11-机场道面结构设计2012new

第十二章机场道面结构设计1、跑道体系设计跑道体系：跑道（结构道面）、道肩、净空道、停止道、跑道安全带、防吹坪等。1、跑道体系设计主要内容第一节跑道体系设计第二节机场道面类型与结构层次第三节交通荷载第四节沥青混凝土道面结构设计第五节水泥混凝土道面结构设计1、跑道体系设计一、跑道广义：跑道体系狭义：全强度跑道或称之为结构道面跑道宽度：由飞机主起落架外轮缘之间的距离，飞机起飞和着陆时对跑道中心线的横向偏离度，以及必要的附加安全宽度三部分组成。1、跑道体系设计飞行区等级指标I飞行区等级指标II （2）代飞行基准飞行场地代翼展主起落架外轮外侧间距码长度（1）字（m）1< 800A < 15< 4.52800~ < 1200B15 ~ < 244.5 ~ < 6 31200~ < 1800C24 ~ < 366 ~ < 94≥1800D36~ < 529 ~ < 14E52 ~ < 659 ~ < 14F65~ < 8014 ~ < 16备注：1）飞行基准飞行场地长度：是指飞机以规定的最大起飞质量，在海平面高度、标准大气温度、无风和跑道纵坡为零条件下起飞所需的最小飞行场地长度。2）指标II：应选用翼展和主起落架外轮外侧间距两者中要求高的代字。11、跑道体系设计跑道纵断面1、跑道体系设计二、道肩道肩为紧邻结构道面边缘条状结构物，其作用为抵御喷气气流的吹蚀，防止松散材料吸入喷气发动机内，减少飞机偶然驶离跑道时受损的危险，以及作为承载维护设备和应急设备场地和通道。道肩宽度一般为1.5m，当飞行区等级指标Ⅱ为D、E的跑道宽度小于60m时，道肩宽度使跑道加道肩的总宽度为60m。紧邻跑道的道肩表面同跑道表面接平，道肩的横坡应比跑道横坡大0.5%~1%，但最大值不宜超过2.5%。1、跑道体系设计四、升降带升降带是跑道和停止道（若设置的话）周围的安全地带，在有些文献中，升降带连同跑道端安全区一起统称跑道安全带。升降带的长度自跑道端、当设置停止道时自停止道端向外至少延伸30m（飞行区指标Ⅰ为1并未非仪表通道），60m（其它场合）。1、跑道体系设计跑道横断面：满足道面表面排水的要求，但同时横坡不宜过大，以免危及飞机运行安全和轮胎的过量磨耗。1、跑道体系设计三、停止道、净空道设置停止道时，停止道宽度应同与之相接的跑道与道肩总宽度相一致。停止道的坡度和边坡限制与跑道的相同，但对跑道两端各1/4长度部分的0.8%坡度限制无需应用于停止道。净空道：起始点为全强度跑道或停止道的末端，宽度为150m，在跑道中心延长线两侧对称分布。1、跑道体系设计五、跑道安全区在升降带两端，飞行区指标Ⅰ为3、4级跑道和1、2级的仪表跑道，需设置安全区，以免着陆飞机冲出跑道或过早接地。安全区的长度不小于90m，宽度为跑道宽度的2倍。21、跑道体系设计六、防吹坪不设停止道的跑道端应设防吹坪，防吹坪自跑道端至少向外延伸60m，其宽度等于跑道道面和道肩的总宽度。防吹坪表面应与其相连的跑道表面齐平，结构应能承受飞机气流的吹蚀。防吹坪坡度应与升降带坡度相同。2、机场道面类型与结构层次机场的跑道、滑行道和机坪需铺设道面结构。要求的使用性能：1）具有足够的结构强度，在预定的使用年限内能承受飞机荷载的多次重复作用，而不出现威胁安全或影响使用的结构损坏。2）表面具有足够的抗滑能力，高速起飞和着陆时不颠簸，从而不影响驾驶员对飞机的以保证飞机在潮湿状态下起飞或着陆滑行制动时的安全。3）表面具有较好的平整度，使飞机在控制和乘客的舒适感。4）面层或表面无碎屑，以免被吸入喷气式发动机，造成发动机的损坏。5）具有充足的耐久性，以避免在环境和荷载的重复作用下，过早出现轮辙、开裂、老化、松散等损坏。2、机场道面类型与结构层次主要内容第一节跑道体系设计第二节机场道面类型与结构层次第三节交通荷载第四节沥青混凝土道面结构设计第五节水泥混凝土道面结构设计2、机场道面类型与结构层次道面类型：沥青混凝土道面和水泥混凝土道面两类。结构层次：面层、基层和垫层面层：直接承受飞机荷载作用和环境（降水和温度）影响的结构层，应具有较高的结构强度和荷载扩散能力，良好的温度稳定性（沥青混凝土道面）、不透水、耐磨、抗滑和平整的表面。可由一层或数层组成。基层：主要其承重（扩散荷载）作用，应具有足够的强度。有时设两层，称为基层和底基层。垫层：在地基土质较差和（或）水温状况不良时，宜在基层下设置垫层，起排水、隔水、防冻等作用。2、机场道面类型与结构层次32、机场道面类型与结构层次道面设计内容：（1）道面类型和结构选择（2）各结构层材料组成设计（3）道面结构设计，确定满足交通要求和适应环境条件的各结构层所需厚度（4）经济评价和最终方案选择3、交通荷载机场道面设计需考虑的交通荷载：飞机荷载、通行次数和荷载重复作用次数。一、飞机荷载特性飞机荷载基本参数：最大起飞重量、主起落架机轮数目、主起落架荷载分配系数、轮胎充气压力等。1、飞机起落架构型飞机荷载由主起落架和前起落架传递至道面。常用飞机的主起落架构型分为：单轴单轮、单轴双轮、双轴双轮、双轴四轮、三轴双轮和复合型等。3、交通荷载2、轮载飞机的重量主要由主起落架承担。主起落架承担的重量占飞机总重的比例称为主起落架分配系数，一般为90%~96%。主起落架个数一般为2~4个，一般均假定主起落架各单轮承担的荷载相同单轮荷载P=ρ⋅GnG：飞机荷载，一般由最大起飞重计算得到，kN；ρ：主起落架荷载分配系数；n：飞机所有主起落架的轮子数目主要内容第一节跑道体系设计第二节机场道面类型与结构层次第三节交通荷载第四节沥青混凝土道面结构设计第五节水泥混凝土道面结构设计3、交通荷载3、交通荷载3、接触应力与轮印面积飞机轮胎的接地压力通常采用轮胎充气压力近似，一般在0.5~1.6MPa之间，大型民用运输机的轮胎充气压力变化范围为1.1~1.5MPa。飞机单轮的轮印随轮载、充气压力和轮胎类型的不同会呈现不同的形状。一般假定为圆形、椭圆形、矩形和组合型。圆形轮印的接触面积：A=Pq⋅1000半径：r=A/π43、交通荷载3、交通荷载a)设于平行滑行道的情况b)设于中央滑行道的情况3、交通荷载四、轮迹横向分布飞机在跑道、滑行道、联络道上滑行时，其中线会偏离设施的中心标线（白天）或中线灯（晚上），这种偏离的轨迹或范围称为轮迹横向分布。3、交通荷载二、通行次数通行次数：指飞机通过道面的次数。美国FAA的咨询通报150/5320-6D认为：降落时由于燃油已大量消耗，降落时对道面产生的力学作用与起飞时相比可忽略，因此取通行次数等于飞机的起飞次数。我国民航的沥青道面设计规范认为：起飞和降落时均应考虑对道面的作用，取通行次数为飞机的运行架次，并认为起飞和降落架次的比值为1:1。3、交通荷载三、当量单轮荷载为便于从道面结构影响的角度对比飞机荷载的大小，采用某种方法将多轮荷载转换成一个当量的单轮荷载。柔性道面：选用在道面结构内某处产生的最大弯沉量相等作为多轮荷载同单轮荷载当量的标准。水泥混凝土道面：选用所产生的弯拉应力相等作为多轮荷载同单轮荷载当量的标准。3、交通荷载五、荷载重复作用次数1、传统的通行-覆盖率飞机对道面的作用通过起落架轮子进行传递。当飞机通过时，道面上表面某一点受轮胎作用的次数称为覆盖次数。覆盖次数与飞机的通行次数、主起落架的数量和轮距、轮胎接触面积的宽度、轮迹的横向分布等有关。某种机型的通行-覆盖率（Pass-to-Coverage Ratio, P/C）:指道面结构在受该种飞机作用时，道面横断面上表面所有点中通行次数与覆盖次数比值的最大值，即最不利位置处的P/C：P/C=max（通行次数/覆盖次数）53、交通荷载单轮轮胎的最大概率位置（轮胎覆盖次数最多的位置）位于正态分布的中点，单轮中心线在中心点两侧各Wt/2范围内作用的轮子都会对中心点产生覆盖次数。3、交通荷载3、交通荷载3、交通荷载3、交通荷载2、改进的覆盖次数在力学-经验法的道面设计中，设计指标一般均有一定深度的物理量，如土基顶面的竖向压应变，面层底面的水平拉应力等，均需考虑荷载对深度的影响。美国FAA现行的弹性层状体系结构厚度设计方法（LEDFAA 1.3）中，把覆盖次数计算的位置由道面表面移到了土基顶面。需考虑起落架荷载传递到土基顶面时的面积和峰值的数量，随道面厚度、刚度和起落架的构型而变化。由此计算得到的通行-覆盖率往往比在道面表面计算得到的通行-覆盖率小得多。主要内容第一节跑道体系设计第二节机场道面类型与结构层次第三节交通荷载第四节沥青混凝土道面结构设计第五节水泥混凝土道面结构设计64、沥青混凝土道面结构设计经验法：美国FAA、加拿大、日本、中国等美国FAA的CBR法最具代表性力学经验法：弹性层状体系4、沥青混凝土道面结构设计多轮重型，上述公式修正：t=α⋅rAr=−0.0481−1.1562lgs−0.6414(lgs)2−0.4730(lgs)3s=0.0068947CBR/p4、沥青混凝土道面结构设计2、交通荷载的考虑飞机荷载按最大起飞重考虑，前起落架分担5%，其余95%由主起落架均匀承担。利用各种飞机的沥青道面设计曲线，按地基CBR、飞机总重和年起飞次数，分别确定所需厚度。以所需厚度最大的飞机作为设计飞机。设计飞机不一定是飞机组成中最重的飞机。4、沥青混凝土道面结构设计一、CBR法—经验法1、CBR—厚度关系式及设计曲线当量单轮荷载（ESWL）：以土基竖向压应力等效原则换算t=fESWL⎛⎜11⎞⎝0.5695CBR−32.085p⎟⎠f=0.23×lgC+0.15t：道面结构设计厚度，cmESWL：当量单轮荷载，kgp：轮胎接触压力，MPaf：多轮修正系数，与覆盖次数C有关4、沥青混凝土道面结构设计各种机型的设计曲线4、沥青混凝土道面结构设计将飞机组成中各种飞机的起飞次数转换成设计飞机的当量年起飞次数：lgRlg(δR1/2d=i)×(Wi/Wd)当量年起换算飞机的换算飞机的设计飞机的飞架次年起飞架次轮载轮载74、沥青混凝土道面结构设计3、设计步骤1）确定土基的CBR设计值：土质调查和CBR试验确定2）选择设计飞机：按飞机组成和各飞机的年起飞次数，利用相应的设计曲线得到所需的道面结构厚度，选取厚度最大的飞机作为设计飞机。3）计算设计飞机当量年起飞次数：将各种飞机的年起飞次数换算成设计飞机的当量作用次数，并总和得到年当量总起飞次数。4）确定所需道面结构的总厚度：由设计飞机总重、当量年总起飞次数和地基的CBR值，查有关飞机的设计曲线得到所需总厚度。5）确定垫层厚度：初选砾石作为垫层，其CBR=20。按4）步相同的方法得到所需面层和基层总厚度。以道面结构总厚度减去次总厚度，即得到所需垫层厚度。若用其它材料做垫层，则将得到的垫层厚度除以该种材料的当量系数，得到相应的垫层厚度。4、沥青混凝土道面结构设计6）确定沥青面层厚度：采用设计曲线图上规定的主要和非主要部位沥青面层厚度，作为设计值。一般为10.2-12.7cm（主要部位）或7.6-10.2cm（非主要部位）。7）确定基层厚度：按5）步得到的面层和基层总厚度，减去面层厚度即为所需的基层厚度。应满足最小基层厚度要求。4、沥青混凝土道面结构设计二、弹性层状体系法1、损坏模式和设计指标设计目标：车辙和沥青层疲劳开裂损坏设计指标：沥青底层的水平拉应变和土基顶面的竖向压应变2、疲劳方程沥青混凝土面层层底最大水平拉应变与允许覆盖次数的关系：lgNH=8.44−5lgεH−2.665lgEA土基顶面最大竖向压应变与允许覆盖次数的关系：⎧⎛⎜0.004⎞8.1⎪⎟ NN⎪⎪⎝⎨ε⎠v<12100vv=⎪⎪⎜⎛0.002428⎞14.21 N⎪⎩⎝ε⎟v≥12100v⎠4、沥青混凝土道面结构设计4、沥青混凝土道面结构设计4、沥青混凝土道面结构设计3、混合交通的考虑采用Miner原理线性叠加各级（各类）荷载（应力）作用下材料所出现的疲劳损伤。所有飞机引起的道面上某一点累计损伤因子CDF为：mmCDF=∑CDFi=Cii类飞机的实际覆盖次数；1∑1Nii类飞机的道面结构允许作用次数CDF=1：道面将在到达它预期的使用寿命时损坏；CDF<1：道面在到达它预期的使用寿命时，还有剩余的使用寿命；CDF>1：道面将在预期的使用寿命前损坏；84、沥青混凝土道面结构设计4、设计步骤1）通过土质调查和试验，确定土基的弹性模量。2）预测飞机组成和各飞机的年起飞次数。3）初拟道面结构厚度，试验得到各结构层次材料的力学参数。4）采用弹性层状体系软件，计算沥青层底的最大拉应变和土基顶面的最大竖向压应变。5）计算每种飞机对于于沥青层层底拉应变和土基顶面竖向压应变的覆盖次数。6）根据疲劳方程获得初拟结构对应的每类飞机的允许覆盖次数。7）计算初拟结构的累积损伤因子CDF，根据CDF是否接近于1判断初拟结构的合理性，若不满足要求则重新调整结构厚度或材料组成，满足要求则确定初拟结构为设计结构。5、水泥混凝土道面结构设计一、结构设计理论设计标准：外部作用引起的水泥混凝土面层的最大应力不超过混凝土的疲劳强度主要理论：弹性地基上薄板主要假设：1）面板为等厚的弹性体，力学参数有弹性模量E、泊松比和厚度h；2）竖向应变可以忽略；3）截面的法平面在变形前后均保持平面并垂直中面4）板中面无水平位移5）地基与板之间无摩阻力，竖向完全接触。地基假设：Winkler地基假设/弹性半空间体假设5、水泥混凝土道面结构设计利用“板边弯矩影响图”计算混凝土道面的设计荷载应力步骤：1）计算道面结构的相对刚度半径l=4Eh312(1−μ2)k2）计算轮印面积和尺寸3）取影响图上的比例尺等于刚度半径，将轮迹尺寸按比例绘制在透明纸上，并以此覆盖在影响图上，计算轮迹包围的影响图方块数n。Me=0.0001pl2n(MN)σe=6M2e/hn(MPa)4）计算自由边临界荷位处的截面最大弯矩Me和应力5）根据接缝的构造情况，对自由边荷载应力进行折减σp=(1−β)σe主要内容第一节跑道体系设计第二节机场道面类型与结构层次第三节交通荷载第四节沥青混凝土道面结构设计第五节水泥混凝土道面结构设计5、水泥混凝土道面结构设计二、道面结构的应力计算设计标准：控制飞机荷载产生的最大应力不超过混凝土的疲劳强度温度翘曲应力：采用控制面板平面尺寸等构造措施加以考虑美国FAA、工程兵团（CE）以及我国的设计方法：设计荷载应力按照飞机主起落架的机轮位于半无限大板的自由边板边边缘得到的自由边荷载应力，然后再考虑板缝传荷能力影响。圆形或椭圆形单轮位于半无限大板的自由边板边边缘时，面板结构荷载应力有显示解（Westergaard板边应力公式）多轮荷载的结构荷载应力：有限元数值方法或应该根据Westergaard板边应力公式和叠加原理绘制的“板边弯矩影响图”5、水泥混凝土道面结构设计板边弯矩影响图95、水泥混凝土道面结构设计5、水泥混凝土道面结构设计5、水泥混凝土道面结构设计2）疲劳分析法：按设计使用期内使用机场的实际飞机组成，分别为每一种飞机的主起落架荷载计算某一面层厚度条件下的最大弯拉应力σpi，以此应力同混凝土的设计弯拉强度fr相比，得到该种飞机的应力比σpi/fr。利用混凝土的疲劳方程，确定该应力比的容许重复作用次数Ni。再求出该种飞机疲劳损伤因子CDFi。叠加所有飞机的疲劳损伤因子，如果CDF小于并接近1，则此面层厚度可以采纳；否则需重新假设另一厚度进行上述分析。疲劳方程lgN=14.05−15.12σpfr5、水泥混凝土道面结构设计5、水泥混凝土道面结构设计三、厚度确定方法1）安全系数法：选出几种起决定作用的飞机，依据其运行次数和道面的部位选用适当的安全系数，由90d龄期的混凝土弯拉强度除以安全系数，得到相应的容许弯拉应力。然后利用特定飞机的应力计算图，分别为每一种所选飞机查图确定相应于其容许弯拉应力时所需的面层厚度。比较各种主要飞机的所选厚度，选择最大的一种作为设计厚度。5、水泥混凝土道面结构设计105、水泥混凝土道面结构设计¾接缝和接缝布置（1）纵缝纵向施工缝构造a）企口缝型b）企口加拉杆型1-填缝料；2-半径10mm的圆弧；3-拉杆5、水泥混凝土道面结构设计（2）横缝横向缩缝构造a）假缝型b）假缝加传力杆型1-填缝料；2-垫条；3-下部锯缝；4-传力杆涂沥青端；5-传力杆11