虹橋國際機場a段道面損壞狀況調查與評價

通過本次調查，對現有道外結構的性能進行了準確評估，這是制定道外維修技術方案的基礎。它主要包括以下3個方面的內容:(1)交通荷載調查,以了解道面的受荷歷史,并預估今后的趨勢和交通要求;(2)道面損壞狀況調查,以了解路面損壞的類型、輕重程度和范圍;(3)道面表層彎沉測定,以反算各結構層的模量參數,評定接縫傳荷、板底脫空情況,進而對道面結構的承載能力做出評價。虹橋國際機場A滑行道K0～K2段位于機場北端,是北端起飛時飛機滑行的必經之路。在西區投入使用之前,該區域滑行道承擔了大量航空交通荷載,道面結構也出現不同程度的損壞。為此,通過全面的調查,掌握該區域道面損壞狀況及其分布規律;通過系統的彎沉測試,對道面結構承載能力做出準確評價;根據評價結論,制定了相應的維修方案。1評價機的選擇對評價期內航空交通量的準確預測是評價道面結構能否適應未來發展需求的基礎。考慮到虹橋國際機場現有滑行道上面層于2000年修建,設計使用壽命為30年,因此將本次滑行道道面評價期取為20年(2010年～2029年)。在飛機運行中,由于燃料消耗,降落時總重量遠遠小于其起飛重量。因此在進行道面結構疲勞壽命分析時,往往僅需要考慮起飛交通量。通過調研分析,1998年～2008年虹橋機場航空交通量年平均增長率約為5.0%。2008年,虹橋機場年起飛架次為93971次,旅客吞吐量約為2200萬人次。隨著西區的建成并投運,機場的航空交通量將逐年增長,并最終達到年旅客吞吐量3000萬人次的設計目標。另一方面,隨著航班的西遷,將大大緩解現有A滑行道的交通壓力。但是出于保守考慮,在本次道面評價中不考慮上述因素的影響,而是假定航空交通量在2008年的基礎上,按5%的年增長率連續增長6年,達到機場設計容量,之后航空交通量保持不變。由于不同機型的起飛重量不同,因此它們對道面所造成的損傷程度也必然不同。為準確評價混合交通對道面結構的影響,需要選取其中一種典型機型作為評價機型,將其他不同機型按道面損傷等效原則當量轉換成評價機型。根據調查,虹橋機場現有運行機型以B737(44.8%)和A320(29.1%)為主。因此,在本次道面結構評價分析中,選用B737-800作為評價機型。在確定評價機型后,需要按式(1)將各機型的起飛架次換算成評價機型的當量起飛架次Ns。然后,進一步考慮飛機荷載在跑道、滑行道上的橫向分布,按式(2)將當量起飛架次轉換為評價機型的累計作用次數Ne。Ns=∑i=1n(δNi)Pi/Ps√(1)Νs=∑i=1n(δΝi)Ρi/Ρs(1)式中:Ns為當量評價機型年起飛架次;δ為主起落架構型換算系數;Ni為擬換算飛機的年起飛架次;Pi為擬換算飛機主起落架荷載,kN;Ps為評價機型主起落架荷載,kN;換算時,當Pi/Ps<0.75時,該機型可不做考慮。Ne=0.75nwWt100TNst(2)Νe=0.75nwWt100ΤΝst(2)式中:Ne為評價期內,評價機型累計作用次數;Wt為評價機型主起落架構一個輪印的寬度,cm;T為飛機在跑道或滑行道上的通行寬度,可取2.3m;t為評價期限。按上述假定,計算評價期內評價飛機的累計作用次數Ne為78.1萬次,以此作為后續道面結構評價與分析的荷載參數。2各指標評價i道面損壞狀況采用道面狀況指數(PCI)指標進行評價。它是將道面不同類型病害按輕重等級換算為相應的扣分值,以扣除后分數來綜合反映道面表觀狀況。2.1道面結構破損對A滑行道K0～K2段進行損壞狀況調查,并按病害類型進行統計,結果如表1所示。由以上統計結果可見,該區段平滑道損壞以角隅斷裂最為顯著,共計191處,成為該區域道面的主導損壞類型。在總計720塊板中,發生損壞的約410塊。其中出現結構性損壞(包括縱、橫和斜向裂縫,角隅斷裂,破碎板或交叉裂縫)的板塊數量高達311塊,占損壞板塊數量的76%,可見道面結構損壞已相當嚴重。在現場病害調查中還發現,部分板塊出現多處結構性損壞,主要表現為板塊四角均發生角隅斷裂。同時板邊向板中方向也出現縱向裂縫,甚至裂縫之間相互貫穿發展為破碎板,破壞了道面結構的整體性。另一方面,在所調查的區域內,嵌縫料損壞的數量也較高。隨著雨季的來臨,雨水將沿接縫下滲進入道面結構內部,從而進一步加速道面結構損壞的發生。道面損壞在空間分布上具有顯著特點,即在縱向上主要分布于道口之間的主干段上,而在橫向上則主要集中于滑行道中間3塊板。這主要是由于該區域位于飛機主輪跡帶范圍內,承受飛機荷載的反復作用,因此出現疲勞損壞的概率遠遠高于外側區域。2.2理性認識等級以4行道面板作為一個單元,將調查區域劃分為36個單位,對每一單元板塊計算其道面狀況指數(PCI)。結果表明,調查區段PCI平均值為72.4,接近中等水平;最低值僅為36.6,評價等級為“差”。將各個單元的PCI計算結果,按照《民用機場道面評價管理技術規范》(MH/T5024-2009)的標準進行等級評價,不同等級單元的比例分配如圖1所示。從上述結果可見,近半數單元處于中或中等以下水平,另有6%的單元處于差等級。這說明局部區域道面破損已十分嚴重,并將對飛機的安全運行造成威脅。3道面質量小、可擴壓強道面結構承載能力的評價方法主要有無損檢測與破損檢測兩種,其中無損檢測具有檢測速度快、對道面結構無損傷等優點而得到廣泛應用。在本次道面評價中,采用FWD進行彎沉測試,通過反算獲得道面結構層模量,進而分別采用ACP-PCN和道面結構適應性厚度分別對既有道面結構承載能力做出評價。3.1反算模量在利用FWD彎沉數據進行道面結構參數反算時,為降低計算難度、提高參數反演的精度,需要對既有道面結構進行適當簡化。根據道面結構修建歷史,將其簡化為雙層板結構。各結構層的計算參數如表2所示。采用美國FAA推薦的BACKFAA模量反算軟件,通過對板中實測彎沉盆擬合,得到各結構層的模量值(如表3所示)。由于在FWD彎沉測試中施加的荷載為瞬態沖擊荷載,相應根據彎沉反算獲得的結構層模量為動態模量。而在后續的道面結構PCN和適應性厚度計算中,均采用靜態荷載和靜力學求解方法,因此需要將反算獲得的結構動態參數修正為靜態參數。對于水泥混凝土材料,研究表明其動、靜模量之間差異不大,因此在結構分析中無需修正。而土基由于具有強烈的應力依賴性,其在動、靜荷載作用下表現出來的模量差異很大,必須予以修正。FAA在其道面無損檢測技術規范中,對由FWD彎沉反算得到的板下地基模量,建議采用0.33進行修正。在AASHTO2002版路面設計指南中,對于路基反應模量k,推薦采用的動靜模量比為2∶1。國內王旭東等通過對某高速公路4個標段的FWD實測彎沉值進行路面結構層模量反算,認為土基反算動態模量的修正系數應取為0.5。據此,在本次評價中采用0.5對基礎反算模量進行修正。修正后,用于道面PCN和結構適應性厚度計算的結構參數如表4所示。3.2c類地基回彈性模量的確定ACN-PCN強度評價方法是國際民航組織推薦采用的道面強度評價方法。其中,ACN為飛機等級系數,與機型、基礎強度等級相關,并可通過查表予以確定;而PCN則為道面強度等級系數,與道面結構厚度、彎拉疲勞強度、土基強度、評價機型最大容許重量等因素有關。由于既有A滑行道道面為雙層板結構,在進行PCN計算時,需要按截面抗彎剛度相同的原則,將雙層板等效為單層結構。雙層結構與單層結構抗彎剛度計算分別如式(3)和式(4)所示。Dg=Ec1h3c112+Ec2h3c212+Ec1hc1Ec2hc2(hc1+hc2)24(Ec1hc1+Ec2hc2)ku(3)D=Eh312(1?μ)(4)Dg=Ec1hc1312+Ec2hc2312+Ec1hc1Ec2hc2(hc1+hc2)24(Ec1hc1+Ec2hc2)ku(3)D=Eh312(1-μ)(4)式中:Dg為雙層板截面總剛度;Ec1、Ec2分別為雙層板上層與下層板的彈性模量,GPa;hc1、hc2分別為雙層板上層與下層板的厚度,m;ku為層間結合系數,分離式取為0;D為等效單層板截面剛度;E為等效單層板彈性模量,GPa;h為等效單層板的當量厚度,m;μ為材料的泊松比,取為0.15。根據道面結構參數反算結果,將當量單層板結構彈性模量取為38GPa,則計算得到雙層板的當量厚度為35cm。同時,將反算獲得的地基回彈模量按式(5)轉化為地基反應模量,其結果為48MN/m3,屬于C類地基。k=0.0791×E0.7788(5)式中:E為地基回彈模量,psi(PoundsperSquareInch,1MPa=145psi);k為地基反應模量,pci(PoundsperCubicInch,1MN/m2=3.69pci)。道面混凝土彎拉疲勞強度由式(6)確定。frm=fcm(0.885-0.063lgNe)(6)式中:frm為混凝土彎拉疲勞強度,MPa;fcm為混凝土彎拉強度,MPa;Ne為評價期內評價飛機的累計作用次數。根據前述交通荷載分析,在評價期內評價飛機的累積作用次數為78.1萬次。而道面混凝土的彎拉強度為5.0MPa,根據式(6)確定其疲勞強度為2.57MPa。在此基礎上,通過有限元計算臨界荷位道面板的荷載應力,確定評價飛機的最大容許重量G為640kN。根據評價機型(B737-800)在C類地基上不同重量時所對應的ACN值,通過線性內插得到在最大容許重量為640kN時,道面結構等級系數PCN為46。通過查閱《民用機場飛行區技術標準》(MH5001-2006),可得到主要機型滿載時在C類地基下的ACN值,如表5所示。由表5可知,除A320-200以外,A滑行道K0～K2段道面結構承載能力已無法滿足其余各機型滿載起飛的要求。若不能立即對道面結構進行補強,在運行中則需要限制D類和E類飛機滿載起飛的次數。3.3現有道面結構適應性分析道面結構適應性厚度是指滿足評價期內飛行運行要求的最小結構厚度,可根據評價期內航空交通量和現有道面結構參數,通過道面結構厚度設計方法來予以確定。若現有道面結構厚度小于結構適應性厚度,則表明現有道面無法滿足評價期內的航空交通需求,需考慮對道面進行加鋪補強;若現有道面結構厚度大于結構適應性厚度,則表明現有道面能夠滿足評價期內的航空交通需求。根據上述評價原則,采用我國現行民用機場水泥混凝土道面設計方法來計算道面結構的適應性厚度,其結果為39cm。而現有道面結構的當量厚度為35cm,由此可見,現有道面結構已無法滿足評價期內航空交通需求,需要立即對其進行結構補強。4混凝土道面層間加固方案確定綜合道面損壞狀況和結構性能兩方面的評價結果,可見當前A滑行道K0～K2段道面損壞已相當嚴重,且多為結構性損壞,由此造成道面結構承載能力下降,已無法滿足評價期內航空交通荷載的運行需要。此外,由于損壞存在加速發展的趨勢,對飛機運行安全的威脅也日益增大。因此,建議對上述區域立即實施大修工程。由于既有道面結構為雙層水泥混凝土板塊,在確定維持水泥混凝土道面形式的基礎上,可以考慮的大修方案主要有兩種,即全結構翻修和上面層翻修。前者通過改建維修,將原雙層板結構調整為單層板結構,而后者則繼續維持現有“白+白”雙層結構。通過進一步分析表明,如果采用上面層翻修方案,則上下層板間結合條件將對加鋪層厚度產生顯著影響。不同層間結合條件下所需的加鋪層厚度如表6所示。考慮到維修區域道面的接坡要求,如果采用上面層翻修方案,則必須對層間界面進行處治,以確保上下層板之間的結合系數超過0.5。而從工程實踐來看,增強層間結合條件的施工工藝主要包括拉毛和種植鋼筋。但從工程實際使用效果來看,拉毛的實施效果并不理想,而且由于施工變異性大,不同位置的層間結合系數差異將非常大。種植鋼筋通常作為水泥混凝土道面部分厚度修補時提高層間結合條件的一種技術措施,目前尚未得到大面積推廣和應用,其工程效果難以準確評價;而另一方面,種植鋼筋時需要在下層板中鉆孔,由此將破壞板塊的結構性能,降低其承載能力。鑒于上述考慮,建議對A滑行道K0～K2段采取全結構翻修方案,以徹底根治現有道面結構所存在的問題,增強其承載能力,以滿足機場運行的需求。5道面結構性能(1)將虹橋機場目前主要機型B737-800作為評價機型,以道面結構剩余設計壽命為評價期,根據航空交通量增長的趨勢,確定道面在評價期內評價機型的累積作用次數約為78.1萬次。(2)道面損壞狀況調查結果表明,A滑行道K0～K2段道面以結構性損壞為主,其中角隅斷裂是最普遍的病害類型。在空間分布上,道面結構性損壞主要分布在滑行道中間3塊板位置。這主要是由于該范圍為飛機主輪跡帶,承受飛機荷載的反復作用。從PCI計算結果來看,近半數單元處于中