论文总字数：29599字

摘 要

随着我国航空运输量的快速增长以及大型宽体客机的普及，机场道面的使用性能与承载能力面临着巨大的挑战。我国大部分机场所采用的水泥混凝土道面在使用寿命进入末期后，出现了各种结构病害，需要在旧道面上加铺沥青混凝土层进行修复。本文主要对沥青加铺层的受力特性和温度效应进行研究，为加铺层的设计方法提供参考。

本文首先采用限元软件ANSYS建立了旧水泥混凝土道面沥青加铺层的复合模型；其次，通过比较分析不同纵横向位置的主要力学指标，确定了最不利荷载位置；在此基础上进行了沥青加铺层参数敏感性分析；最后建立了温度应力模型，探究温度场以及温度应力场的分布，得到温度效应的影响。

通过以上的模拟分析，在静力场方面，本文得到了飞机轮载作用下的最不利荷位，得出加铺层厚度、模量变化与各项应力指标之间的关系。在温度效应方面，总结了如下规律：道面表层的温度变化与气温变化具有一致性，决定着内部的温度场分布；随着深度的增加，温度和温度应力的变化出现明显的滞后现象；温度应力的变化趋势与材料种类紧密相关。

关键词：复合式机场道面；沥青加铺层；有限元分析；温度场；温度应力场

Abstract

With the rapid growth of air traffic in China and the popularity of large-scale wide-body passenger planes,the use performance and bearing capacity of airport pavements face enormous challenges. The cement concrete pavement used in most airports in China suffers various structural diseases at the end of its service life. It is necessary to add asphalt concrete layer on the old pavement to repair it. The mechanical properties and temperature effects of asphalt overlays are studied to provide reference to the design method of overlays.

First of all,the finite element software ANSYS is mainly used to establish a composite model of asphalt concrete overlay on old concrete pavement. Secondly,the most unfavorable load position is determined by comparing and analyzing the main mechanical indices of different longitudinal and lateral positions,and the parameter sensitivity analysis of the asphalt overlay is performed on this basis. Finally,a temperature stress model is established to investigate the distribution of temperature field and temperature stress field,and the effect of temperature is obtained.

Through the above simulation analysis,in the aspect of static field,the most unfavorable position under the action of the aircraft's wheel load is obtained, and the correspondence between the thickness and modulus of the overlay and the various stress indicators is obtained. In terms of temperature effects,the following rules are summarized: The surface temperature of the pavement surface is consistent with the temperature change,which determines the internal temperature field distribution;As the depth increases,there is a significant hysteresis in the temperature and temperature stress changes;the trend of temperature stress is closely related to the type of material.

Keywords: composite airport pavement; the asphalt overlay; finite element analysis; temperature field; temperature stress field

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 机场跑道沥青加铺层应用的背景与意义 1

1.2 机场跑道沥青加铺层的研究现状 2

1.2.1 道面评价指标及加铺依据 2

1.2.2 沥青加铺层力学响应分析研究现状 3

1.2.3 温度效应研究现状 3

1.3 本文研究内容与技术路线 4

1.3.1 研究内容 4

1.3.2 技术路线 5

第二章 旧水泥混凝土道面沥青加铺层有限元建模 6

2.1 三维有限元法在道面复合结构响应分析中的应用 6

2.2 道面复合结构有限元模型构建 6

2.2.1 道面复合结构材料参数设置 6

2.2.2 模型尺寸设置与边界条件 7

2.2.3 网格划分 7

2.3 飞机起架轮载分布情况 8

2.3.1 飞机起落架构型 8

2.3.2 飞机荷载计算参数 8

2.4 本章小结 10

第三章 飞机轮载静力场有限元分析 11

3.1 飞机起落架不同纵横向位置分布 11

3.2 主要力学指标比较与最不利荷载位置确定 12

3.3 沥青加铺层参数敏感性分析 18

3.3.1 加铺层厚度的影响分析 18

3.3.2 加铺层模量的影响分析 19

3.4 本章小结 20

第四章 温度效应对机场道面的影响 21

4.1 热量传递的主要形式 21

4.2 传热学基本理论 21

4.2.1 温度场 21

4.2.2 热传导 23

4.2.3 热对流 23

4.2.4 热辐射 24

4.3 道面结构热学参数 24

4.3.1 道面材料的热物理系数 24

4.3.2 道面表面的热交换系数 25

4.3.3 太阳辐射 26

4.3.4 地表附近空气温度 26

4.4 道面结构的温度场分布计算 27

4.4.1 计算模型 27

4.4.2 温度场计算结果 28

4.5 温度效应对机场道面的影响 29

4.5.1 道面结构温度应力计算理论 29

4.5.2 温度应力计算结果 32

4.6 本章小结 32

第五章 总结 33

5.1 主要结论 33

5.2 存在问题和进一步展望 33

致谢 34

参考文献 35

绪论

机场跑道沥青加铺层应用的背景与意义

在改革开放以后，尤其是近30年，我国机场的建设迎来了一个快速发展期。上世纪90年代以来，我国新建或迁建了60多座机场，改建的机场数量接近100座。根据《中国民用机场布局规划》，2020年民用机场总数达244个，初步形成规模适当、布局合理、层次分明、功能完善的现代化民用机场体系。

近年来，大型宽体客机作为干线飞机在我国各大民航公司快速普及，每年平均引进超过50架波音、空客的大型飞机。与此同时，国产大飞机的研制方兴未艾。2016年12月，俄联航宣布和中国商飞展开进一步合作，共同研制C929宽体飞机。这类宽体客机的最大起飞重量均在3000至4000 kN 左右，其中超宽体客机空客A380甚至超过5000 kN。

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