机场刚性道面PCN值计算方法探讨

机场刚性道面PCN值计算方法探讨

段书珩

1.中国民航大学机场学院天津300300

摘要：论述了机场刚性道面PCN值计算发展的历程，介绍了两种PCN值计算方法：当量单轮荷载法和设计飞机法，基于设计飞机法的缺陷提出了按累计疲劳损伤的改进方法。提出了另一种计算刚性道面PCN值的设想：利用不同机型对道面产生的弯沉不同来估计道面PCN的方法。

关键词：刚性道面；PCN值；设计飞机法

引言

ACN-PCN是国际民航组织（ICAO）于1983年公布的一种机场刚性道面结构承载能力的通报标准，是目前国际上最通用的判断道面承载力是否满足飞机起降要求的评价方法。ACN是飞机等级号，是衡量飞机对道面作用大小的数值，根据飞机总重量、起落架构型、道面类型等由飞机制造厂商提供，需要注意的是飞机重量是影响ACN的一个因素，并无直接关系。PCN是道面等级号，可以通过一定的计算方法得到。不同的PCN计算方法计算得到的PCN值差异达到20%~30%[1]。将ACN与PCN值互相比较，ACN不大于PCN值即可认为该型飞机满足此机场的起降要求。当ACN大于PCN时，满足下列条件可有限制的超载运行：

（1）道面没有呈现破坏迹象，土基强度未显著减弱期间；

（2）对柔性道面，飞机的ACN不超过道面PCN的10%；对刚性道面或以刚性道面为主的复合道面，飞机的ACN不超过道面PCN的5%

（3）年超载运行次数不超过年度总运行次数的5%。

1PCN计算发展过程

1.1当量单轮荷载法

当量单轮荷载法一度是各国机场计算PCN值的主要方法。

参照国际民航组织的规定，采用Winkler地基模型，计算当量单轮荷载时，利用Westergaard板中理论解，将标准胎压1.25MPa的单轮荷载作用在板中位置，根据道面板厚度、水泥板块模量、水泥板块弯拉强度、基础反应模量等，Westergaard板中公式如下：

当量单轮荷载法计算PCN值没有考虑机场刚性道面混凝土的疲劳效应，认为机场PCN是一定值。实际情况是随着机场使用次数的增多，在飞机荷载的反复冲击作用下，机场道面混凝土的强度肯定下降的趋势，道面结构承载能力也会下降，并不是一定值。

1.2设计飞机法

设计飞机法认为PCN在一个评价期内并不是恒定不变的，不仅与道面板厚、材料模量、地基反应模量等道面参数有关，评价机型与累计作用次数等也是影响道面PCN大小的重要因素。该方法的本质是通过计算板边应力倒推最大飞机容许重量，将该重量作为当量单轮荷载的2倍，进而通过ACN插值即可得到PCN。

3PCN计算的改进

3.1动态的PCN评价理念

道面PCN会逐渐下降这一概念很容易理解，使用一段时间后道面结构承载力必然下降，此时的道面PCN值肯定与刚建好时不同。从理论上来说，在某一特定时刻，道面结构承载能力是固定的，因此在每一时间点都有一对应的PCN值，但不同时刻PCN值是不同的，所以PCN值是时刻变化的。

国内较大的机场一般运行五至十年就会因为道面结构承载力下降进行道面加铺或者翻修。因此我们在进行PCN值计算时可根据机场的交通量，常用机型等灵活确定评价期从而获得较为合理的PCN值。结合近几年国内机场运行情况来看，认为在北京首都机场、上海浦东国际机场、广州白云机场等客流量巨大的机场应取三至五年作为评价期；在昆明长水机场、重庆江北机场、成都双流机场等机场取五到十年作为评价期较为合理。

3.2设计飞机法的改进

设计飞机法的核心是不同机型交通量的换算，不同机型累积作用次数的计算是交通量换算的核心。这种换算存在误差，比如不同机型主起落架构型不尽相同，飞机越大起落架构型越复杂，因此导致不同机型的轮压也不同。为了克服不同机型交通量换算带来的误差，引入了累积疲劳损伤的概念。

3.2.1累计损伤原理

累计损伤因子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CD线性叠加得到。

3.2.2荷载重复作用次数

由于飞机起落架构型不同以及侧向偏移影响，机轮在道面横断面上的作用频率服从一定的分布规律。荷载作用次数一般通过轮迹分布函数确定，美国FAA采用通行—覆盖率计算荷载实际作用次数，假设轮迹服从正态分布函数，见图1。

图1轮迹分布概率图

3.2.3累计损伤计算

计算完道面各条带在飞机作用下的疲劳损伤因子，找到最不利点的最大CDF值即为所求累计损伤。为简化计算，民用机场水泥道面结构设计规范中做了合理假定，直接采用板边中点处作为最不利损坏点。事实上，在道面结构测试中也难以对不同损伤点进行区别对待，因此评价方法中也可做相应简化。

4一些设想改进

每次飞机起降都会在道面产生一定的弯沉，根据飞机荷载的不同以及道面承载力的不同，不同飞机产生的弯沉不同。将飞机最大起飞重量作为计算质量，利用有限元软件模拟飞机降落时在道面产生的弯沉，根据不同机型年平均运行架次即可获得不同飞机在道面产生的弯沉值，将不同机型产生的弯沉值线性累加即可得到道面在一定时期内的竖向位移。将获得的道面累积竖向位移同机场道面设计资料对比，即可得到道面承载力的下降程度。

5结论

本文总结分析了当前民用机场道面PCN计算中存在的问题，提出动态的PCN值评价理念，在设计飞机法中基于累计损伤原理的改进方法。又基于道面弯沉值和道面结构承载力的关系提出了利用道面累积弯沉值评价道面承载力的方法。这种设想只是提供了另一种计算PCN值的可能行，关于道面弯沉值与道面结构承载力具体的定量的关系，还需要进一步探讨。

6参考文献

[1]李萌，谭悦.基于机场刚性道面PCN评价方法研究[J].上海空港，2012，1（5）：13-16

[2]王龙.机场刚性道面PCN计算方法的对比分析研究[J].西部交通科技，2013，12（77）：12：67-71