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飞机移动荷载作用下机场跑道动力响应研究

王云龙  
【摘要】:山区机场建于群山之上,场址地形条件差,结构形式独特。跑道常常跨越多个地质单元,填方量大,填料特殊,并且有多场耦合作用,服役环境恶劣,跑道平整度要求极高。山区高填方机场具有特殊结构形式,在道面-道基内产生不均匀动应力将导致道面产生不均匀沉降,沉降累积将严重影响飞机的适航性。本文针对山区高填方机场的特点,介绍了凌道盛等提出的移动荷载作用下跑道动力响应半解析有限单元法,通过计算程序得到单轮荷载对飞机跑道道面-道基结构的动力响应,并运用叠加原理求得飞机主起落架移动荷载作用下的道面-道基动力响应。针对于山区高填方机场特殊的结构形式,本文研究飞机主起落架构型、飞机移动速度、刚柔性道面结构和道基形式(填挖交替、挖填交替、不同坡度填挖道基和均匀道基)的改变对道面结构和道基动力响应的影响,为山区机场建设提供理论依据,得到结论如下:(1)飞机单轮移动荷载作用下,道面结构中纵向和横向正应力在道面板上层受压,底层受拉,基层整体受拉。道基内的动应力响应以竖向正应力,移动速度对浅层土体竖向动应力影响较小,对深层土体影响较大,单轮荷载影响深度为2.2m左右。(2) A380-800飞机移动荷载作用下,道面结构中各应力时程呈三峰分布,而B747-400飞机呈双峰分布,且道面动应力值比单轮荷载作用下大1到4倍。随着移速增大各项应力随之增大,在80m/s时道面板内拉压应力别是20m/s时的1.2到1.3倍左右,可达7.0MPa。填挖交替道基和挖填交替道基结构对道面结构中的纵向正应力影响相似,在填挖交界面处动应力出现最大值。靠近填挖交界面处拉压应力存在一个反向变化区间,此区间为距填挖交替面填土道基5m,挖方区2m范围内。(3)对于不同类型的飞机,道基中最大应力所对应的位置不同,A380-800飞机竖向最大应力出现在C轴处,B747-400飞机竖向最大应力出现在B轴处。A380-800飞机在道基土体中的荷载影响深度是B747-400飞机的1.1倍左右。移动速度对竖向动应力峰值影响明显,运动速度越快,产生的竖向动应力峰值越大,空客A380-800飞机移动速度80m/s时在深层土体产生的附加动应力可达20m/s时的2倍,荷载影响深度是其1.45倍,是静力情况下的1.67倍。飞机移动速度对竖向动应力以及道面的长期累积沉降的影响不可忽视,采用静力分析方法将低估附加动应力水平和荷载影响深度,导致实际累积沉降大于预测值。(4)飞机移动荷载在柔性道面结构下跑道道基中动力响应和荷载影响深度都要比刚性道面结构时大,更容易引起飞机跑道沉降和差异沉降,影响跑道的适航性。(5)在挖填交界面处竖向正应力达到最大,是填土道基的6.2倍,基岩中竖向正应力可达填土道基的2.0倍。增大填挖交替坡度时,在靠近填挖交界面时会增大动应力峰值,动应力叠加效果明显。动应力路径呈带“犄角”的蛋形。


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