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飞机单轮荷载作用下山区机场跑道动力响应研究

张凡  
【摘要】:建设山区支线机场对于西部大开发、促进当地旅游等产业的发展、优化航空布局、实现地区协调发展等具有重大战略意义,同时也是国防安全、维护边疆地区安全稳定以及抢险救灾的重大需求。挖填交替的非均匀道基是山区机场跑道不同于普通机场的重要特征之一。高速移动的飞机荷载,在跑道道面和道基中产生不均匀动应力,是导致机场跑道道面产生工后不均匀沉降,影响跑道适航性的重要原因。开展飞机移动荷载作用下跑道动力响应分析具有重要意义。针对山区机场跑道道基沿飞机运行方向挖填交替的特点,本文基于沿跑道横向Fourier变换,提出了适用于飞机移动荷载作用下山区机场跑道动力响应分析的半解析有限单元法,导出了相应的有限元列式,编制了有限元分析程序。在此基础上,系统分析了飞机单轮荷载作用下飞机移速、道面结构形式、道基结构形式对于道面结构、道基土体中动应力的影响规律,得到以下主要结论:(1)飞机移动速度、道面和道基结构形式对道面道基中的动应力影响明显。单轮移动荷载作用下道面结构总体呈板弯曲变形状态,道基中的动应力以竖向受压为主,刚性道面结构下附加动应力在土基中的影响深度约为5m。(2)道面结构动应力各分量总体上随荷载移速的增加而增大,但由于道面结构刚度大,弹性波速高,除飞机运行方向承受的纵向动应力外,其他动应力幅值改变不明显。a) 飞机轮印前方道面层存在纵向拉应力区,其幅值在荷载移速为80m/s时可达到轮印压应力的20%,在道面结构设计时应予以关注。b)道面层纵向和横向压应力幅值相当,受飞机移动速度的影响较小。从深度分析看,刚性道面面层由于刚度大起主要抗弯作用,纵向和横向均呈现上层受压下层受拉状态。基层起辅助抗拉作用,其拉应力幅值相对较小;柔性道面则主要通过面层和基层联合抗弯,面层以受压为主,基层受拉为主,垫层辅助受拉。c) 道面层对轮印竖向压力的传递具有很强的扩散作用,填方道基柔性道面结构底层的压应力为轮印正压力的3.1%,刚性道面底层的压应力仅为轮印正压力的1.2%。d)填挖或者挖填交界非均匀道基导致道面结构动应力集中,在1:2的阶梯界面结构条件下其影响范围约为20m。其中对称面内道面层剪应力幅值增加15%以上,轮载作用点前方道面层中纵向拉应力幅值最高可达填土道基形式的350%。(3)不同于低速移动荷载作用下道基土体的心形动应力路径,飞机单轮移动荷载作用下填土道基中动应力路径呈带畸角蛋形。填土体中动应力幅值随移速增加而增大,动应力路径蛋形的长轴逆时针旋转。受道面结构刚度大和土体自身的阻尼作用影响,道基表层土体竖向动应力没有明显的马赫效应。a)随着土体埋深增加,竖向动应力幅值快速减小,蛋形应力路径的长短轴比变大。b)挖填或填挖交界面附近填土的动应力路径有明显改变,蛋形应力路径的长短轴比增加,呈纺锤形。


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