《西南地区某通用机场水泥混凝土道面板厚度计算分析》
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摘 要：近年来通用机场发展建设迅速,由于水泥混凝土取材方便、施工工艺成熟,大部分通用机场道面均采用水泥混凝土,而道面板的厚度设计对机场跑道至关重要.本文结合西南某通用机场工程实例,用传统设计规范方法和大型有限元软件ABAQUS分别计算出板底弯拉应力,结果表明有限元软件计算弯拉应力方便准确,可供其他机场道面厚度计算提供参考依据.
关键词：通用机场;道面;板厚计算;有限元
一 引言
通用航空作为民航业的两翼之一,已被列入国家战略性新兴产业,在国家经济社会建设中具有不可替代的作用.通用机场作为通用航空发展必要的基础设施,布局建设通用机场是必要和迫切的.西南地區位于祖国边陲,战略位置十分重要,通航网络的建设是完善省内综合交通网络的重要方面,也是尽快融入国家新战略规划的具体内容.
目前国内大部分机场的跑道形式为水泥混凝土道面,因为水凝混凝土取材方便、施工工艺成熟,而沥青路面容易出现“老化现象”[1],而且沥青道面易受温度的变化而变化.因此,通用机场道面形式也多采用水泥混凝土道面.而道面板的厚度设计对机场跑道至关重要,基于机场工程建设的特殊性,道面板的过厚以及过薄都对机场跑道的使用安全以及后期机场运营造成很大的影响.通过下述对西南地区某通用机场水泥混凝土板厚度的计算研究分析,得到合理的道面结构,为通用机场的安全运营提供保障.
二 机场水泥混凝土道面板厚度计算研究
(一)根据道面设计规范方法计算板底弯拉应力
目前温克勒地基上的小挠度薄板理论依旧是我国机场新建水泥混凝土道面板厚度设计计算的基本理论.以温克勒地基上的半无限大板为基本力学模型,以主起落架轮印外轮边缘与板边相切为临界荷位并考虑道面板接缝的传荷作用得到的板边计算弯拉应力,然后根据混凝土材料的疲劳弯拉规律得到对应的机型容许作用次数,再由疲劳损耗叠加原理,以所有机型疲劳损耗比之和介于0.8到1.1之间为原则[2],从而确定水泥混凝土道面板厚度.
通过对该通用机场的长远规划考虑,飞行区内新建设施按照B类飞机荷载进行设计.其中,某常见B类机型的参数如下表所示.
依据上表中的飞机参数,根据规范中计算公式可以求出设计飞机主起落架的单轮轮载为51.775kN.
根据单轮轮载以及主起落架胎压,可计算得出飞机主起落架一个轮印的长度和宽度分别为420.6mm和252.4mm.
式中：ne为某机型在设计年内的作用次数累积;T为主起落架75%轮迹的宽度,也即通行宽度（m）,取2.3m;Ns为飞机在设计年中的年均运行次数;t为设计年限,一般取30年.
根据该机场的航空业务量预测结果,年均运行次数确定为12000架次,因此根据上述公式可以计算出设计年限内的累积作用次数为59259次.
由于飞机主起落架构型及轮胎接地形状等问题的复杂性,道面板内弯拉应力的计算尚无解析解,而传统方法是依据相对刚度半径作为比例因子,将主起落架的轮印按要求缩放到板边弯矩影响图中,从而由轮印所覆盖的总格子数计算出板边弯矩,进而得出弯拉应力.
(二)利用有限元方法计算板底弯拉应力
利用上述传统方法计算出的板边弯矩,不仅消耗时间,而且精确度不高,容易受主观因素影响.因此为了方便快速且保证弯拉应力计算结果的精确度,通过大型有限元软件ABAQUS,建立水泥混凝土道面板的有限元模型,并将主起落架的轮胎压力施加于板边临界荷位,从而计算得出弯拉应力.
建立道面板有限元模型时,初拟面层厚度为220mm的水泥混凝土,基层厚度为300mm的水稳碎石层,理论上是基于无限大板的弯拉应力计算,实际建模中不可能实现,因此根据相关文献[3],所建道面板尺寸为15m×15m,设计机型起落架形式为单轴双轮,两种不同临界荷位下有限元模型如下图所示.
根据数值计算可得,板底最大弯拉应力为3.645MPa,再由下述公式计算出计算弯拉应力进而最后求出容许作用次数为73044,因此满足要求.
最终确定该通用机场面层为厚度220mm的水泥混凝土,基层为厚度300mm的水稳碎石层.
三 总结与展望
利用机场道面设计规范方法计算板底弯拉应力不仅消耗时间,而且精确度不高,而通过大型有限元软件ABAQUS建立道面板模型,可以方便快速计算出板底弯拉应力.可供后续其他机场道面厚度计算提供一定的参考依据.
参考文献：
[1]黄晓明.水泥路面设计[M].第一版.北京：人民交通出版社,2004： 13-20.
[2]MH 5004-2010, 民用机场水泥混凝土道面设计规范[S].
[3]袁捷.机场刚性道面结构参数反演方法研究[D].上海：同济大学,2008.
作者简介：
任起城（1992—）,性别：男,民族：汉,籍贯：内蒙古,职称：助理工程师,学历：硕士研究生,单位：中国民航工程咨询有限公司,研究方向：机场场道工程设计.
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水泥混凝土引用文献:
[1] 水泥混凝土路面和隧道开题报告范文 水泥混凝土路面和隧道有关硕士论文范文2500字
[2] 水泥混凝土和公路工程自考毕业论文范文 水泥混凝土和公路工程类有关论文写作参考范文2500字
[3] 水泥混凝土和隧道大学毕业论文范文 水泥混凝土和隧道类毕业论文模板范文3000字
