关键词： 耦合作用，剪应力（变），轮辙，差异化设计
中图分类号： U416.02
0 引言
白改黑加铺是不停航要求下的机场水泥混凝土道面养护的首选方案，但是，近年来很多跑道加铺后在平行滑行道、联络道及跑道上出现很多轮辙、推移及拥抱等病害，严重影响飞机安全[1].
目前机场加铺结构设计在平行滑行道、联络道、跑道的结构组合及材料类型基本相同，并没考虑和模拟荷载作用下加铺层变形累积过程和轮辙控制指标[2-3]，此外，也没有考虑机场飞行区不同区域飞机行驶特性的不同对加铺结构内受力及变形的影响[4].基于此，针对飞机在的行驶特性研究沥青加铺层的力学响应及轮辙形成规律，进而提出针对不同行驶条件下的以轮辙控制为目的的加铺结构差异化设计方法与指标.
1 应力应变分析
1.1 道面结构及材料参数
为了寻求应力、应变在加铺结构中的分布规律，采用我国某大型民用机场的道面加铺结构及材料参数，如表1所示，设计飞机采用B747-400.
表1道面结构及材料参数
Tab. 1 Road surface structure and material parameters
|
结构层 |
厚度/cm |
弹性模/MPa |
泊松比/μ |
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SMA-13上面层 |
5 |
1500 |
0.25 |
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AC-20下面层 |
8 |
1200 |
0.25 |
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水泥混凝土面层 |
38 |
34000 |
0.15 |
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二灰碎石上基层 |
18 |
1500 |
0.20 |
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二灰砂砾下基层 |
18 |
1300 |
0.25 |
1.2 模型尺寸及荷载作用位置
旧水泥混凝土路面板所采用的平面尺寸为板长×板宽=5m×5m，接缝宽度为1 cm，土基不建立实体模型采用Foundation弹性基础代替.在道面横向X向(垂直于飞机行驶方向)控制X向位移，在道面纵向Y向(飞机行驶方向)控制Y向位移.按照ABAQUS定义如下：X向上为XSYMM对称边界条件，即UX=URY=URZ=0.Y向上为YSYMM对称边界条件，即UY=URX=URZ=0.模型底部采用弹性基础模拟土基支撑作用，其反应模量k=80MN/m3.为了节省计算时间和避免发生奇异，采用三维8节点减缩积分单元[5].
对于有接缝的旧水泥混凝土板沥青加铺结构，其最不利荷位仍位于接缝处一侧板的纵向边缘中部.为了降低计算时间，在荷载作用处网格划分尺寸较细并逐渐向模型边界处扩展，同时面层网格划分尺寸较小并逐渐向基层增大.其道面加铺结构网格划分模型如图1所示.
1.3参数影响分析
剪应力及剪应变是沥青加铺结构产生失稳流动轮和推移的主要诱因，所谓对轮辙破坏的分析，主要是对结构层内剪应力及混合料抗剪强度的分析，通过对剪应力及剪应变的计算分析，了解加铺结构内应力分布特征，从而在定量分析的基础上优化加铺结构组合设计及材料选取.在接缝处沥青面层剪应力(变)较其他位置大，所以剪应力(变)计算位置选取为接缝处[6].在此，分析外部影响因素大型飞机荷载、温度、行驶速度变化下的应力应变变化规律，结果如图2～4所示.
图2 剪应力(变)随主起落架单轮轮载变化规律
Fig.2 The shear stress(strain) changes with the main landing gear single wheel
从图2中可以看出加铺层内最大剪应力、剪应变均随主起落架单轮轮载的增加而呈线性增长，轮载增大1倍，其剪应力、剪应变也均增大1倍.可见，大型宽体飞机荷载的较大增长所引起的沥青加铺层内剪应力、剪应变急剧增大，加铺层在使用初期就会很容易出现剪切流动变形.
图3 剪应力(变)随温度变化规律
Fig.3 The shear stress(strain) changes with the temperature
从图3可见，温度从20℃升至50℃，最大剪应力呈线性降低10%，但最大剪应变则呈幂函数的形式增大168%.所以，夏季失稳型轮辙诱因是内部抵抗变形能开降低所致，改善材料的温度敏感性是延缓轮辙的产生和发展的有效措施之一[7-8].
图4 剪应力(变)随速度变化规律
Fig.4 The shear stress(strain) changes with the speed
从图4可见，速度为50m/s时剪应力和剪应变分别比10m/s时降低93%和95.6%.在较低的行驶速度是加铺层最大剪应力及剪应变处于一个较高的水平，但随着速度的逐渐增加其值逐渐降低，并趋于平缓.同时相同的条件下，荷载在低速行驶区域的作用时间将是高速行驶区域的几十倍，大大增加了低速行驶区域发生病害的可能.故飞机在平行滑行道、联络道低速行驶较跑道上高速行驶更容易产生剪切变形.
从上述荷载、温度及行驶速度变化对剪应力、剪应变的影响规律可以看出，平行滑行道及联络道正是处于重载、高温、低速三相耦合作用下，造成其加铺层内剪应力、剪应变将急剧增大，从而处于极限不利受力状态，导致早期轮辙变形破坏.飞机在跑道上的高速行驶状态则极大的降低了荷载作用时间，从而延缓了早期轮辙变形的产生.
