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不良气象微环境对机场道面抗滑性能影响分析.docx
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不良气象微环境对机场道面抗滑性能影响分析.docx
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0. 引言
近几年,沥青混凝土机场道面和旧水泥混凝土道面加铺沥青层在国内外各大型民用及
军用机场中得到了广泛应用
[1-2]
。沥青道面抗滑性能受区域宏观气象环境的作用影响较大,
不良气象环境造成的道面积水、结冰、能见度低等状况,严重影响机场区域交通安全运营
[3-4]
。恶劣天气对机场道面与场道飞机、车辆所构成微环境的“渗透”作用是导致道面抗滑性
能降低的主要诱因。因此,对不良气象微环境作用下的机场道面抗滑性能影响研究是必要
的。
国内外学者针对机场道面抗滑性能及安全性能方面做了大量的研究。在水泥混凝土道
面方面,Ahammed 等
[4]
认为水泥混凝土道面摩擦力对环境温度的敏感性较低,通过建立纹
理类型、速度等与抗压强度之间的关系,提出 5 种用于预测混凝土路面长期抗滑性能的模
型。葛东华等
[5]
认为机场道面摩擦系数随平均纹理深度的增加而非线性增大;摩擦系数不
仅与平均纹理深度有关,还受表面纹理特征的影响。杨慧等
[6]
研究了民用和军用机场水泥
混凝土道面纹理深度、特征及工艺对道面摩擦系数的影响,并提出了相应的处置方法和控
制指标。Rado 等
[7-8]
应用频率普函数与功率谱函数对机场道面宏观纹理构造特征与摩擦系数
进行了定性描述。Fernandes 等
[9]
以交通事故数据和摩擦系数为基础,提出 1 种基于安全性
和抗滑性能的评价方法,并论证了该方法的适用性。赵方冉等
[10-11]
基于水泥混凝土道面构
造特征参数化分析,提出旧道面抗滑性能定量分析模型。由于沥青混凝土加铺改造的在民
用和军用机场的广泛应用,部分学者针对沥青混凝土道面上进行了相关研究。EI-Desouky
等
[12]
开发了 1 种沥青混凝土道面在温度变化下的抗滑性能模型,首次将低于冰点的温度纳
入到沥青道面抗滑模型和校正模型。钱振东等
[13]
提出基于新型环氧沥青混凝土的高性能沥
青混凝土道面,并验证了荷载作用下与传统机场沥青混凝土道面在抵抗结构永久变形能力
上的优越性。冉武平等
[14]
基于加速加载试验论证了环氧沥青道面在力学性能、高温稳定性
和抗车辙变形能力方面的优势。马翔等
[15]
综合论证了沥青混凝土与水泥混凝土复合式机场
道面结构参数对荷载应力影响,并提出了复合式机场道面结构设计过程中优化改进建议。
许奕杰等
[16]
提出自编码长短时记忆(AE-LSTM)网络模型,较好的降低了恶劣气象条件下
机场周界入侵报警系统的误报率。刘芳等
[17]
提出了基于性能等级(performance grade,
PG)值的沥青混凝土道面抗老化性能预测模型,认为 PG 上限温度值可作为评价沥青道面
抗老化性能指标。凌建明等
[18]
建立了沥青混凝土道面平整度指数(IRI)与累计交通量、
IRI-PCI 关系,并提出了能够准确预测道面剩余使用寿命的 PCI 预测模型。
综上可知,在机场道面抗滑性能及安全性研究方面,国内外学者较多集中在水泥混凝
土道面纹理结构、特征、构造深度等对表面抗滑性能影响上,建立了较为完善的道面抗滑
性能评价及预测模型。由于沥青混凝土道面加铺工艺的推广和应用,部分学者针对受温度
影响较大的沥青混凝土道面材料温变、结构应变、抗老化,以及使用寿命等方面进行了深
入研究,而相关研究主要侧重材料试验性能和结构变形方面。外部的宏观气象环境直接影
响机场道面所处微观环境温度,微环境的温变效应作为道面表面抗滑性能衰变的重要因
素,间接导致飞机、场道车辆等发生侧翻、滑移等安全事故。然而,既有综合不良气象环
境与沥青混凝土道面的研究较多关注的是宏观恶劣气象条件的预测预警上,对气象环境与
机场道面间的作用机理研究深度不够。尤其是对直接影响机场区域交通安全的道面抗滑性
能的耦合作用及预测研究较少。
鉴于此,笔者首先从微观角度解析了气象微环境对道面表面作用机理。然后根据道面
水成分的形态变化过程,通过环境模拟舱室内结冰试验,研究不同气象微环境与道面摩擦
系数间的耦合关系,并以此建立其对道面抗滑性能影响作用关系模型,为研究不良气象条
件下的机场道面交通安全运营预警技术提供可靠依据。
1. 气象微环境作用机理分析
涉及机场道面区域不良气象环境条件主要有雨、雪、雾等天气。外部区域气象环境变
化对机场道面的影响,并不是独立影响人-车-路-环境系统的某个系统单元,而是对道面接
触局部区域气象微环境与各系统单元产生综合性的耦合影响作用。摩擦系数是表征道面表
面抗滑性能变化的常用指标,间接反映气象微环境对机场道面的使用质量的作用影响。
受微环境温度影响,水的形态是 1 个由气态到液态,并由液态到结晶固态的过程。对
应机场道面可归结为受微环境温度影响道面表面水分子由游离气态到流体液态,直至结
晶,并通过荷载作用形成冰的物理变化过程,见图 1(a)。因此,机场道面气象微环境影
响分析可根据水的存在形式分为干燥、水膜、积雪、结冰 4 种状态,见图 1(b)。
图 1 不同气象微环境下机场道面水的存在形式
Figure 1. Existence forms of airport pavement water under different meteorological micro
environments
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机场道面结冰囊括了水由气态转化为液态,直至结晶固态的整个物理过程,其他形态
包含在水成分结晶并形成冰层的过程中。因此,本文通过室内环境舱模拟结冰试验,研究
气象微环境影响下道面表面摩擦系数变化,探究不良气象微环境对机场道面抗滑性能影响
规律。
2. 室内环境模拟试验
2.1 试验设备
本试验利用山东省交通科学研究院路域环境气象灾害模拟实验系统(见图 2),通过
调整环境模拟舱状态参数展开结冰对机场道面抗滑性能室内试验研究。该系统可通过控制
系统调整环境舱内温度对冰、雪、雨、雾等多种恶劣交通气象环境进行多参数耦合作用环
境实验模拟,温度调节范围为-30~60 ℃。
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