机场沥青混凝土道面设计的力学—经验法。
周浩1 1.中国民航大学机场学院，天津300300)
摘要：由于计算机数值模拟技术的迅速发展，在力学—经验法中普遍接受了基于累积损伤原理的交通荷载分析方法，该方法的核心是根据miner定律，对不同飞机荷载对道面产生的疲劳损伤进行线性叠加，然后根据累积的疲劳损伤程度判定道面是否达到疲劳损坏状态。这种设计方法不仅避免了不同飞机与设计飞机之间的换算，而且还可以考虑材料参数随时间的衰变规律，因而与传统的设计飞机法相比，基于累积损伤方法得到的设计结果更加合理准确。
关键词：力学-经验法；miner定律；累积损伤。
中图分类号：tu375.4 文献标识码：a
引言。力学—经验法首先分析道面结构在飞机荷载和周围环境的综合作用下的力学响应量(应力、应变、位移)，建立力学响应量与道面性能(各种损坏模式)关系模型，按设计要求设计所需的道面材料及结构组合。从上世纪60年代初开始，各国科技人员都投入较多精力研究并实施沥青道面的力学—经验设计法。
1弹性层状体系法．
传统的力学—经验法一般以理论作为模型，以弹性模量和泊松比作为道面材料的设计参数，以沥青层底面的水平拉应变和土基顶面的竖向压应变作为设计控制指标，控制道面结构两种主要的损坏模式：土基的永久变形和沥青层的疲劳开裂(见图1)。
图1 沥青混凝土道面力学一经验法设计流程。
2 faa力学—经验法。
美国联邦航空局faa针对新一代大型飞机，建立了以弹性层状体系为理论基础、以飞机荷载作用下沥青层底的水平拉应变以及土基顶面的竖向压应变作为设计控制指标的力学—经验法，并且开发了设计软件ledfaa，该软件以faa自行开发的弹性层状体系分析软件leaf，作为道面结构力学响应的核心计算程序，具体沥青道面厚度设计流程见图2。
图2 faa沥青道面设计流程图。
设计过程中，对于多轮起落架荷载，采用叠加原理进行计算，通过该程序获得设计指标对应的力学响应量，然后代入使用性能预估方程进行计算，而则采用上述新的覆盖次数的概念确定，通过几轮试算最终达到标准0．953 设计指标的累积损伤
根据miner定律，不同飞机荷载对道面产生的疲劳损伤可以线性叠加。按照该定律针对各种飞机不同的设计参数，分别计算得到其对道面的疲劳损伤程度，然后把不同飞机的疲劳损伤程度进行线性累加，得到一个累积损伤因子cdf (cumulative damage factor)，根据cdf是否接近1来判定道面是否达到疲劳损坏状态，这一概念就称为累积损伤原理。
累积损伤因子cdf是道面在各种机型作用下已经使用疲劳寿命的表征，可通过各种机型的线性叠加得到，参见式(3-1)：
式中：—第种飞机的预期重复作用次数；k—使用飞机的总数；—第i种飞机的允许重复作用次数，由设计指标的损坏预估方程决定；
道面结构设计采用cdf作为指标时，以cdf的大小来判定结构设计的合理性，cdf与设计控制损坏标准的对应关系如下：
当cdf=l时，道面在到达预期的设计使用年限时达到损坏标准；
当cdf<1时，道面在到达预期的设计使用年限时，尚未达到损坏标准，还有剩余的使用寿命；
当cdf>l时，道面在未到预期设计使用年限时就提前达到损坏标准，寿命不足。
在道面结构设计中可以把cdf控制在0．95～1．05的范围内作为设计准则，也可以根据可靠度的概念，动态地制定cdf的可接受标准。
4 机场沥青道面设计新方法及步骤。
第一步交通荷载分析。
1)**机场起降飞机的种类和年运行架次以及各种机型的交通量增长率；
2)统计各机型的荷载参数，包括最大起飞重量、起落架构型尺寸和轮压等关键机型荷载参数；
3)计算飞机单轮的几何尺寸。
第二步初拟道面结构组合。
1)根据机场的建设等级，确定设计使用年限；
2)初步确定道面结构面层、基层和底基层(垫层)的厚度；
3)确定道面各结构层和土基的材料参数，包括回弹模量和泊松比以及相关的非线性参数；
第三步的计算。
1)采用赵鸿铎提出的道面结构等效宽度计算方法，针对不同的道面结构类型的不同设计指标，计算各种飞机的等效宽度；
2)将道面横断面划分i个条带，根据每种飞机的等效宽度，计算该飞机对应的每个条带的积分范围，并计算相应荷载作用概率；
3)根据各种飞机的**交通量，计算道面横断面每个条带的荷载重复作用次数，其中，i代表道面条带，j代表飞机类型；
第四步的计算。
1)采用数值分析软件，建立道面结构的数值计算模型；
2)根据确定的沥青道面结构设计控制指标，计算道面结构的力学响应值；
3)根据选取的损坏预估方程计算各控制指标的允许重复作用次数；
第五步 cdf的计算。
1)计算各种飞机的。
2)计算道面每个条带各种飞机的累积。
3)选取累积损伤最大的条带，，
4)根据设计准则0．95～1．05的范围，判断结构设计是否合理，如果cdf在此范围之外，则返回到第二步重新拟定道面结构，进行新一轮的设计计算，直到0.955 结论。
新一代大型飞机起飞重量大、起落架构型复杂、机轮多，在其复杂起落架构型多轮荷载的长期作用下，对机场道面结构设计提出了新的要求。
当机场预期起降的机型种类较多、有大型飞机作用时，按照我国规范方法进行设计会得到比较保守的结果，而基于cdf的本文改进设计方法可较客观地反映道面结构的真实状态，得到比较合理、经济的机场沥青道面结构设计厚度。
基于道面结构力学响应的力学—经验法已成为新一代机场道面设计方法发展的趋势，本**提出的设计方法新体系即采用力学—经验法，针对柔性基层沥青道面疲劳开裂和轮辙变形的控制设计，采用基于累积损伤的设计方法，建立了道面结构设计流程和详细步骤，力学—经验法已成为世界各国积极发展的研究方向。
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