机场水泥混凝土道面损伤的空间效应及其表达

The design method based on cumulative damage principle has gradually become the mainstream for airport cement concrete pavement. The core of this design method is calculation of pavement cumulative damage caused by multi-aircraft loading. However, because of effects of difference among the width of aircrafts main landing gear, wheel track wandering and slabs joint, concrete pavement cumulative damage is significant heterogeneity in space and has a close relationship with position, value and quantity of peaks of load stress and load frequency on pavement when multi-aircraft operation . The present design method only rough estimates it by considering critical load position or maximum traffic position, so that results are too conservative. The base of improvement is detailed survey of aircraft wheel track, analysis of pavement spatial response, and reasonable expression of damage effect . This project intends to develop noncontact wheel trace monitor system to survey and analyze aircraft wheel trace wander,establish finite element models to analyze pavement structure spatial response under multiple working cases, further construct pavement structure influence surfaces to reveal the rule of pavement structure response changing with load position. On this basis, curved surfaces for pavement cumulative damage factor will be draw by calculating cumulative damage on pavement different positions, and the function model will be proposed. The theoretical achievements and data from this project will support to improve airport cement concrete pavement structural design method and evaluation technology.

基于累积损伤原理的设计方法逐渐成为国际上水泥混凝土道面结构设计方法的主流。该方法核心是多机种荷载作用下道面累积损伤的计算。由于受飞机起落架构型、轮迹偏移以及接缝影响，水泥道面累积损伤在空间上具有显著非均匀性，与道面上各机型荷载应力及作用次数峰值出现的位置、大小和数量有关。对此现行设计方法中仅在最不利荷载位置或最大通行位置上作粗略估算，使结果过于保守。改进的基础是对轮迹分布的详细测试、道面结构空间响应的分析及损伤效应的合理表达。本项目拟研发非接触式轮迹分布测试仪，实现飞机轮迹空间分布的现场测试与分析；建立水泥道面结构响应有限元分析模型，对多工况结构响应进行模拟，进一步应用结构影响面法，揭示道面结构响应量随荷载作用位置变化的规律；在此基础上，计算混合交通条件下道面累积损伤量，构建水泥道面损伤曲面及其函数模型。预期成果对于改进机场水泥混凝土道面结构设计方法和评价技术，具有重要学术意义和应用价值。

基于累积损伤原理的设计方法逐渐成为国际上水泥混凝土道面结构设计方法的主流。水泥道面累积损伤在空间上具有显著非均匀性，而现行设计方法中仅在最不利荷载位置或最大通行位置上作粗略估算，使结果过于保守。. 本项目根据现行设计方法中存在的问题，自主研发了非接触式激光轮迹横向分布测试系统一套，对上海虹桥国际机场西跑道进行了现场测试，归纳了其轮迹横向偏移规律，建立了轮迹横向偏移的分布模型；借助大型有限元软件ABAQUS，建立了考虑接缝传荷行为的“水泥板－接缝－基础” 的九块板道面结构三维有限元模型，并使用接缝传荷模型Crovetti和Zollinger模型、FAA物理微缩试验以及DIA实测数据进行模型验证；开发出基于Matlab 2014a版本的机场刚性道面九块板三维inp模型自动生成软件ARPNS和面向ABAQUS的自动提交工况软件Autosubmit，实现了考虑接缝传荷的机场刚性道面九块板三维有限元模型的自动生成和自动提交求解器计算。. 综合考虑道面设计和分析的需要，最终选择四种道面结构参数，生成并计算三种典型起落架构型下的112320种工况的道面结构响应；进一步应用结构影响面法，绘制出不同机型下典型机场道面结构的影响面图形，分析并比较了B737-800、B767-200、B777-200三种机型下横缝中点和纵缝中点的影响面特征，揭示了道面结构响应量随荷载作用位置变化的规律；利用多次降维的思路，将三次多项式插值算法应用于影响面分析中，实现了数据库中未包含工况的多维插值计算。. 从疲劳损伤的角度出发结合Miner定律，在虹桥轮迹横向分布测试成果的基础上，研究了正态分布和极值分布及上述三种机型作用下，道面的损伤曲面的异同。利用python和flask编程语言，完成“基于Web端的机场刚性道面损伤曲面自动生成软件”，为后续的道面损伤研究提供了极大的便利；以华东某4E机场的航空量数据为例，分别研究了正态分布和极值分布的混合交通条件下，道面板在设计寿命期内的累积损伤因子CDF，系统揭示了道面板损伤的空间分布规律。. 研究成果对于改进机场水泥混凝土道面结构设计方法和评价技术，具有重要学术意义和应用价值。