摘要：近年來通用機(jī)場(chǎng)發(fā)展建設(shè)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(jī)場(chǎng)道面均采用水泥混凝土，而道面板的厚度設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道至關(guān)重要。本文結(jié)合西南某通用機(jī)場(chǎng)工程實(shí)例，用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范方法和大型有限元軟件ABAQUS分別計(jì)算出板底彎拉應(yīng)力，結(jié)果表明有限元軟件計(jì)算彎拉應(yīng)力方便準(zhǔn)確，可供其他機(jī)場(chǎng)道面厚度計(jì)算提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：通用機(jī)場(chǎng);道面;板厚計(jì)算;有限元

一、引言

通用航空作為民航業(yè)的兩翼之一，已被列入國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)中具有不可替代的作用。通用機(jī)場(chǎng)作為通用航空發(fā)展必要的基礎(chǔ)設(shè)施，布局建設(shè)通用機(jī)場(chǎng)是必要和迫切的。西南地區(qū)位于祖國(guó)邊陲，戰(zhàn)略位置十分重要，通航網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)是完善省內(nèi)綜合交通網(wǎng)絡(luò)的重要方面，也是盡快融入國(guó)家新戰(zhàn)略規(guī)劃的具體內(nèi)容。

目前國(guó)內(nèi)大部分機(jī)場(chǎng)的跑道形式為水泥混凝土道面，因?yàn)樗炷寥〔姆奖恪⑹┕すに嚦墒?，而瀝青路面容易出現(xiàn)“老化現(xiàn)象”[1]，而且瀝青道面易受溫度的變化而變化。因此，通用機(jī)場(chǎng)道面形式也多采用水泥混凝土道面。而道面板的厚度設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道至關(guān)重要，基于機(jī)場(chǎng)工程建設(shè)的特殊性，道面板的過厚以及過薄都對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道的使用安全以及后期機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)造成很大的影響。通過下述對(duì)西南地區(qū)某通用機(jī)場(chǎng)水泥混凝土板厚度的計(jì)算研究分析，得到合理的道面結(jié)構(gòu)，為通用機(jī)場(chǎng)的安全運(yùn)營(yíng)提供保障。

二、機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面板厚度計(jì)算研究

（一）根據(jù)道面設(shè)計(jì)規(guī)范方法計(jì)算板底彎拉應(yīng)力

目前溫克勒地基上的小撓度薄板理論依舊是我國(guó)機(jī)場(chǎng)新建水泥混凝土道面板厚度設(shè)計(jì)計(jì)算的基本理論。以溫克勒地基上的半無限大板為基本力學(xué)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(jì)算彎拉應(yīng)力，然后根據(jù)混凝土材料的疲勞彎拉規(guī)律得到對(duì)應(yīng)的機(jī)型容許作用次數(shù)，再由疲勞損耗疊加原理，以所有機(jī)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(duì)該通用機(jī)場(chǎng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃考慮，飛行區(qū)內(nèi)新建設(shè)施按照B類飛機(jī)荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，某常見B類機(jī)型的參數(shù)如下表所示。

依據(jù)上表中的飛機(jī)參數(shù)，根據(jù)規(guī)范中計(jì)算公式可以求出設(shè)計(jì)飛機(jī)主起落架的單輪輪載為51.775kN。

根據(jù)單輪輪載以及主起落架胎壓，可計(jì)算得出飛機(jī)主起落架一個(gè)輪印的長(zhǎng)度和寬度分別為420.6mm和252.4mm。

式中：ne為某機(jī)型在設(shè)計(jì)年內(nèi)的作用次數(shù)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(jī)在設(shè)計(jì)年中的年均運(yùn)行次數(shù);t為設(shè)計(jì)年限，一般取30年。

根據(jù)該機(jī)場(chǎng)的航空業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)結(jié)果，年均運(yùn)行次數(shù)確定為12000架次，因此根據(jù)上述公式可以計(jì)算出設(shè)計(jì)年限內(nèi)的累積作用次數(shù)為59259次。

由于飛機(jī)主起落架構(gòu)型及輪胎接地形狀等問題的復(fù)雜性，道面板內(nèi)彎拉應(yīng)力的計(jì)算尚無解析解，而傳統(tǒng)方法是依據(jù)相對(duì)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(shù)計(jì)算出板邊彎矩，進(jìn)而得出彎拉應(yīng)力。

（二）利用有限元方法計(jì)算板底彎拉應(yīng)力

利用上述傳統(tǒng)方法計(jì)算出的板邊彎矩，不僅消耗時(shí)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(yīng)力計(jì)算結(jié)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(jì)算得出彎拉應(yīng)力。

建立道面板有限元模型時(shí)，初擬面層厚度為220mm的水泥混凝土，基層厚度為300mm的水穩(wěn)碎石層，理論上是基于無限大板的彎拉應(yīng)力計(jì)算，實(shí)際建模中不可能實(shí)現(xiàn)，因此根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[3]，所建道面板尺寸為15m×15m，設(shè)計(jì)機(jī)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(jù)數(shù)值計(jì)算可得，板底最大彎拉應(yīng)力為3.645MPa，再由下述公式計(jì)算出計(jì)算彎拉應(yīng)力進(jìn)而最后求出容許作用次數(shù)為73044，因此滿足要求。

最終確定該通用機(jī)場(chǎng)面層為厚度220mm的水泥混凝土，基層為厚度300mm的水穩(wěn)碎石層。

三、總結(jié)與展望

利用機(jī)場(chǎng)道面設(shè)計(jì)規(guī)范方法計(jì)算板底彎拉應(yīng)力不僅消耗時(shí)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(jì)算出板底彎拉應(yīng)力?？晒┖罄m(xù)其他機(jī)場(chǎng)道面厚度計(jì)算提供一定的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]MH 5004-2010， 民用機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]袁捷.機(jī)場(chǎng)剛性道面結(jié)構(gòu)參數(shù)反演方法研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

作者簡(jiǎn)介：

任起城（1992—），性別：男，民族：漢，籍貫：內(nèi)蒙古，職稱：助理工程師，學(xué)歷：碩士研究生，單位：中國(guó)民航工程咨詢有限公司，研究方向：機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道工程設(shè)計(jì)。