考虑飞机刹车荷载作用的沥青跑道动力响应研究

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近年来,随着我国航空运输业进入高速发展阶段,越来越多的机场投入规划建设。沥青跑道以其具有平整、抗滑、减震等优良性能,逐渐成为国内外机场跑道设计的主流。沥青道面属于柔性道面,对跑道变形具有一定的适应性,但与此同时,其对飞机荷载的扩散作用不如刚性道面,在飞机动载长期作用下道面和道基中会产生更大的附加动应力,诱发道面疲劳破坏和道基产生更大的累积沉降,严重威胁跑道的适航性。目前,关于飞机荷载-沥青道面-道基动力相互作用机理尚不明确,现有研究中较少考虑飞机降落滑行中刹车荷载的作用,此外,修建于山区的机场因受场地限制,形成挖填交替的非均匀道基结构形式,进一步加剧了问题的复杂性。本文通过建立飞机-沥青道面-均匀/非均匀道基耦合作用模型,采用半解析有限单元法系统研究了考虑飞机刹车荷载时沥青跑道的动力响应问题,给出飞机主起落架构型、飞机刹车荷载大小、移速、道基刚度以及道基结构形式等因素对动力响应的影响规律。主要结论如下:(1)飞机刹车荷载主要影响沥青道面中纵向正应力和xy平面内剪应力。刹车加速度为-0.3g时,在沥青面层顶部位置,xy平面内剪应力时程曲线由正负交替转变为幅值较大的正向应力,峰值增幅达130%。在道基浅层土体内,考虑刹车荷载后,xy平面内剪应力峰值的增幅为4%。应力路径沿逆时针方向发生小幅旋转。竖向正应力未发生变化,飞机移动荷载在道基土体中的影响深度不受刹车荷载影响。(2)在沥青道面结构中,纵向正应力和横向正应力峰值沿道面结构深度变化形式相似,在沥青面层中以受压为主,顶部压应力峰值约3.0MPa,沿深度逐步降低;在水泥稳定碎石层中,主要呈现为上部受压,下部受拉,在底部位置达到最大拉应力;而在最下方碎石垫层中,主要呈现为拉应力,幅值较小。竖向正应力和xy平面内剪应力沿道面结构深度逐级降低,峰值均出现在沥青面层中。(3)不同主起落架构型的飞机作用下,道面结构中的最大应力均出现在后主起落架机轮正下方(C轴),应力时程曲线随轮轴数量的改变而分别呈单峰、双峰和三峰分布,机轮的叠加效应随着主起落架轮距的减小而增大;沥青道面结构中xy平面内剪应力对刹车荷载的变化最敏感,在沥青面层顶部,随着刹车加速度从-0.1g增至-1.0g,xy平面内剪应力峰值最大增幅达348%;跑道内各向动应力响应时间随飞机移速的增加而逐级递减,在沥青面层顶部,纵向拉应力峰值呈几何递增趋势,在80m/s时可达0.88M Pa;随着填土道基刚度的增加,动应力时程曲线趋于平缓,各向正应力峰值均获得不同幅度的降低,在碎石垫层底部,随着填土道基刚度从25MPa增至120MPa,纵向正应力降幅最大可达89%;在填挖交替的非均匀道基形式下,道面结构中纵向和横向正应力峰值随着逐步接近填挖交界面而降低,xy平面内剪应力在距交界面-2m位置处出现应力集中现象,达到最大值0.86MPa,相较于均匀填土道基,峰值增幅达11%。(4)道基中土体受力以竖向正应力和xy平面内剪应力为主。A380-800飞机荷载影响深度可达13.6m,在道基浅层土体应力路径呈带“犄角”的椭圆形。(5)在不同主起落架构型下,道基内各向动应力峰值出现在C轴处,A380-800飞机在道基土体的荷载影响深度是B737-800的1.79倍;在道基顶部,随着刹车加速度从-0.1g增至-1.0g,xy平面内剪应力增幅最大可达12%,道基浅层土体应力路径长轴沿逆时针方向发生旋转;随着飞机移速的增加,xy平面内剪应力峰值增大,荷载影响深度增加,应力路径发生明显偏转;当道基刚度从25MPa增至120MPa时,荷载影响深度从11m升至13.6m;在填挖交替道基形式下,道基浅层土体在填挖交界面附近动应力峰值显著增加,竖向正应力在填挖交界面位置处达到最大值,约为均匀填土道基响应深度处的2.79倍,应力路径呈扁圆形,相较于均匀填土道基,椭圆长轴增加,短轴缩短。
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