一种飞机多轮荷载作用对高温条件下沥青道面叠加效应的评价系统及方法

摘要

一种飞机多轮荷载作用对高温条件下沥青道面叠加效应的评价系统及方法，本发明涉及飞机多轮荷载作用对高温条件下沥青道面叠加效应的评价系统及方法。本发明的目的是解决目前评估不准确的问题。该系统由底座平台(1)、贯入轴(2)、螺母(3)、升降杆(4)和荷载特征调节圆盘(5)组成；升降杆(4)一端与荷载特征调节圆盘(5)相连，另一端与材料试验机(MTS)相连；通过MTS带动升降杆运动实现对沥青混合料试件的加载；贯入轴(2)的一端分别通过荷载特征调节圆盘(5)上周向均匀设置的4个通孔，分别用螺母(3)进行固定，贯入轴(2)的另一端分别固定在沥青混合料试件的上表面。本发明应用于沥青道面评价领域。

说明书

技术领域

本发明涉及飞机多轮荷载作用对高温条件下沥青道面叠加效应的评价系统及方法。

背景技术

轮辙变形是机场沥青道面的主要损坏类型，其直接影响机场的安全运营。2011年， 首都国际机场、上海浦东机场等多个机场多次出现因机场道面高温变形较大而导致飞机受 困跑道的安全事故，不仅给机场安全运营带来重大隐患，也造成了不良的社会影响。针对 此问题，世界各国的研究人员先后采用了使用改性沥青、添加抗车辙剂、优化级配设计等 一系列方法以防止道面轮辙的发生，但机场沥青道面轮辙问题仍未得到有效解决。究其原 因主要在于机场沥青混合料的评价方法没有充分考虑飞行技术的进步使得飞机机型向宽 体大型飞机发展，多轮荷载特性对道面材料的影响，在性能评价上过分依赖公路工程的成 果，忽视了飞机与车辆荷载的差异。

20世纪40年代，军用飞机作为飞机的主要机型，最大起飞重量约为28吨，主起落 架为单轴单轮构型，因此，最初的机场道面仅需考虑单轮荷载的重复作用，与公路车辆荷 载类似。但是，随着航空业的发展，飞机荷载不断增大，以B747-100为代表的双轴双轮 荷载成为当时飞机荷载的主要形式，且近年来，各大飞机制造厂商均致力于大型民用客机 的研制技术，A380、B777和B787等新一代大飞机NGLA(NewGenerationLargeAircraft) 不断问世，为了承受新一代大飞机的巨大重量，其起落架构型与以往的机型相比有较大差 别，可以看出，飞机起落架构型向多轴多轮发展。例如A380-800飞机，最大起飞重562 吨，主起落架由两侧起落架和中起落架组成，其中侧起落架各6个轮子，中起落架各4 个轮子，主起落架的轮子数目达20个，平均轮压高达近1.5MPa。当多轮起落架通过道面 结构某一点时，相距一定距离的轮与轮在道面某一深度处会产生应力的干涉和叠加，而随 着航空运输业的不断发展，起落架多轮构型成为趋势，这种问题日渐突出。

然而，由于目前机场道面材料检测技术的限制，当前机场沥青道面所采用沥青混合料 的高温性能仍普遍采用道路工程车辙试验方法进行评价，无法考虑多轮荷载叠加对沥青混 合料高温变形的影响，多轮组叠加对沥青道面轮辙的破坏影响不明确，造成机场沥青道面 高温性能的评价无法真实反映其实际工作性能，严重阻碍机场沥青道面技术的进一步发 展。因此，亟需开发符合飞机荷载特点和作用形式的飞机多轮荷载作用对高温条件下沥青 道面叠加效应的评价方法。

发明内容

本发明的目的是解决目前机场沥青道面在高温条件下飞机多轮荷载对其力学叠加效 应无法准确评价，进而导致其性能评估不准确的问题，而提供一种飞机多轮荷载作用对高 温条件下沥青道面叠加效应的评价系统及方法。

上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：

一种飞机多轮荷载作用对高温条件下沥青道面叠加效应的评价系统由底座平台、贯入 轴、螺母、升降杆和荷载特征调节圆盘组成；

升降杆一端与荷载特征调节圆盘相连，另一端与材料试验机相连；通过MTS带动升 降杆运动实现对沥青混合料试件的加载；

贯入轴的一端分别通过荷载特征调节圆盘上的4个通孔，分别用螺母将通过4个通孔 的贯入轴进行固定，贯入轴的另一端分别固定在沥青混合料试件的上表面，沥青混合料试 件的下表面固定在底座平台上。

一种飞机多轮荷载作用对高温条件下沥青道面叠加效应的评价方法具体是按照以下 步骤进行的：

步骤一、将待测试的沥青混合料试件进行干燥至恒重；

步骤二、将步骤一干燥至恒重后的沥青混合料试件放入达到试验温度的控温箱中恒温 1-5小时，使沥青混合料试件内部温度达到试验温度；

其中，试验温度是预先设置的；

步骤三、根据测试机型轮径比和轴径比确定荷载特征调节圆盘上4个通孔的位置，将 4根贯入轴的一端分别插入荷载特征调节圆盘上4个通孔的位置，并运用螺母将4根贯入 轴分别固定在荷载特征调节圆盘上；升降杆一端与荷载特征调节圆盘相连，另一端与MTS 或UTM相连，MTS为材料试验机，UTM为万能试验机；

步骤四、根据测试机型轮径比和轴径比确定校准垫片圆心位置及直径，制作校准垫片 及校准垫片的四个通孔；将校准垫片放到恒温后的沥青混合料试件的上表面，沥青混合料 试件的上表面边缘与校准垫片的边缘对准，贯入轴另一端对准校准垫片的四个通孔，撤下 校准垫片，恒温后的沥青混合料试件的下表面固定在底座平台上；

步骤五、启动MTS或UTM，通过MTS或UTM带动升降杆运动对沥青混合料试件 施加力，直至沥青混合料试件破坏，记录贯入深度-贯入荷载曲线；

步骤六、重复步骤一～步骤二，根据测试机型的轮径比和轴径比在荷载特征调节圆盘 上选择4个通孔的位置，将1根贯入轴的一端插入荷载特征调节圆盘上4个通孔中的任一 一个孔的位置，并运用螺母将1根贯入轴固定在荷载特征调节圆盘上；升降杆一端与荷载 特征调节圆盘相连，另一端与MTS或UTM相连，MTS为材料试验机，UTM为万能试 验机；并重复步骤四～步骤五，记录贯入深度-贯入荷载曲线；

步骤七、将步骤五获得的贯入深度-贯入荷载曲线中的贯入深度-贯入荷载除以4根贯 入轴与沥青混合料试件上表面的总接触面积，获得4根贯入轴贯入时的贯入深度-贯入荷 载曲线；同时，将步骤六获得的贯入深度-贯入荷载曲线中的贯入深度-贯入荷载除以1根 贯入轴与沥青混合料试件上表面的接触面积，获得1根贯入轴贯入时的贯入深度-贯入荷 载曲线；分别绘制4根贯入轴和1根贯入轴贯入时的贯入深度-贯入荷载曲线；

步骤八、依据步骤七获取的4根贯入轴和1根贯入轴贯入时的贯入深度-贯入荷载曲 线，分别计算4根贯入轴和1根贯入轴贯入时的贯入深度-贯入荷载曲线中弹性拐点到破 坏拐点间的弹性工作段线段斜率，即4根贯入轴贯入时的贯入荷载增长率Δ4和1根贯入 轴贯入时的贯入荷载增长率Δ1；

步骤九、求解4根贯入轴贯入时的贯入荷载增长率Δ4和1根贯入轴贯入时的贯入荷 载增长率Δ1的比值β_Δ，即β_Δ＝Δ4/Δ1，作为评价飞机多轮荷载叠加效应程度的指标。

发明效果

采用本发明的一种飞机多轮荷载作用对高温条件下沥青道面叠加效应的评价系统及 方法，可合理、有效评估飞机多轮组叠加对高温条件下沥青道面性能的影响程度，适用于 在机场沥青道面材料选择与设计环节分析飞机多轮荷载对其高温性能的影响，同时，本发 明也可为公路工程沥青路面设计中合理分析多轮重载车辆对路面损伤奠定基础。

由实施例2中图6可以看出，采用本发明试验方法，即四点贯入试验得到的贯入强度 为4.1MPa，而传统的未考虑多轮荷载叠加作用得到的贯入强度则为8.3MPa，单轴贯入试 验与四点贯入试验结果的显著差异体现了飞机多轮荷载叠加作用对沥青道面的影响。因 此，采用本试验方法评价沥青混合料叠加效应的更合理。

采用多贯入点加载的方式，考虑了飞机多轮重载叠加受力特点，解决了飞机多轮荷载 叠加效应的合理评价的问题，为改善目前机场沥青道面高温性能评价合理性提供了重要的 技术支持。

附图说明

图1为测试装置示意图；

图2为荷载特征调节圆盘示意图；

图3为测试装置实物图；

图4为沥青种类对叠加效应系数βΔ的影响示意图，βΔ为4根贯入轴贯入时的贯 入荷载增长率Δ4和1根贯入轴贯入时的贯入荷载增长率Δ1的比值，Δ1为1根贯入轴 贯入时的贯入荷载增长率，Δ4为4根贯入轴贯入时的贯入荷载增长率，Δ为贯入荷载增 长率；

图5为AC20沥青混合料贯入深度-贯入应力曲线图；

图6为SMA16沥青混合料贯入深度-贯入应力曲线图；

图7为级配因素对沥青混合料多轮荷载叠加效应的影响图；

图8为考虑多轮叠加效应动稳定度DS*的计算流程图，DS为修正单轮车辙试验得出 的动稳定度，DS*为多轮叠加效应的动稳定度。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1、图2和图3说明本实施方式，一种飞机多轮荷载作用对 高温条件下沥青道面叠加效应的评价系统，其特征在于，所述的一种飞机多轮荷载作用对 高温条件下沥青道面叠加效应的评价系统由底座平台1、贯入轴2、螺母3、升降杆4和荷 载特征调节圆盘5组成；

升降杆4一端与荷载特征调节圆盘5相连，另一端与材料试验机相连；通过MTS带 动升降杆4运动实现对沥青混合料试件的加载；

贯入轴2的一端分别通过荷载特征调节圆盘5上的4个通孔，分别用螺母3将通过4 个通孔的贯入轴2进行固定，贯入轴2的另一端分别固定在沥青混合料试件的上表面，沥 青混合料试件的下表面固定在底座平台1上；

所述多轮为大于等于1小于等于12，高温为大于等于75℃小于等于80℃。

荷载特征调节圆盘上的通孔，可实现不同飞机机型轮距/轴距的准确模拟：其中上下最 外四个圆孔模拟A380飞机轮径比和轴径比而得到的孔位，上下内侧四个圆孔模拟B777飞 机轮径比和轴径比而得到的孔位，上下左右的长条型圆孔可模拟任意轮径比/轴径比飞机的 起落架荷载，如图2。材料试验机(MTS)内的底座平台用于放置和固定试件，以开展试验；

具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述贯入轴2分别与恒温 后的沥青混合料试件的上表面之间设置直径为30mm的圆形橡胶片。

具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述荷载特征调节圆 盘5上周向均匀设置4个通孔。

具体实施方式四、一种飞机多轮荷载作用对高温条件下沥青道面叠加效应的评价方 法，其特征在于，一种飞机多轮荷载作用对高温条件下沥青道面叠加效应的评价方法具体 是按照以下步骤进行的：

步骤一、将待测试的沥青混合料试件进行干燥至恒重，沥青混合料由机场沥青道面用 沥青混合料按工程要求比例拌制而成；

步骤二、将步骤一干燥至恒重后的沥青混合料试件放入达到试验温度的控温箱中恒温 1-5小时，使沥青混合料试件内部温度达到试验温度；

其中，试验温度是预先设置的；

步骤三、根据测试机型轮径比和轴径比确定荷载特征调节圆盘5上4个通孔的位置， (在实际使用过程中，需要技术人员首先明确不同机型的轮径比和轴径比；依据确定的轮 径比和轴径比，在荷载调节圆盘上量取相应的位置，并安装贯入轴)将4根贯入轴2的一 端分别插入荷载特征调节圆盘5上4个通孔的位置，并运用螺母3将4根贯入轴2分别固 定在荷载特征调节圆盘5上；升降杆4一端与荷载特征调节圆盘5相连，另一端与MTS 或UTM相连，MTS为材料试验机，UTM为万能试验机(UniversalTestingMachine)；

步骤四、根据测试机型轮径比和轴径比确定校准垫片圆心位置及直径，制作校准垫片 及校准垫片的四个通孔(校准垫片采用硬纸张裁剪而成)(在实际使用过程中，需要技术 人员首先明确不同机型的轮径比和轴径比；依据确定的轮径比和轴径比，在校准垫片上量 取相应的位置，即校准垫片的四孔)；将校准垫片放到恒温后的沥青混合料试件的上表面， 沥青混合料试件的上表面边缘与校准垫片的边缘对准，贯入轴2另一端对准校准垫片的四 个通孔，撤下校准垫片，恒温后的沥青混合料试件的下表面固定在底座平台1上；

步骤五、启动MTS或UTM，通过MTS或UTM带动升降杆4运动对沥青混合料试 件施加力，直至沥青混合料试件破坏，记录贯入深度-贯入荷载曲线；

步骤六、重复步骤一～步骤二，根据测试机型的轮径比和轴径比在荷载特征调节圆盘 5上选择4个通孔的位置，将1根贯入轴2的一端插入荷载特征调节圆盘5上4个通孔中 的任一一个孔的位置，并运用螺母3将1根贯入轴固定在荷载特征调节圆盘5上；升降杆 4一端与荷载特征调节圆盘5相连，另一端与MTS或UTM相连，MTS为材料试验机， UTM为万能试验机；并重复步骤四～步骤五，记录贯入深度-贯入荷载曲线；

步骤七、将步骤五获得的贯入深度-贯入荷载曲线中的贯入深度-贯入荷载除以4根贯 入轴2与沥青混合料试件上表面的总接触面积，获得4根贯入轴2贯入时的贯入深度-贯 入荷载曲线；同时，将步骤六获得的贯入深度-贯入荷载曲线中的贯入深度-贯入荷载除以 1根贯入轴2与沥青混合料试件上表面的接触面积，获得1根贯入轴2贯入时的贯入深度 -贯入荷载曲线；分别绘制4根贯入轴2和1根贯入轴2贯入时的贯入深度-贯入荷载曲线；

步骤八、依据步骤七获取的4根贯入轴2和1根贯入轴2贯入时的贯入深度-贯入荷 载曲线，分别计算4根贯入轴2和1根贯入轴2贯入时的贯入深度-贯入荷载曲线中弹性 拐点到破坏拐点间的弹性工作段线段斜率，即4根贯入轴2贯入时的贯入荷载增长率Δ4 和1根贯入轴2贯入时的贯入荷载增长率Δ1；

步骤九、求解4根贯入轴2贯入时的贯入荷载增长率Δ4和1根贯入轴2贯入时的贯 入荷载增长率Δ1的比值β_Δ，即β_Δ＝Δ4/Δ1，作为评价飞机多轮荷载叠加效应程度的指 标；

所述多轮为大于等于1小于等于12，高温为大于等于75℃小于等于80℃。

实施例1：

为了说明本发明可获取的试验结果，本文采用机场沥青混合料AC-20级配和70#道路 石油沥青、SBS改性沥青及橡胶改性沥青进行试验：

(1)按质量分数称取38份的10-20mm集料，20份的5-10mm集料，10份的3-5mm集 料，23份的0-3mm集料，4.5份的矿粉；

(2)在(1)的基础上，按质量分数分别称取4.5份的70#道路石油沥青、SBS改性沥青及 橡胶改性沥青，并与(1)称取的石料在温度150-180℃条件下拌制AC-20沥青混合料。

(3)采用旋转压实成型方法分别成型3组直径×高＝150mm×85mm的试件，用于本发明 所提出的飞机多轮荷载作用对高温条件下沥青道面叠加效应的研究，着重分析沥青种类对 叠加效应的影响；

(4)在60℃条件下，分别按照具体实施方式开展相应的贯入剪切试验；

(5)依据贯入深度-贯入应力曲线，求取四点贯入剪切试验与单轴贯入剪切试验的贯入 剪切增长率，并计算沥青混合料高温变形叠加效应系数。

图4是采用三种沥青制备的沥青混合料的叠加效应系数分布情况，1#～3#依次表示由 70#道路石油沥青、SBS改性沥青和橡胶沥青制备的沥青混合料，四点贯入剪切试验和单 轴贯入剪切试验下橡胶沥青混合料的贯入荷载增长率最大，其次为SBS改性沥青混合料， 最后为70#基质沥青混合料，但是对于三种沥青的沥青混合料，βΔ与Δ的变化趋势相反， 大小顺序为70#沥青混合料＞SBS沥青混合料＞橡胶沥青混合料，βΔ越大，叠加效应越 小，也就是说，βΔ从整体上看橡胶沥青混合料产生的叠加效应最大，SBS沥青混合料次 之，最小为70号沥青混合料。

实施例2：

为了说明采用本发明可获取的试验结果，本文采用机场沥青混合料AC20级配和 SMA16沥青混合料进行试验：

(1)按质量分数称取38份的10-20mm集料，20份的5-10mm集料，10份的3-5mm集 料，23份的0-3mm集料，4.5份的矿粉，及4.5份沥青，在150-180℃条件下拌制AC20 沥青混合料；称取31份的10-20mm集料，21份的5-10mm集料，11份的3-5mm集料， 27份的0-3mm集料，5份的矿粉，及5份沥青，在150-180℃条件下拌制SMA16沥青混 合料；

(2)采用旋转压实成型方法分别成型6组直径×高＝150mm×85mm的试件，用于本发 明所提出的飞机多轮荷载作用下沥青道面高温抗剪性能试验的测试；

(3)在45℃～70℃条件下(通常选择60℃或45℃)，分别按照具体实施方式开展相应的 贯入剪切试验。

(4)依据贯入深度-贯入应力曲线，求取四点贯入剪切试验与单轴贯入剪切试验的贯入 剪切增长率，并计算沥青混合料高温变形叠加效应系数。

图5和图6分别为采用本发明获取的典型的60℃条件下AC20和SMA16沥青混合料 贯入深度-贯入应力曲线。可以看出四点贯入剪切试验得到的贯入深度-贯入应力曲线峰值 均在单轴贯入剪切试验得到的贯入深度-贯入应力曲线之上，说明在多轮荷载叠加作用下， 沥青混合料高温破坏所需的应力更小，即更易产生高温剪切破坏。

图7为两级配沥青混合料高温变形叠加效应系数及贯入剪切增长率的变化。可以看 出，荷载叠加下AC20和SMA16沥青混合料的贯入荷载增长率均低于单轴贯入荷载的增 长率，且AC20沥青混合料的高温变形叠加效应系数高于SMA16沥青混合料的高温变形 系数，叠加效应系数越小，产生的叠加效应越大，因此可以看出，荷载叠加下骨架密实型 沥青混合料产生的叠加效应更为显著。

实施例3

为了说明本发明提出的飞机多轮荷载作用对高温条件下沥青道面叠加效应的意义，针 对目前在机场沥青道面中普遍采用的车辙试验方法，基于叠加效应系数对其结果进行修 正。

(1)通过四点贯入剪切试验和单轴贯入剪切试验分别得到Δ4和Δ1，相除得到βΔ；

(2)修正单轮车辙试验得出的动稳定度DS，得到考虑多轮叠加效应的动稳定度DS*来 评价大型宽体飞机作用下沥青混合料的高温抗轮辙性能。

(3)再将动稳定度DS*与规范要求进行比较，判断沥青混合料的高温抗轮辙性能是否 满足要求。考虑多轮叠加效应的动稳定度DS*获取试验流程如图8所示。