本發(fā)明屬于機場工程，特別涉及一種寒區(qū)機場剛性跑道結(jié)構(gòu)適航性能預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

1、在寒區(qū)機場，剛性跑道結(jié)構(gòu)的適航性能受到極端氣候條件的顯著影響，尤其是凍融循環(huán)對跑道結(jié)構(gòu)性能的影響。隨著季節(jié)性溫度變化，土壤的凍結(jié)和融化會導(dǎo)致跑道結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著的變形，這不僅影響飛機的起降安全，還可能導(dǎo)致跑道結(jié)構(gòu)的早期損壞。因此，對于寒區(qū)機場剛性跑道結(jié)構(gòu)的適航性能進行準(zhǔn)確預(yù)測，對于確保飛行安全和延長跑道使用壽命至關(guān)重要。

2、現(xiàn)有的寒區(qū)機場跑道適航性能評估方法往往依賴于經(jīng)驗和定性判斷，缺乏系統(tǒng)性和精確性。此外，傳統(tǒng)的評估方法通常不考慮地溫變化對跑道結(jié)構(gòu)性能的影響，也沒有考慮寒區(qū)特有的氣候條件，如空氣密度變化對飛機荷載作用的影響。因此，需要一種更為科學(xué)和系統(tǒng)的方法來預(yù)測寒區(qū)機場剛性跑道結(jié)構(gòu)的適航性能。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種寒區(qū)機場剛性跑道結(jié)構(gòu)適航性能預(yù)測方法。

2、為了達到上述目的，本發(fā)明提供的寒區(qū)機場剛性跑道結(jié)構(gòu)適航性能預(yù)測方法包括按順序執(zhí)行的下列步驟：

3、1)系統(tǒng)空閑的s1階段：系統(tǒng)等待用戶指令，當(dāng)用戶發(fā)出進行適航性能預(yù)測的指令后進入s2階段；

4、2)判斷是否進行預(yù)測的s2階段：系統(tǒng)根據(jù)用戶指令，判斷是否進行寒區(qū)機場剛性跑道結(jié)構(gòu)適航性能預(yù)測，如果判斷結(jié)果為“是”，進入s3階段；否則返回s1階段；

5、3)對寒區(qū)機場進行地溫和氣溫數(shù)據(jù)采集，由此獲得場道土體的實際凍結(jié)深度的s3階段：利用埋置在道面板下方土基內(nèi)或跑道周邊土體內(nèi)的地溫監(jiān)測裝置獲取冬季跑道多個位置不同地層深度的地溫數(shù)據(jù)；從機場所在地區(qū)氣象局公布的數(shù)據(jù)或機場氣象檢測系統(tǒng)存儲的數(shù)據(jù)中獲取氣溫數(shù)據(jù)；然后根據(jù)地溫數(shù)據(jù)獲得場道土體的實際凍結(jié)深度h；

6、4)根據(jù)實測數(shù)據(jù)計算場道土體的理論凍結(jié)深度的s4階段：根據(jù)寒區(qū)機場各年的檢測數(shù)據(jù)，分別計算各年的場道土體的理論凍結(jié)深度ht：

7、

8、式中：λ為凍土的熱導(dǎo)率；θ為根據(jù)步驟3)中獲取的氣溫數(shù)據(jù)得到的道面溫度；τ為時間；ql為單位土體積的相變熱；c為土體的體積熱容量；α為土體表面放熱系數(shù)；δi為土體上方覆蓋層的厚度；λi為土體上方覆蓋層的熱導(dǎo)率。

9、5)計算寒區(qū)機場道面板有效厚度的s5階段：道面板有效厚度hva的計算公式為：

10、hva＝μhre

11、式中：hre為道面板實際厚度，在實際工程中取值為25cm至50cm之間；μ為道面板有效厚度系數(shù)，通過下式進行計算：

12、μ＝h/ht

13、式中：h為步驟3)中獲得的場道土體的實際凍結(jié)深度；ht為步驟4)中獲得的場道土體的理論凍結(jié)深度；

14、6)考慮寒區(qū)空氣密度影響的標(biāo)準(zhǔn)荷載作用校核的s6階段：根據(jù)實際檢測所得的寒區(qū)機場跑道所處區(qū)域的空氣密度ρd對標(biāo)準(zhǔn)機型對道面的荷載作用pd進行修正，修正后的標(biāo)準(zhǔn)荷載作用pva的公式為：

15、

16、式中：ρf為非寒區(qū)機場所處區(qū)域的空氣密度，由實際檢測獲得，在無實際檢測值的情況下，取0℃，1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的標(biāo)準(zhǔn)條件下的空氣密度，數(shù)值為1.29kg/m3；

17、7)根據(jù)道面結(jié)構(gòu)參數(shù)及道面幾何參數(shù)計算工況系數(shù)的s7階段：通過下式計算工況系數(shù)γ：

18、γ＝t2/k2-1

19、式中：k為土基的反應(yīng)模量，可通過土工試驗獲得；t為道面板在溫度應(yīng)力作用下產(chǎn)生的水平方向溫度力，通過下式計算得到：

20、t＝σxbhre

21、式中：b為道面板寬度，取4.5m或5m；hre為道面板厚度；σx為道面板在降溫過程中受到的水平方向的溫度應(yīng)力，通過下式計算得到：

22、

23、式中：αv為熱膨脹系數(shù)；e為道面板的楊氏模量；tv為道面板與土基上表面的溫度差；lre為道面板實際長度，在實際工程中取值為4.5m或5.0m；lva為道面板有效長度，可根據(jù)道面接縫狀況取1.35至2.70倍的道面板實際長度，當(dāng)無傳力桿道面板接縫完全開裂僅靠骨料咬合力傳荷時取1.35至1.60倍；當(dāng)無傳力桿道面板接縫未完全開裂或有傳力桿道面板接縫完全開裂時取1.60至2.00倍；當(dāng)有傳力桿道面板接縫未完全開裂時取2.00至2.70倍；ζ的值由下式計算得到：

24、

25、式中：cx為地基水平阻力系數(shù)，可通過土工試驗獲得；

26、8)判斷工況系數(shù)是否等于0的s8階段：判斷步驟7)獲得的工況系數(shù)γ是否等于0，若工況系數(shù)γ等于0，進入s10階段；若工況系數(shù)γ不等于0，則進入s9階段；

27、9)判斷工況系數(shù)是否大于0并根據(jù)工況系數(shù)定義工況類型的s9階段：判斷步驟7)獲得的工況系數(shù)γ是否大于0，若工況系數(shù)γ大于0，進入s11階段；若工況系數(shù)γ小于0，則進入s12階段；然后將工況系數(shù)γ＝0的情況定義為工況一，將工況系數(shù)γ>0的情況定義為工況二，將工況系數(shù)γ<0的情況定義為工況三；

28、10)計算工況一中設(shè)計飛機荷載作用下道面板變形量的s10階段：根據(jù)步驟5)獲得的道面板有效厚度hva、步驟6)獲得的修正后的標(biāo)準(zhǔn)荷載作用pva、步驟7)獲得的道面板在溫度應(yīng)力作用下產(chǎn)生的水平方向溫度力t以及機場跑道設(shè)計階段選用的道面結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算工況一中修正標(biāo)準(zhǔn)荷載下道面板上任意一點的變形量yde，公式為：

29、

30、式中：為道面板柔性系數(shù)；x為道面板上任意一點到道面板中點位置處的距離；為道面板的截面慣性矩；ci為待定系數(shù)，其中i＝1、2、3、4，可通過求解下列方程組獲得：

31、

32、式中：yl為道面板中點位置處的位移，其值可取0；θ0為道面板中點位置處的轉(zhuǎn)角，其值可取0；ml為道面板中點位置處的彎矩，其值可取0；q0為道面板中點位置處的剪力，其值可取-pva/2；

33、將修正標(biāo)準(zhǔn)荷載下的道面板最大變形量記作ydemax；

34、11)計算工況二中設(shè)計飛機荷載作用下道面板變形量的s11階段：根據(jù)步驟5)獲得的道面板有效厚度hva、步驟6)獲得的修正后的標(biāo)準(zhǔn)荷載作用pva、步驟7)獲得的道面板在溫度應(yīng)力作用下產(chǎn)生的水平方向溫度力t以及機場跑道設(shè)計階段選用的道面結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算工況二中修正標(biāo)準(zhǔn)荷載下道面板上任意一點的變形量yde，公式為：

35、

36、待定系數(shù)ci可通過求解下列方程組獲得，其中i＝1、2、3、4：

37、

38、將修正標(biāo)準(zhǔn)荷載下的道面板最大變形量記作ydemax；

39、12)計算工況三中設(shè)計飛機荷載作用下道面板變形量的s12階段：根據(jù)步驟5)獲得的道面板有效厚度hva、步驟6)獲得的修正后的標(biāo)準(zhǔn)荷載作用pva、步驟7)獲得的道面板在溫度應(yīng)力作用下產(chǎn)生的水平方向溫度力t以及機場跑道設(shè)計階段選用的道面結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算工況三中修正標(biāo)準(zhǔn)荷載下道面板上任意一點的變形量yde，公式為：

40、

41、待定系數(shù)ci可通過求解下列方程組獲得，其中i＝1、2、3、4：

42、

43、將修正標(biāo)準(zhǔn)荷載下的道面板最大變形量記作ydemax；

44、13)檢測寒區(qū)機場跑道道面板實際變形量的s13階段：通過在道面板上布置傳感器的方式來檢測在飛機起飛過程中每次在飛機荷載作用下道面板的最大變形量yrei，其中i＝1,2,3……；

45、14)計算道面結(jié)構(gòu)適航性能系數(shù)的s14階段：根據(jù)步驟10)或步驟11)或步驟12)中獲得的修正標(biāo)準(zhǔn)荷載下的道面板最大變形量ydemax、步驟13)獲得的飛機荷載作用下道面板的最大變形量yrei以及飛機交通量，計算道面結(jié)構(gòu)適航性能系數(shù)：

46、

47、式中：nde為跑道累計設(shè)計作用架次，若跑道設(shè)計建設(shè)階段無該參數(shù)，通過下式進行計算：

48、nde＝s×q

49、式中：s為跑道設(shè)計使用年限；q為年設(shè)計飛機交通量；

50、15)判斷道面結(jié)構(gòu)性能是否滿足適航要求的s15階段：根據(jù)步驟14)獲得的道面結(jié)構(gòu)適航性能系數(shù)來判斷道面結(jié)構(gòu)性能是否滿足適航要求，若道面結(jié)構(gòu)適航性能系數(shù)判斷為道面結(jié)構(gòu)性能滿足適航要求，返回s13階段；若道面結(jié)構(gòu)適航性能系數(shù)判斷為道面結(jié)構(gòu)性能不滿足適航要求，進入s16階段；

51、16)向用戶發(fā)送道面結(jié)構(gòu)性能報警信號的s16階段：將步驟14)獲得的道面結(jié)構(gòu)適航性能系數(shù)的具體數(shù)值發(fā)送給用戶，警告用戶道面結(jié)構(gòu)性能已不能滿足適航要求并反饋道面板的位置及歷史變形參數(shù)；

52、17)判斷是否結(jié)束道面適航性能預(yù)測的s17階段：根據(jù)用戶需求指令判斷是否結(jié)束道面適航性能預(yù)測：若判斷結(jié)果為“是”，則進入s18階段；否則返回s13階段；

53、18)輸出道面適航性能預(yù)測報告的s18階段：輸出整個預(yù)測區(qū)域的道面適航性能預(yù)測報告，包括是否滿足適航需求的道面區(qū)域劃分、各道面板的適航性能系數(shù)的具體數(shù)值、各道面板的歷史變形數(shù)據(jù)及道面板結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，至此完成整個預(yù)測過程。

54、在步驟3)中，所述地溫監(jiān)測裝置包括地溫監(jiān)測儀和溫度傳感器。

55、在步驟3)中，所述獲得場道土體的實際凍結(jié)深度的方法是：根據(jù)獲取的地溫數(shù)據(jù)繪制冬季場道地溫分布曲線，冬季場道地溫分布曲線一般呈現(xiàn)為由負(fù)溫度隨著地層深度的增加逐漸變?yōu)檎郎囟?，由?fù)溫度轉(zhuǎn)變?yōu)檎郎囟鹊?℃臨界點所對應(yīng)的地層深度即為場道土體的實際凍結(jié)深度h。

56、本發(fā)明提供的寒區(qū)機場剛性跑道結(jié)構(gòu)適航性能預(yù)測方法具有如下在益效果：能夠綜合考慮寒區(qū)特有的氣候條件和跑道結(jié)構(gòu)的實際響應(yīng)，通過實測數(shù)據(jù)和理論計算相結(jié)合的方式，對跑道結(jié)構(gòu)的變形量進行預(yù)測，并據(jù)此評估跑道結(jié)構(gòu)的適航性能。此外，該方法不僅能夠根據(jù)用戶的需求提供定制化的預(yù)測報告，為機場管理者提供科學(xué)的決策依據(jù)，而且能夠提高寒區(qū)機場道面變形的監(jiān)測效率和預(yù)警準(zhǔn)確性，優(yōu)化維護策略，降低維護成本，最終實現(xiàn)寒區(qū)機場道面的安全、高效運營。