第1章 绪论
1.1 水泥混凝土道面设计方法研究背景及意义
进入 21 世纪以来，A380 等大型客机相继投入使用，为了适应复杂起落架作用条件下道面设计要求，各国纷纷开展道面设计理论研究。以 2009 年美国联邦航空管理局 (Federal Aviation Administration，FAA) 推出的道面设计规范 AC150/5320-6E[1] 为代表，基于累积损伤*线的道面设计方法逐渐建立起来，我国《民用机场沥青道面设计规范》(MH/T 5010—2017)[2] 就采用了这种方法。该方法不再将各机型的运行次数转化为设计飞机的运行次数，而是按通行覆盖率确定各机型的重复作用次数，并提出累积损伤因子的概念，根据 Miner 准则叠加计算各机型对道面的累积损伤作用，通过比较累积损伤因子与 1 的大小关系判断道面参数是否满足设计要求。
与国外沥青道面设计方法相比，我国对于水泥混凝土道面设计方法的理论探索进展相对缓慢。军用机场道面作为供飞机起飞、着陆滑跑、滑行及停放的道坪，良好的使用性能和足够的使用寿命能够保障航空兵部队顺利完成各项作战训练任务。随着新机型陆续列装部队，军用机场保障逐渐由单一机型保障向多机种多机型综合保障的趋势发展，传统军用机场道面厚度的计算方法越来越难以适应未来保障机型的设计要求：一是大型运输机的起落架构造复杂，新型战斗机胎压高、重量大，设计飞机的选取、交通量换算关系的确定、动载系数的取值等内容繁琐，需要做大量的前期测试工作；二是采用道面通行宽度内设计飞机均匀分布的交通量模型一定程度上降低了交通量*大值，而所有飞机均按照设计飞机的交通量在相同位置叠加，未考虑起落架构型的不同，又在一定程度上放大了交通量*大值，设计交通量与实际交通量的差异较大；三是军用飞机具有自身特点，《军用机场水泥混凝土道面设计规范》(GJB 1278A—2009)[3]选择着陆架次 0.75 倍的起飞架次来计算道面的疲劳损伤，与 FAA 和民航道面设计方法中忽略着陆的做法不同，着陆对道面损伤作用换算方法存在争议；四是由于飞机着陆接地点与起飞离地点位置不同，尤其是对于短距起降飞机，飞机运行并不覆盖整条跑道，交通量存在纵向分布，且横向与纵向分布规律的联合会得到交通量的平面分布规律，这部分内容现有研究与应用基本空白；五是设计中对于动载的考虑仅在静载的基础上乘以动载系数，采用*不利点位下的道面响应作为极限荷载应力，而实际道面不同位置处的受力不同，即起飞、着陆过程中机轮荷载是不断变化的，这也导致道面允许作用次数在跑道纵向上是不断变化的。
国内现行水泥混凝土道面设计规范中，无论军用机场还是民用机场，通行宽度内均匀分布的交通量模型，大小与作用位置均保持不变的设计荷载，会导致道面设计偏于保守。偏于保守的道面设计虽然在一定程度上保证了道面结构的安全性，但也会造成材料的浪费和造价的提升。FAA 考虑轮迹的横向分布，建立了基于累积损伤*线的机场道面设计方法。实际中由于交通量的平面分布与机轮荷载的纵向分布，机场道面累积损伤应具备平面分布的特征，不仅需要区分各机型的损伤作用，还要区分相同机型起飞、着陆等不同飞机运行状态的损伤作用。本书以国家自然科学基金项目 “军用机场水泥混凝土道面累积疲劳作用的平面分布规律研究”(51578540) 为支撑，综合利用轮迹平面分布测试、SIMULINK 整机滑跑动力学模型仿真、ABAQUS 道面有限元计算、现场道面试验等手段，建立基于累积损伤平面分布的机场道面设计原理，主要达到以下研究目标：
(1) 研发机场交通量平面分布测试系统，明确轮迹横向分布与纵向分布测试方法，构建交通量平面分布模型，为建立基于累积损伤平面分布道面设计方法提供交通量依据。
(2) 在机场道面不平度仿真的基础上，建立六自由度整机滑跑动力学模型，研究道面平整度和滑跑速度对机轮动载的影响，给出跑道纵向机轮动载系数计算公式，为机场道面设计动载取值提供参考。
(3) 建立考虑接缝传荷的道面有限元模型，研究移动荷载作用下的道面结构响应，实现道面各点应力状态的快速计算，并开展现场足尺道面试验，验证有限元模型用于道面各点损伤计算的合理性。
(4) 综合上述交通量的平面分布测试、整机滑跑动力学仿真和道面有限元分析结果，叠加计算不同机型、相同机型不同运行状态下道面各点的累积损伤因子，并根据累积损伤因子的平面分布开展道面分段分区优化设计。
机场道面交通量平面分布模型可以计算道面各点的通行覆盖次数，交通量的计算由均匀分布到横向正态分布再到平面分布，是由 “点” 到 “线” 再到 “面”的进步。考虑机轮荷载纵向分布的道面允许作用次数计算可以有效区分起飞、着陆等不同飞机运行状态的道面损伤，避免不同规范起飞、着陆交通量换算的分歧，具有重要的理论研究价值。该方法将道面设计由累积损伤*线法发展为累积损伤*面法，意味着在 FAA 提出的道面设计方法基础上又前进了一步，为道面分段分区优化设计和精细化维护决策与管理提供理论指导。
1.2 水泥混凝土道面设计方法概述
1.2.1 水泥混凝土道面设计方法
水泥混凝土道面通过面层的混凝土板将交通荷载产生的应力传递到基层及土基，承受着设计期限内环境和交通荷载的反复作用。在诸多水泥混凝土道面设计方法中，比较成熟的有 FAA 法、美国陆**程兵团 (United States ArmyCorps of Engineers，USACE) 法、波特兰水泥协会 (Portland Cement Association，PCA) 法以及日本、加拿大、法国、苏联等水泥混凝土道面设计方法 [4]。1967 年公布的 AC 150/5320-6A[5] 和 1974 年修订的 AC 150/5320-6B[6] 中水泥混凝土的板厚 (道面厚度) 均通过设计飞机种类、混凝土的弯拉应力和基层反应模量等参数查图确定，为典型的经验设计法。1978 年 AC 150/5320-6C 又在AC 150/5320-6B 的基础上考虑了年航班数对道面厚度的影响，并明确采用基层反应模量表示基层的承载作用 [7]。1995 年 AC 150/5320-6D[8] 和 2009 年 AC150/5320-6E[1] 均以 Winkler 地基薄板理论计算荷载应力，将影响图线法引入道面设计。AC 150/5320-6D 仍采用 “设计飞机” 的思想，将其余飞机起飞次数换算成设计飞机起飞次数，由设计飞机的当量起飞次数表征交通量。但随着新一代大型客机在机场运行，飞机质量和胎压骤增，起落架形式日趋复杂，采用设计飞机换算进行机场道面设计的方法难以满足要求，设计飞机的选取及交通量换算关系的确定越来越困难。为此，AC 150/5320-6E 取消了 “设计飞机” 的概念，提出了通行覆盖率和累积损伤因子的概念，根据 Miner 准则计算各机型对道面的累积损伤，并建立了 NIKE3D 有限元模型将其嵌入 FAARFIELD 软件来计算荷载应力。2016 年，FAA 公布了 AC 150/5320-6F，刚性道面有限元模型升级为FAARFIELDv1.42 版本 [9]，程序界面如图 1.1 所示。FAARFIELDv1.42 根据国家机场道面试验设施 (National Airport Pavement Test Facility，NAPTF) 的相关测试调整了有关计算模型，采用 3D-FEM 计算的板边底部应力的 0.75 倍与 LEAF计算的板中底部应力的*大值作为设计应力，*终通过累积损伤*线法确定道面厚度。
除了 FAA 法外，USACE 法、PCA 法以及日本、加拿大、法国、苏联的水泥混凝土道面设计方法也较成体系。USACE 法在实际工程中积累完善，不断修正设计参数、优化方法并绘制了影响图线，逐渐被许多国家所采纳 [10]。PCA法 [11] 和日本水泥混凝土设计方法 [12]，均采用 ri σrd/(frd/rb) . 1.0 确定混凝土面层的疲劳厚度，其中 ri 为重要度系数，σrd 为交通荷载与温度应力产生的设计应力强度，frd/rb 为设计弯拉疲劳强度与面层系数比。加拿大水泥混凝土道面设计方法将 Westergaard 理论计算得到的设计飞机一个起落架作用下道面板中产生 2.8MPa 时的厚度作为面层的设计厚度，并考虑了土基在冻融期的强度衰减 [13]。法国水泥混凝土道面设计方法采用板中的荷载应力除以适当的安全率 (根据接缝传荷能力取值为 1.8 或 2.6) 小于混凝土的容许弯拉应力来确定面层厚度 [14]。苏联水泥混凝土道面设计方法将弹性半空间体薄板理论引入板中应力计算 [15]。我国《民用机场水泥混凝土道面设计规范》MH/T 5004—2010采用类似的设计思路并结合具体情况修订 [16]。
图 1.1 FAARFIELDv1.42 程序界面
机场水泥混凝土道面厚度设计主要有两种方法。一种是以 “设计飞机” 为代表的极限应力设计法，采用一定可靠度下荷载疲劳应力与温度疲劳应力之和小于混凝土的设计抗弯拉强度的标准来确定道面厚度。例如，我国《军用机场水泥混凝土道面设计规范》GJB 1278A—2009 采用了这种计算方法，如式 (1.1)所示：
式中，γr 为可靠度系数；σpr 为荷载疲劳应力，MPa；σtqr 为温度疲劳应力，MPa；fr 为混凝土的设计弯拉强度，MPa。
另一种为基于累积损伤*线的方法，该方法取消了 “设计飞机” 的概念，通过 Miner 准则叠加计算各机型作用下的累积损伤因子，根据累积损伤因子的大小来判定设计道面是否满足要求。比较有代表性的为 FAA 道面设计方法和我国《民用机场水泥混凝土道面设计规范》[1，16]。
自 AC 150/5320-6E 起，FAA 水泥混凝土道面设计取消了设计飞机的概念，引入各机型的累积损伤因子，假设轮迹服从正态分布，定义了通行覆盖率的概念，对 820in(1in=2.54cm) 宽的道面按照每 10in 一个条带分别计算各机型累积损伤因子，*终通过 Miner 准则叠加计算总的累积损伤因子，根据总的累积损伤因子*大值与 1 的大小关系，判断道面设计是否合理。
我国《民用机场水泥混凝土道面设计规范》MH/T 5004—2010 中采用式 (1.2) ～式 (1.4) 进行道面设计：
(1.2)
(1.3)
(1.4)
式中，nei 为 i 机型对道面的累计作用次数；T 为通行宽度，取值为 2.3m；Wt为主起落架一个轮印的宽度，m；nw 为一个主起落架的轮胎数量；Ns 为设计年限内飞机的年平均运行次数；t 为设计使用年限；Nei 为 i 机型设计年限内飞机的年平均运行次数；σp 为荷载应力，MPa。
与 FAA 道面设计方法不同，我国民用机场水泥混凝土道面设计中的累计作用次数采用的是通行宽度内均匀分布的交通量模型，并考虑了一定可靠度范围，为 “点” 的交通量模型，计算的累积损伤因子为一个特定数值；FAA 道面设计方法中假设轮迹横向服从正态分布，为 “线” 的交通量模型，计算的累积损伤因子在横断面上为一正态分布*线。实际上，由于起飞离地点、着陆接地点及飞机侧滑性能的不同，需要建立 “面” 的交通量模型，这也决定了道面实际作用次数应具有平面分布特征，尤其对于短距起降的军用飞机，忽略交通量的纵向分布会导致交通量与实际差异较大。且由于机轮荷载纵向分布的影响，道面允许作用次数在跑道纵向上也是变化的，忽略这一点，不同规范对起飞、着陆的交通量换算将存在差异。因此，不仅各机型之间要区分累积损伤作用，同一机型起飞、着陆等不同运动状态的累积损伤也需要区分。关于交通量的平面分布以及不同飞机运行状态下水泥混凝土道面纵向受力的差异，现有规范和研究中均鲜有报道。
1.2.2 水泥混凝土道面累积损伤计算方法
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