總體變形要大于處于荷載位置-1 時的變形。

提取主起落架在兩種荷載位置時沿單輪中心線縱向分布的位移結果，兩種機型產生的最大變形位移為0.27mm。荷載位置-1 時的A321 和B737-800 在縱向距離5000mm 處的最大位移值為0.065mm。荷載位置-2 時的A321 在縱向5000mm 處產生的位移為0.1mm，B737-800 產生的相應位移為0.12mm。

表2 主起落架參數表

圖4 B737-800 荷載位置-1 橫向應力分布圖

圖5 A321 荷載位置-1 橫向應力分布圖

表3 荷載位置-1 瀝青混凝土層底應力

2.2 形成機理分析

根據計算結果將兩種機型各位置作用下的應力、位移的數值結果進行對比。圖8、9 為B737-800 在荷載位置-1 與荷載位置-2 產生的沿板縫橫向分布的豎向位移與應力對比圖。

圖10、11 為A321 機型在不同荷載位置處產生的沿板縫橫向分布的豎向位移與應力分布對比圖。當主起落架作用在荷載位置-2 時，水泥混凝土板接縫對應的瀝青混凝土上表面靠近輪胎周圍處應力值和位移數值大于荷載位置-1 時產生的結果。而模型的兩側靠近板邊的位移值相差不大，荷載位置-1 作用下產生的應力值要大于荷載位置-2 的結果。在相關位置，瀝青混凝土底層產生的應力值要大于荷載位置-1 時的應力數值。

通過觀察圖12、圖13 兩種機型沿單輪中線分布的橫向位移分布對比結果，可知在縱向距離5000mm 處，荷載位置-1 產生的應力小于荷載位置-2 的應力。飛機向前滑行的過程中（見圖14）板塊對應的接縫位置附近會產生相應的應力變形，當滑行至與接縫對應的位置時圖15中產生的最大應力值向反方向偏移。

當荷載作用在舊道面裂縫或接縫一側，舊道面在這個荷載作用下，板縫兩側的道面板產生相對的豎向位移[10]。當荷載作用在舊道面的裂縫或接縫上，道面結構橫向中心位置處的應力和位移會隨著機輪的靠近而增大，這種作用會使得瀝青混凝土層在不斷的剪切變形下從內部產生裂縫并且繼續向表層拓展形成反射裂縫。

圖6 B737-800 荷載位置-2 橫向應力分布圖

圖7 A321 荷載位置-2 橫向應力分布圖

表4 荷載位置-2 瀝青混凝土層底應力

3 結論

本文分別計算了B737-800 和A321 在不同荷載位置下對道面產生的位移和應力。通過對比兩種機型的數據結果得出以下結論：

（1）道面板在兩種機型作用在兩種不同荷載位置時，由于材料受熱出現膨脹，板體周邊會產生一定的應力。主起落架作用區域的橫向應力最大，荷載位置-2 情況下的應力值大于荷載位置-1 情況下的應力值。

（2）兩種機型作用區域在荷載位置-2 下的橫向位移要大于荷載位置-1 下的豎向位移，說明當主起落架壓過模型中間位置時的豎向位移最大，其余部位產生的豎向位移變化規律基本一致。

（3）觀察兩種機型單輪中心線整體模型的縱向位移，荷載位置-2 情況下縱向5000mm 處的位移要大于荷載位置-1 產生的位移。當道面結構受熱膨脹后，瀝青混凝土層在剪切-彎拉-剪切的持續作用下便容易產生反射裂縫。

圖8 B737-800 沿板縫表面豎向位移對比圖

圖10 A321 沿板縫表面豎向位移對比圖

圖11 A321 沿板縫表面應力對比圖

圖13 A321 表面縱向為分布對比圖

圖14 機輪靠近接縫處示意圖

圖15 機輪通過接縫處示意圖