第一章-机场道面工程绪论

机场道面设计——航空运输与工程学院1第一章概论主要内容：第一节机场道面发展历史回顾第二节机场道面使用要求第三节机场分级和道面分类第四节机场道面构造第五节机场道面设计方法与内容机场道面设计——航空运输与工程学院第一节机场道面发展历史回顾§机场道面：供飞机起飞、着陆滑跑以及进行飞行前准备和维护保养的场地。§机场道面随着航空事业和飞机的发展而发展。§世界上第一个机场：美国卡罗莱纳州基帝.霍克附近的一片海滩，莱特兄弟发明的飞机在此飞上天。§在飞机出现的初期：没有专门修筑的机场道面，而是利用平坦的地面、广场或练兵场进行起飞和着陆。机场道面设计——航空运输与工程学院第一节机场道面发展历史回顾机场道面设计——航空运输与工程学院第一节机场道面发展历史回顾§第一次世界大战前：许多国家修建了机场，机场跑道一般没有人工道面，只是将地面整平、压实。§中国第一个机场：1910年，北京南苑的练兵场。§机场道面：方形或圆形，保证飞机在任何风向时都能起降。机场上种植草皮，以提高土质道面的承载能力，并减少扬尘影响。§20世纪30年代初期：出现了用石料铺筑的机场道面，也有用结合料处治的道面。§此后，沥青混凝土和水泥混凝土铺筑的机场道面相继出现，到40年代喷气式飞机投入使用，这两种高级道面迅速增加道路工程——土木工程系第一节机场道面发展历史回顾§第二次世界大战后：飞机的总质量（5-6t提高到20-30t）和轮胎压力（0.7-0.8MPa增大到1.5MPa）提高迅速，对道面提出了更高的要求：足够的承载能力、表面平整度好、滑行平稳舒适、表面粗糙易于刹车制动。§——大型机场均修筑坚固耐用的机场道面，有的机场还修筑了多条跑道。§——机场道面以水泥混凝土和沥青混凝土为主，有的跑道采用混合式道面（两端用水泥混凝土，中间用沥青混凝土）。§——大型机场在高级道面一侧设置土质道面，以备飞机起落架故障时迫降使用。道路工程——土木工程系第一节机场道面发展历史回顾§国际民航组织1980年统计资料，包括147个成员国的1038个机场、§1718条跑道的道面情况道路工程——土木工程系第一节机场道面发展历史回顾§道面设计方法§——机场道面承受多种复杂应力的作用：机轮荷载引起的荷载应力、温度变化引起的应力、湿度变化引起的应力等§——机场柔性道面设计方法：美国陆军工程兵提出的加载承载比（CBR）法、20世纪70年代美国联邦航空局（FAA）方法、加拿大运输部法（CDOT）、用于全厚式机场沥青道面设计的地沥青学会法等§——机场水泥混凝土道面设计方法：波兰特水泥协会、联邦航空局、美陆军工程兵设计法、我国的民航机场设计方法等，均依据威斯特卡德的弹性地基板的解法道路工程——土木工程系第二节机场道面使用要求§机场道面：§——为规定型号的飞机提供安全、快速、适用、舒适的道面结构。§——是机场内主要工程项目，投资大、要求高。§——承受飞机机轮荷载、高温高速喷气流、以及冷热、干湿、冻融等自然因素的作用道路工程——土木工程系第二节机场道面使用要求§为了保证飞机在任何气候条件下都能执行任务，满足使用要求，机场道面必须具有良好的使用性能：§（1）具有足够的强度和刚度§——在飞机机轮荷载、温湿等自然因素作用下，道面结构会产生拉应力、压应力和剪应力。若道面结构整体或局部的强度或抗变形能力不足以抵抗这些应力时，道面就会出现断裂、沉陷、波浪或车辙，使道面使用性能下降。因此，道面结构整体及其组成部分应具备同机轮荷载和温度荷载等相适应的强度。§——刚度是指道面结构抵抗变形的能力。道面整体或局部刚度不足，即便是强度足够，也会在机轮荷载下产生过大的变形，使道面出现波浪、车辙、沉陷等不平整现象，影响飞机滑行的平稳性，或者促使道面结构出现断裂现象，缩短道面的使用寿命道路工程——土木工程系第二节机场道面使用要求§（2）良好的气候稳定性§——机场道面袒露在自然环境中，受各种自然因素（温度、湿度等）的影响，道面结构的性能会发生变化。譬如，沥青道面在夏季高温季节可能会发软、泛油，出现车辙和拥包；在冬季低温时可能因收缩收到约束出现开裂；水泥混凝土道面在水的作用下会出现唧泥或板底脱空，进而造成板的断裂。机场道面设计必须在§当地气候条件下具有足够稳定性。道路工程——土木工程系第二节机场道面使用要求§（3）道面平整性好、滑行平稳§——飞机在不平整的道面上滑行时，会产生附加的振动作用，这不仅会造成飞机的颠簸，影响驾驶的平稳（严重时会影响仪表的判读）和乘客的舒适，而且飞机的附加振动作用反过来对道面施加冲击力，从而加速道面的损坏。此外，附加振动作用会加剧飞机部件的磨损，危及飞行安全。机场道面表面的平整度应符合要§求，以保证飞机以一定速度滑行时，不致产生严重的冲击和振动，保证飞行安全和减少不适感道路工程——土木工程系第二节机场道面使用要求§（4）道面表面粗糙度应符合要求，抗滑性好§——机场道面要求表面平整，且具有一定的表面粗糙度。光滑的表面使机轮与道面间缺乏足够的附着力，导致飞机着陆时制动距离过长，可能会冲出跑道。尤其在湿跑道上滑行时，飞机容易产生水上漂滑而失去控制。为了保证道面的抗滑性，各国对机场道面的摩擦系数及表面纹理深度作了具体的规定道路工程——土木工程系第二节机场道面使用要求§（5）耐久性§——机场道面在使用年限内，受到轮载和气候长期反复作用，道面结构的整体或局部逐渐会出现疲劳损坏和塑性变形累积。耐久性不足，道面使用很短的时间就需要修复或改建，既干扰正常飞行，又造成经济的浪费。因此，道面结构应使其在使用寿命年限内，具有较高的抗疲劳和抗塑性变形能力。道路工程——土木工程系第二节机场道面使用要求§（6）经济性§——道面设计在满足各种技术要求前提下，使总经费（修建费用、维修费用、使用费用）最低。§（7）表面洁净§——机场道面的表面应洁净，无砂石和混凝土碎块等杂物，以免打坏飞机蒙皮和被吸入发动机而危及飞行安全。道路工程——土木工程系第三节机场分级和道面分类§一、机场分级§国际民航组织1982年采用两个指标划分机场等级飞机基准飞行场地长度是指飞机以规定的最大起飞质量，在海平面高度、标准大气温度、无风和跑道纵坡为零条件下起飞所需的最小飞行场地长度。要素I要素II代码飞机基准飞行场地长度(m)代字翼展(m)主起落架外轮距(m)1800A154.52800—1200B15—244.5—631200—1800C24—366—94≥1800C24—366—9D36—529—14E52—659—14F65—8014—16道路工程——土木工程系第三节机场分级和道面分类§我国军用飞机按使用飞机的类型进行机场分级：道路工程——土木工程系第三节机场分级和道面分类§二、机场道面分类§按道面构成材料分：水泥混凝土道面、沥青类道面、砂石类道面、土道面、水上机场、冰上机场§按道面使用品质分：§——高级道面：水泥混凝土道面、配筋混凝土道面、预应力钢筋混凝土道面、沥青混凝土道面§——中级道面：沥青贯入式、黑色碎石、沥青表面处治等§——低级道面：砂石道面、土道面、草皮道面道路工程——土木工程系第三节机场分级和道面分类§按道面力学特性分：§——刚性道面：水泥混凝土道面、配筋/预应力钢筋混凝土道面§道面结构的面层采用强度高、整体好、刚度大的板体，能把飞机的机轮荷载分布到较大的土基面积上。因此，刚性道面结构承载力大部分由道面板本身提供，设计道面时主要考虑水泥混凝土道面板的强度。§——柔性道面：沥青类道面、砂石类道面、土道面§柔性道面抵抗弯拉变形的能力弱，各层材料弯曲抗拉强度均较小，在机轮荷载作用下表现出相当大的形变性。因此，只能把机轮压力传布到较小的面积上，各层材料主要在受压状态下工作。柔性道面的弯沉和应力计算均采用弹性层状体系理论道路工程——土木工程系第三节机场分级和道面分类§按施工方式分：§——现场铺筑道面：将拌和均匀的道面材料现场铺筑而成的道面。§水泥混凝土道面、沥青类道面、砂石类道面、结合料处治土道面§——装配式道面：面层在工厂预制，运抵现场后装配而成。§水泥混凝土砌块、预应力钢筋混凝土预制板、钢板、铝板道面和玻璃钢道面。道路工程——土木工程系第四节机场道面构造§一、道面的结构层次§——机轮荷载和自然因素对道面结构的影响随深度增加而降低。§——对道面材料的强度、刚度和稳定性的要求亦随深度增加而降低。§——道面结构是多层次的：面层、基层、垫层道路工程——土木工程系第四节机场道面构造§（1）面层§——直接与机轮和大气环境相接触，既承受机轮荷载的竖向压力、水平力和冲击力，又受到降水的侵蚀作用和温度变化的影响。§——同基层和垫层相比，面层应具有较高的结构强度、刚度、耐磨、不透水和温度稳定性，并且表面还应具有良好的平整度和粗糙度，以保证飞机起飞、着陆和滑行的舒适性和安全性。§面层材料类型：§水泥混凝土、沥青混凝土、沥青类材料、土为主要材料、混凝土预制块、钢板、铝板和玻璃钢板道路工程——土木工程系第四节机场道面构造§2）基层§——是面层和土基或垫层之间的结构层，是道面结构中的重要层次。§——水泥混凝土道面：保证道面整体强度和平整度，防止唧泥、错台和脱空，延长道面使用寿命。§——沥青混凝土道面：基层是道面结构中的承重部分，一般采用提高基层的强度和厚度来提高整个沥青道面结构的强度。§——基层必须有足够的水稳定性和抗冻性§基层材料：各种结合料（石灰、水泥或沥青等）处治的稳定土或碎（砾）混合料、各种工业废渣混合料、各种碎（砾）石混合料或天然砂砾，贫水泥混凝土等道路工程——土木工程系第四节机场道面构造§（3）垫层§——介于基层和土基之间，主要作用是改善土基的温度和湿度状况，以保证面层和基层的强度稳定性、水稳定性和温度稳定性；继续扩散由基层传下来的的荷载，以减少土基产生的变形。§——垫层通常在土基水、温状况不良时设置。§垫层材料：§——松散颗粒材料如砂、砾石、炉渣等组成的透水性垫层§——石灰土、水泥土或炉渣土等稳定土垫层道路工程——土木工程系第四节机场道面构造§4）压实土基§——道面结构的最下层，承受全部上层结构的自重和机轮荷载§——土基的平整性和压实质量在很大程度上决定着整个道面结构的稳定性。道路工程——土木工程系第四节机场道面构造§二、道面结构的横断面§——跑道设置横坡，目的：迅速排水，防止或减少降水渗入土基§——横坡：跑道5‰-10‰；滑行道5‰-15‰；土跑道5‰-20‰；平地区5‰-25‰；道肩的横坡应略大于相邻道面的横坡道路工程——土木工程系第五节机场道面设计方法与内容§一、机场道面设计特点§——机场道面设计与公路路面设计所考虑的主要因素基本相同，但每一因素的数值差别很大。§——飞机的总质量远大于汽车，但公路的荷载重复作用次数又远高于机场。§我国货车的后轴轴载大部分小于100kN，重复次数可达2000次/日以上。大型飞机的主起落架荷载可达800kN（B747-200B为831.4kN），轮载在200kN以上，但重复次数要少得多。§——轮胎压力的差别也很大。§货车的标准静轮胎压力为0.4-0.7MPa，飞机的轮胎压力可达1.5MPa以上。道路工程——土木工程系第五节机场道面设计方法与内容§二、道面设计的内容§——根据使用要求、当地自然条件、土基支承条件和材料供应情况，提出道面结构层的选择和组合方案。§——根据选定的材料性状要求和当地自然条件，进行结构层（主要是面层）材料的组合设计。§——根据道面结构层的计算方法，或者按照经验法，确定满足设计飞机使用要求的各结构层厚度。§——综合考虑投资、施工、养护和使用性能等几个方面的因素，对多个方案进行技术、经济分析和比较，选出最优方案作为道面结构的设计方案。道路工程——土木工程系第五节机场道面设计方法与内容§机场道面设计流程图道路工程——土木工程系第五节机场道面设计方法与内容§设计方法：§——经验法：加州承载比（CBR法）§——解析法或理论法