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飞机荷载作用下场道地基附加应力特征

飞机荷载作用下场道地基附加应力特征飞机荷载作用下场道地基附加应力特征 A润华，凌建明 (Fl济大学道路与交通工程系.上海 200092) 摘要:运用弹性层状体系理论，编制有限元计算程序，对飞机荷载作用下场道地基顶面及地基内不同深度处的附加应力进行了计算和分析.给出了飞机荷载作用下地基顶面附加应力的平面分布规律及附加应力在深度方向的变化特征关键词:场道地基;机场道面;附加应力;飞机荷载中图分类号:V 351 文献标识码:A 文章编号:0253一374X(2001)03一0288一06 Additional Stress...

飞机荷载作用下场道地基附加应力特征 A润华，凌建明 (Fl济大学道路与交通工程系.上海 200092) 摘要:运用弹性层状体系理论，编制有限元计算程序，对飞机荷载作用下场道地基顶面及地基内不同深度处的附加应力进行了计算和分析.给出了飞机荷载作用下地基顶面附加应力的平面分布规律及附加应力在深度方向的变化特征关键词:场道地基;机场道面;附加应力;飞机荷载中图分类号:V 351 文献标识码:A 文章编号:0253一374X(2001)03一0288一06 Additional Stresses of Pavement Subgrade Resulted from Aircraft Loads GUO Run-hua，LING Jian-ruing (I,rwnm 评价场道地基在工程荷载作用下的力学性状是机场建设中一项极其重要的内容.国际民航组织和各国的民航部门对机场道面结构本身的设计都有明确的规定，以保证其合理的结构层组合，足够的结构强度，以及良好的抗滑能力和平整度[’〕;并且在刚性道面和柔性道面厚度设计中分别以地基反应模量和土基CBR作为基础参数，以反映一般地基性状对道面结构的作用和影响[[z1.然而，有关场道软土地基的承载力验算、沉降变形计算及其对道面性能的影响分析等技术内容均没有相应的评价体系和分析理论，从而使软土地区机场场道的评价与设计具有较大的随意性，无论在技术上还是在经济上都可能存在众多的不合理性. 地基附加应力是场道地基承载力验算、沉降计算及其它各项评价和设计的依据.作用于场道地基的工程荷载包括填土荷载、道面荷载和飞机荷载.前两种荷载所引起的附加应力已有成熟的计算理论和计算方法[3)，而飞机荷载作用下场道地基的附加应力却少有研究. 本文以弹性层状体系理论为基础，突出飞机荷载的特点，对不同道面结构在各种飞机荷载作用下场道地基的附加应力进行了系统的计算分析和总结，为软土地区机场场道地基设计理论的建立提供了基础. 1 分析理论与模型 1. 1 分析理论机场道面是多层次的层状结构，根据各层次的功能和所用材料特性，将其划分为面层、基层和土基三个层次.对于刚性道面，飞机荷载经基层的扩散作用后，道面板的接缝对地基附加应力影响已经很小，故两收稿日期:1999-09- 15 基金项目:国家自然科学基金资助项目(.59608010) 作者简介:禺润华(1975一)，男湖北建始人，博十生万方数据第3期 im润华，等:飞机荷载作用下场道地基附加应力特征种道面形式均采用多层弹性体系理论分析要获得飞机荷载作用下地基的附加应力，必须先求出中间应力函数P., (r)来确定地基顶面应力函数PO(r)，最终求解不同道面结构与地基条件时，弹性地基在飞机荷载作用下地基的附加应力[41 1.2 夯析模到飞机单轮与道面的接触面形状简化为圆形，接触面积由荷载水平和飞机类型而定.对131SAR计算程序修改后先求单轮荷载作用下地基中任意点M(:，二)的附加应力(如图1),然后将起落架各轮作用采用矢量和进行叠加，多起落架时再进一步叠加.最终得出场道地基在飞机荷载作用下地基顶面及地基内附加应力的分布特征. i 伟可i 面层(刚性或柔性) 万1曲.加基层 E_,1,,,h 垫层(底基层) E, u, h 2.I 土基 Mg. 1 万,召丫从 r. 计算条件与参数取值道面条件图1计算圈式 Model of calculating 机场道面分刚性道面和柔性道面两种，道面厚度由面层、基层和底基层组成.各结构层的抗压回弹模量、泊松比等参数按交通部《公路沥青路面设计规范)(JTJ 014-97)及《民用航空运输机场水泥混凝士道面设计规范》(MT -U5004一95)取值，列于表1.层间结合条件假定为连续. 表1结构层特征参数 Tab. l Parameters of pavement structural layers 刚性道面参数土基水泥混凝上板 (40 cm厚) 从层 (38 cm厚〕沥青混凝长面层 (13 cm厚) 柔性道面基层 (40 cm厚) 底墓层 (6(1 cm厚) 抗压棋量 E I .W . 泊松比“ 35 000 0.35 0.15 1 5000.25 1 500们 20 0 251 2000.25 2.2 地基条件地基土的回弹模量E。在18-80 MPa之间，软土地区通常在18--34 MPa之间，粉土一般取25 MPa. 2.3 荷载条件[5] 2.3.1 单轮荷载大型民用运输机单轮荷载一般变化在79(Tu-154)---250 kN(MD-11)之间，应力水平(近似胎压)变化在0.85(Tu-154)一1. 14 MPa(13-747)之间，荷载作用半径(圆形半径)一般变化在15.7(Tu-154)一24.4 cm(B-727) 2.3.2 同一起落架中的多轮荷载飞机前起落架一般为单轮或双轮式，主起落架有轴向双轮式(B-727,737, MD-81, 82, MD-11中线主轮)、纵向双轮式(L-100)、四轮小车式‘B-747,767,757, Concorde, A-300, MD-11)、单轴四轮式〔L-1011-8 单排四轮)、六轮小车式(B-777)、十四轮拖车式(An-225).轮间距轴向一般变化在48. 3(ViS810)一137 cm (DC-10)之间，纵向一般变化在114(B-757)一183cm (L-500)之间. 2.3.3 相邻起落架之间的轮载飞机的主起落架主要布置有双起落架(A-300)、三起落架(MD-11)和四起落架(B-747)三种形式.相邻起落架对地基附加应力的叠加作用视起落架之间的距离而定，当相邻两起落架之间的距离在4m之内时 (B-747),#加作用明显;而当距离超过Sm(一般的双主起落架飞机如B-757)时，其作用就很小了_所以计算飞机荷载对地基的作用时一般只考虑8。范围内起落架的作用. 3.1 场道地基附加应力的特征单轮荷载作用面积的影响万方数据同济大学学报第 29卷荷载作用面积的大小也是影响地基附加应力的因素下面以近似荷载大小，不同单轮荷载作用面积来分析荷载作用面积对地基附加应力的影响.L-100-30,A-320-200, IL-96,B-707-320B, DC-8-55F等飞机主起落架单轮的荷载大小都在171 kN左右，单轮荷载作用面积最大相差67.2% 表2、表3分别给出了刚性道面和柔性道面各种单轮荷载作用下地基附加应力值. 表2 不同荷载作用面积下(刚性道面r二0)地基附加应力 Tab. 2 Additional stresses of mtq rade under different mono-wheel loading areas (r议id pavement) k1'a 深度八们 I. 100-30 A-320-200 11.96 B-707-320B 0 0.5 1.0 2.0 5.0 10.0 2〔)(〕 4.63 4.69 4.67 4.62 DC-8-55F 4 76 3.50 3.52 3 57 2.89 2 88 2 R8 0.45 0.45 0.45 0.15 f)15 0.15 0.15 注:单轮荷载作用面积:1100-30为2 220 -2. A-320-200为1 534 m},1U%为1462a .2.B-707-320B为1 346 -',DC-8-55F为1 328 an= 单轮荷载:1, 100-30为171 kN.A-320-200为171.8 kN.IL-96为171 kN.8-707320B为171 kN,DC-B-SSF为174 kN 表3 不同荷载作用面积下(柔性道面r二0)地基附加 Tab.3 Additronal stresses of subgrade under different mono wheel loading 应力深度八n L-100-30 A-320-200 IL96 areasB-707(flexible pavement) kN320B DQ8-55F 14 朋 14.20 14.10 14.20 14.40? ? ? ? ? ?8.90 8 84 6.30 ::: 6 32 ::: 3.84 3.86 3.85 3.85 。 ? ? ? ? ? ? ? 0.52 0 52 0.52 0.52 0,53 20.0 0.16 0.16 0.16 0.16 0.16 ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ， ? L-100-30与DC-8-55F单轮荷载作用面积相差67.2%，刚性道面地基顶面附加应力相差2.75%,5 m 深处相差1.87%;柔性道面地基顶面附加应力相差2.78%,5 m深处相差1. 36%. L-100-30与A-320-200 单轮荷载作用面积相差44.7%，刚性道面地基顶面附加应力相差1.28%,5 m深处相差0%;柔性道面地基顶面附加应力相差1.41%,5 m深处相差0% 这充分说明当飞机单轮荷载一定时，荷载作用面积对附加应力的分布无显著影响 3.2 主起落架构型对地基附加应力的影响主起落架构型直接影响飞机荷载的分配方式，并通过道面结构的扩散作用决定地基附加应力的分布. 起落架的构型由起落架的平面布置、轮组结构、轴向轮间距S，和纵向轮间距S。等几方面因素确定.其中起落架的平面布置和轮组结构对附加应力分布起主要作用. 3.2.1 各种双轮条件下的地基附加应力双轮主起落架轴向轮间距S，一般变化在48.3(Vi5810的主起落架)一137 cm(IVIT)-11的主起落架) 之间.以B-737(78 cm)和MD-11(137 cm)为例分析各种双轮条件下的地基最大附加应力分布规律图2 给出了B-737和MD-11双轮主起落架作用下地基顶面附加应力平面分布的三维曲面图，最大附加应力随深度的变化特点如图3所示 B-737与MD-11不同的S，代表了不同的双轮条件B-737双轮主起落架作用下刚性道面与柔性道面地基顶面最大附加应力值分别为6.3 kPa,16 kPa.ME,11双轮中主起落架作用下刚性道面与柔性道面地万方数据第3期品润华，等:飞机荷载作用下场道地基附加应力特征 a R-737(刚性道面) b B-737(柔性道面) c MD-II(刚性道面) d MD-11(柔性道面) 图2 各种双轮条件下地基顶面附加应力平面分布三维曲面图 ng.2 Three-dimensional distribution of additional stresses under different bi-wheel loads 基顶面最大附加应力值分别为10 kPa,24 kPa.两种道面结构在两种双轮条件下地基顶面最大附加应力值都出现在每个单轮荷载作用中心正下方，如图2所示，每个附加应力平面分布图都两次在单轮荷载作用中心处出现峰值，两峰值之间维持较高的应力水平，随着离荷载作用中心距离的加大，附加应力逐渐减小双轮条件下附加应力随深度的变化如图3所示，5m深处最大附加应力已经消散至自重应力的5%左右因此，在进行地基分层沉降计算时，双轮荷载作用下只需计算sm土层即已满足要求.7m深处刚性道面与柔性道面的附加应力线重合，这表明双轮荷载作用下道面结构对附加应力的影响只集中于浅层地基((7 m).10 m深处附加应力降至最大附加应力的10%以下，20 m深处附加应力已经消散接近于0 3.2.2 各种前后双轮条件下的地基附加应力前后双轮主起落架轴向轮间距S，一般变化在76 (D(, 8-55 )一132 cm(L-1011)之间，纵向轮间距凡一般变化在114(B-757)一178 cm(L-1011)之间.以B-757(86.3二x 114 cm)和A-300 (98 cm x 152二)为例分析各种前后双轮条件下的地基最大附加应力分布规律.最大附加应力随深度的变化特点如图4所示. 图5则给出了B-757和A-300前后双轮主起落架作用下地基顶面附加应力平面分布的三维曲面图 0 5‘ to a /kPa 15 20 25 30 a/kPa 0 5 1让 15 20 25 30 35 40 ，-来- B-737 R - MD-11 R -4- B-737 F -A- MD-11 F B-757 R A 3(111 R B-757 F A-3110 F ???? ?? ? ? ? ????????? ? ， ???? 、? ?? ? ?， ? ???? ? ， ? ? ? ?? 圈3 各种双轮条件下附加应力随深度分布 FSg.3 Additional stress distribution with depth under different bi-wheel loads 图4 各种前后双轮条件下附加应力随深度分布 Fig-4 Additional stress distribution with depth under different fore-and-aft bi-wheel loads a B-757(刚性道面) b B-757(柔性道面) ‘A-300(刚性道(fa) d A-3(1(11柔性道面1 图5 各种前后双轮条件下地基顶面附加应力平面分布三维曲面图 Fig.5 Three-dimensional distribution of additional stresses under different fore-and-aflbi-wheel loa出万方数据面最大附加应力值分别为16 kPa,36 kPa.不同于双轮条件的是两种道面结构在两种前后双轮条件F地基顶面最大附加应力值都出现在起落架中心位置，如图5所示，每个附加应力平面分布图仅在起落架中心出现一个峰值，随着离起落架中心距离的加大，附加应力逐渐减小，前后双轮条件下附加应力随深度的变化如图4所示，5m深处最大附加应力已经消散至自重应力的 10%,7m深处最大附加应力消散至自重应力的5%以内.因此，在进行地基分层沉降计算时，前后双轮荷载作用下需计算至7m土层.12 m深处刚性道面与柔性道面的附加应力才趋于一致，表明前后双轮荷载作用下道面结构对附加应力有较大影响.15 m深处附加应力降至最大附加应力的5%以下，20 m深处附加应力已经接近于0. 3.2.3 双前后双轮条件下的地基附加应力双前后双轮起落架构型主要应用于几种宽体飞机，如B-747,L-500,MD-12(拟)等.本文主要以B-747- 400为例来分析双前后双轮条件下地基顶面及深度方向附加应力分布规律图6给出了B-747-400双前后双轮主起落架作用下地基顶面附加应力的平面分布三维曲面图(中心线一侧)，图7给出了各起落架下最大附加应力随深度方向的分布. 10 20 a / kPa30 40 5() 6(】 ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ???? ? ，、 ? ?、，、 ?? ??????? ? ?? 。B-747-400(刚性道曲) h B-747-400(柔性道面) } B-747巾主(刚) } B-747边主(刚) -x- B-747边土(柔) .- B747中土(柔) 图6 双前后双轮条件下地基顶面附加应力平面分布三维曲面图 Flg.6 1t} dunamaal dis4ibutionJ留甘tional stn$e .lb，d代匕a妞d祖山 fanatic卜吐t卜u门坦d‘刘a 图7 双前后双轮条件下附加应力随深度分布 Fig.7 Additional stress distribution with depth under different山uble fore-and-aft bi-wheel loo山 B-747-400作用下刚性道面与柔性道面地基顶面最大附加应力值分别为32 kPa,53 kPa不同于前后双轮条件的是两种道面结构在每个主起落架中心处都出现峰值，如图6所示，每个附加应力平面分布图都有两个峰值，一个对应中间主起落架，一个对应边主起落架.中间主起落架下地基土由于受到中心线另一侧中主起落架的影响，附加应力峰值要高于边主起落架下地基土峰值边主起落架作用下刚性道面与柔性道面地基顶面附加应力峰值分别为26 kPa,49 kPa. 中间主起落架与边主起落架作用下附加应力随深度的变化如图7所示，5m深处最大附加应力仅消散至自重应力的30%左右，lo m深处消散到5%.因此，在进行地基分层沉降计算时，双前后双轮荷载作用下需计算至10 m土层，对于下卧软弱土层需作承载力验算.15 m深处附加应力降至最大附加应力的 10%，各起落架下地基土附加应力趋于一致 30 m深处附加应力接近于0. 3.3 地基回弹模f对附加应力的影响地基附加应力一方面取决于外界荷载特性和道面结构对荷载的传递特性，另一方面则主要取决于地基土自身对荷载的响应.地基回弹模量E。代表了地基平均应力状态的应力一应变关系.本文以A-300作为外界荷载分析不同道面结构地基回弹模量对附加应力的影响.不同地基回弹模量时附加应力随深度的分布情况如表4. 分析表明:不同的E。附加应力有明显差别.E。越大，地基顶面最大附加应力值及地基内深度方向附加应力值越高.随着深度增加，模量对附加应力的影响减小. 万方数据第3期 A润华，等:飞机荷载作用下场道地基附加应力特征 A 4 不同地甚回弹模f附加应力随深度分布 Tab-4 Additional stresses with depth under different subgraderesilient nuduh 刚性道面下的En小JP日 ~- 一一一 - . .- .- ~= --- 18 25 5一柔性道面下的En八丁P 15.10t2 60 22.90 - 一一一一一 - 一一 ~ 18 25 5一 - 一 - -~-一 _ 49.40 56 4n 11.00 13.10 192口 38.30 43.60 9.55 11..208.56 16.10 31.30 24.90 2000 13.50 36.30 28.70 22.70 15.00 :9._5018.50 33.307.42 11.60 20 4n 3 98 4.39 5 33 27.90 23.10 19.00 13.41 5.79 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5.65 5.98 4 结语飞机荷载作用下场道地基附加应力分布是进行场道地基设计的基础，置、起落架轮组构成受到飞机荷载、道面结构类型以及地基土回弹模量等多方面因素的影响、飞机起落架布置由起落架的轮组结构而定:双轮主起落架最大值出现在每个单轮下方地基顶面最大附加应力位出现在起落架中心.附加应力随深度增加迅速减小 ()20 m),附加应力逐渐消散为0. ，对于前后双轮主起落架最大值则，高附加应力值集中在地基浅层((10 m)，到地基深处参考文献: G)国际民航组织机场设计手册第三部分:道面{M〕北京中国民航局修建司,1986 【幼国际民航组织国际民用肮空公约附件十四[M]北京:中国基建机场司，1995 [3]朱百里沈珠江.计算士力学[A习上海科学技术出版社.1990 [4」朱照宏，土秉纲郭大智路面力学计算LM」北京:人民交通出版社，1985. 石别卢成文世界飞机手册【M了北京:航空工业出版社 1997 ? ??? ? ? ?? ?? ?? ? ? ? ?? ?? ???? ?? ? ? ? ??? ?? ? ? ·下期文章摘要预报· 城市道路网结构的可达性评价曾松，杨佩昆，方棣波在城市道路网络建设规模一定的条件下有很大的影响，道路网络的结构形式与连接情况对其效益以重新定义的可达性来作为综合评价城市道路网结构效益的指标，提出可达性绝对指标和相对指标的概念，并对有关的评价指标构成和评价方法进行了探讨万方数据

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