機場規(guī)劃設計課程作業(yè)

問答題：1、簡述航空運輸系統(tǒng)的組成。航空運輸系統(tǒng)包括：飛機系統(tǒng)、機場〔空中港〕系統(tǒng)、空中交通管理系統(tǒng)和飛行航線四個局部。這四個局部有機結(jié)合，分工協(xié)作，共同完成航空運輸?shù)母黜棙I(yè)務活動。飛機是航空運輸?shù)闹饕\載工具。按運輸類型的不同，民用飛機可分為航線飛機〔運送旅客和貨物的各種運輸機，分客機和貨機及客機改裝成的客貨混裝的運輸機〕和通用航空飛機〔用于除了進行運輸運營的所有非軍事用途的航空活動，比方工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)飛行、搶險救災、教學訓練等效勞〕。機場〔空中港〕是提供飛機起飛、著陸、停駐、維護、補充給養(yǎng)及組織飛行保障活動的場所，也是旅客和貨物的起點、終點或轉(zhuǎn)折點。機場由飛行區(qū)、旅客航站區(qū)等組成。空中交通管理系統(tǒng)是為了保證航空器飛行平安及提高空域和機場飛行區(qū)的利用效率而設置的各種助航設備和空中交通管制機構(gòu)及規(guī)那么?？罩薪煌ü苤茩C構(gòu)通常按區(qū)域、進近、塔臺設置?？罩薪煌ü苤茩C構(gòu)及規(guī)那么包括飛行層的配備，垂直間隔和水平間隔的控制等。管制方式分程序管制和雷達管制。2、簡述機場系統(tǒng)的組成。機場，亦稱飛機場、空港，較正式的名稱是航空站。它是航空運輸系統(tǒng)中運輸網(wǎng)絡的節(jié)點〔航線交匯點〕，是地面交通轉(zhuǎn)向空中交通〔反之亦然〕的接口，是航空運輸系統(tǒng)對環(huán)境影響的接觸點〔空氣、噪聲、生態(tài)、水污染、土地等〕。機場系統(tǒng)的主要組成局部有飛行區(qū)和旅客航站區(qū)，其他的一些設施還包括貨運區(qū)、機務維修設施、供油設施、空中交通管制設施、平安保衛(wèi)設施、救援和消防設施、行政辦公區(qū)、生活區(qū)、生產(chǎn)輔助設施、后勤保障設施、地面交通設施。1.飛行區(qū)分空中局部和地面局部。空中局部指機場的空域：包括進場和離場的航路；地面局部包括跑道，滑行道，停機坪和登機門，各種保障飛行平安的設施、無線電同行導航系統(tǒng)和目視助航系統(tǒng)，以及一些為維修和空中交通管制效勞的設施和廠地，如機庫，塔臺，救援中心等。2.旅客航站區(qū)旅客航站去是旅客、貨物、郵件運輸效勞設施所在的區(qū)域。包括航站樓〔聯(lián)接地面交通、辦理各種手續(xù)、聯(lián)接飛行的設施、營運以及管理的場所〕，區(qū)內(nèi)設施還包括客機坪、候機樓、停車場等。還配備有旅館、銀行、公交車站、進出港道路系統(tǒng)。3、機場跑道設計與城市、公路道路設計的異同。差異：跑道為滿足飛機的順利起降，根本都采用長距離的直線線路設計，而城市公路道路考慮到行車人員的駕駛體驗與疲勞狀況，多為曲線設計，盡量防止長距離直線道路的設計；跑道方位在設計的時候主要受風力負荷的影響；跑道構(gòu)型：有5種主要跑道構(gòu)型〔單條跑道、兩條平行跑道、兩條不平行或者交叉跑道、多條平行跑道以及多條平行及不平行或交叉跑道〕，跑道構(gòu)型的設計取決于：交通需求量。運輸不很繁忙，且常年風向相對集中的機場，只需單條跑道，運輸非常繁忙的機場，那么需要兩條或多條跑道。跑道道面應有適宜的粗糙度(抗滑性)和良好的平整度。跑道道面只有同時滿足強度、粗糙度和平整度三方面技術指標的要求，才能保障現(xiàn)代飛機的起飛、降落時的平安、舒適，才能延長飛機和道面的使用壽命。共性：都受到周圍地形、工程開展規(guī)劃、可用面積大小以及周邊相應根底設施狀況的影響。存在高速公路機場建設的情況，將跑道與高速公路緊密聯(lián)系在一起。以高速公路為根底,借用平直、寬闊的高速公路作為飛機起降跑道的“準機場”。,使地面公路交通的功能實現(xiàn)了立體化。高速公路技術標準與飛機跑道的技術要求接近,高速公路建設無需做大的、質(zhì)的改動。高速公路飛機跑道只需在寬度、縱橫坡度、路基高度、路面厚度〔強度〕等方面滿足飛機起降的要求即可。4、跑道方位最主要受哪些條件影響？最正確方位如何確定？跑道方位主要受①風力負荷〔保證跑道使用率的重要因素〕②凈空條件〔保證飛機平安和跑道正常使用的主要因素〕的因素影響，同時還受到周圍地形、機場開展規(guī)劃、可用面積大小以及相鄰機場狀況的影響。跑道布置原那么：①在飛機著陸、滑行和起飛的過程中受到的干擾和延誤最??；②從航站區(qū)〔門位〕到跑道端部的滑行距離最?。虎厶峁┏浞诌m當?shù)某隹诨械?，使得著陸飛機占用跑道的時間最少，并沿盡可能短的路線到達門位；④保證著陸飛機不與起飛飛機相互干擾；⑤繁忙機場，應設置單向平行滑行道；⑥滑行道路線盡可能防止穿過跑道最正確方位確定方法：風向分析風力負荷的要求：機場跑道應保證風力負荷不小于95%具體方法：①向機場或附近所在地〔新建機場〕氣象站收集不少于5年的風向和風速資料〔每天8次等時間間隔觀測的16個方向的風速記錄〕；同時對云層高不高于152m和能見度小于等于1.61km的壞天氣予以注明；②將收集到的數(shù)據(jù)按不同方位和風速編成統(tǒng)計表，分為全部天氣和壞天氣兩張，統(tǒng)計各不同方向和速度的風出現(xiàn)的頻率；③根據(jù)統(tǒng)計表，繪制風力負荷計算圖或者風徽圖；④找出風力負荷最大的方向，即跑道的方向；5、跑道長度有哪些影響因素？對跑道長度起什么影響？影響跑道長度的因素大致可以從飛機、機場、大氣這三個方面來討論：〔一〕飛機①機型：發(fā)動機推力〔油門〕飛機襟翼偏度②飛機起飛質(zhì)量③起飛爬升面上有障礙物：障礙物限制重〔二〕機場①停止道及凈空道②跑道特性〔1〕跑道縱坡〔2〕跑道外表特性③飛行區(qū)等級飛行區(qū)等級用兩個局部組成的編碼來表示，第一局部是數(shù)字，表示飛機性能所相應的跑道性能和障礙物的限制。第二局部是字母，表示飛機的尺寸所要求的跑道和滑行道的寬度。對于跑道來說飛行區(qū)等級的第一個數(shù)字表示所需要的飛行場地長度，第二位的字母表示相應飛機的最大翼展和最大輪距寬度?！踩炒髿猗亠L順風起降，跑道長度增加，風速每增加9.26Km/h，長度增加7％；逆風起降，跑道長度減少，風速每增加9.26Km/h，長度減小3％；②氣溫在氣溫較低時，發(fā)動機的推力隨溫度增加可保持根本不變；當氣溫增加到一定值時，發(fā)動機的推力隨氣溫的增加而減小。在氣溫較高時，發(fā)動機的推力隨氣溫增加而減小的比例很大。氣溫每升高1℃，長度需增加1％。跑道長度計算氣溫：高溫使航班延誤起飛及減載起飛所造成的總損失等于跑道長度減短獲得的總受益。我國跑道長度計算氣溫：每年最熱月的每天最高氣溫的平均值，近期多年均值。③氣壓空氣壓力下降，所需跑道長度增大。跑道長度計算時，必需采用當?shù)貧庀笈_的實測氣壓，即相當于計算氣溫的實測氣壓。6、表達機場障礙物限制面的作用和組成。為了飛機的平安起降和機場的正常使用，根據(jù)機場使用的飛機特性和助航設備的性能，對機場及其附近一定范圍規(guī)定了幾種稱為凈空障礙物限制面的平面、斜面用以限制機場周圍及其附近的建構(gòu)筑物，對超過障礙物限制面的物體應進行處理，有些機場由于客觀條件不易改變，某些物體如大山等突破了凈空障礙物限制面控制要求，規(guī)劃應如實反映出突破的情況，以使在飛行程序編制時采取相應措施，確保飛行平安。障礙物限制面由八個假想的無障礙限制面組成，分別是：錐形面、內(nèi)水平面、內(nèi)進近面、進近面、過渡面、內(nèi)過渡面、復飛面和起飛爬升面。規(guī)定和公布機場障礙物限制面，限制機場及其周圍地區(qū)物體的高度，對保證飛機起飛降落的平安，有效利用機場，提高總體效益具有重要意義。原那么上，盡量不對障礙物進行削減，能通過設計起飛一發(fā)失效應急程序避開障礙物的，最好不進行處理，確實不能避開的，要通過仔細的性能分析后確定是否需要削減。7、簡述飛行區(qū)容量的影響因素及增容方法。機場系統(tǒng)各項設施在一定時段內(nèi)〔通常1h，或1年或1天〕通過不同運輸對象〔飛機、旅客、貨物等〕的最大能力，稱為容量或極限容量。影響因素：①空中交通管制：相關管制原那么的限制，如跑道上不容許同時有兩架飛機運行、著陸優(yōu)先于起飛、同一飛行路徑的兩架飛機之間應有足夠的水平間隔。跑道占用時間、飛機間隔距離/時間是影響跑道容量最主要的因素。②機隊組成：各類飛機的組成比例〔大小飛機的運行次數(shù)〕；總運行次數(shù)中著陸、著陸—離地、起飛各占的比例。③跑道布置及使用方案④環(huán)境因素：機場最低天氣標準——云層和能見度指標；風、跑道外表狀況、噪聲減除要求機場增容措施：〔1〕增加機場系統(tǒng)容量：建設新機場。〔2〕擴建現(xiàn)有機場設施：擴建現(xiàn)有機場設施是增加機場系統(tǒng)容量的另一重要措施，也是機場當局為適應航空需求的增長而普遍采用的一種方法。擴建現(xiàn)有機場設施包括了眾多方面，如擴建跑道系統(tǒng)、停機坪位、改良滑行道系統(tǒng)等飛行區(qū)的擴建以及為適應處理旅客設施的缺乏而擴建航站樓或新建另一航站樓等等?！?〕航空需求科學管理①提供遠程效勞設施②開展超級樞紐機場③簡化國際到達旅客手續(xù)④某些航空運行的調(diào)整⑤短距航空運輸?shù)钠渌绞交?〕頂峰時間管理①經(jīng)濟手段：頂峰時間的價格措施；頂峰時間使用權(quán)拍賣。②行政手段：頂峰時間交通配額；航空交通流量控制；限制通用航空飛機的運行?！?〕改良相關技術措施及提高運行效率包括改良飛機技術、航站樓設計、門位分配技術、航站處理系統(tǒng)技術。8、簡述機場噪聲的計量方法及降噪措施。噪聲計量主要按以下幾個指標計量：聲壓,聲強I=P2ρC聲壓級；聲強級；聲功率級機場噪聲防治方法：〔1〕控制噪聲源：采用低噪聲襟翼；低噪聲起落架；采用吸聲和減震隔音設施；動力消聲器等；啟用消音飛行程序和整體消音飛行程序；〔2〕控制跑道使用：交替使用各條跑道起降飛機，防止集中干擾一個地區(qū)；在起飛后和著陸前飛機進行轉(zhuǎn)彎，避開居民密集區(qū)；〔3〕駕駛飛機采用必要措施：使用多級進近飛行，盡可能晚些降低飛行高度；起飛后快速爬升高度；飛機離地并爬升到240m以上；減油門，但至少保持一臺關鍵發(fā)動機不工作的最小爬升梯度；按規(guī)定收襟翼或縫翼；高于機場地面900m后，增速到航路爬升速度，過渡到正常航路爬升程序；〔4〕使用隔音措施隔離機場飛機維修實驗場；建筑物本身的隔音材料和隔音結(jié)構(gòu)設計；消音壁和樹林；研究說明，聲音穿越100m的樹林，衰減25～30dBA；9、結(jié)合課堂講解內(nèi)容，談談機場平面布局的方法。機場的平面布局：為實現(xiàn)地面交通和空中交通的轉(zhuǎn)接，機場系統(tǒng)包括空域和陸域兩局部?？沼驗楹秸緟^(qū)空域，供進出機場的飛機起飛和降落，包括等待空域、進近凈空。陸域包括飛行區(qū)、航站區(qū)和進出機場的地面交通三局部。以下主要以跑道布局與航站樓布局加以討論；跑道布局：跑道方位確實定主要依據(jù)風向的分析。要求機場跑道應保證風力負荷不小于95%跑道構(gòu)型取決于：交通需求量。運輸不很繁忙，且常年風向相對集中的機場，只需單條跑道，運輸非常繁忙的機場，那么需要兩條或多條跑道。跑道長度設計：根據(jù)是否設置凈空道，停止道進行計算，跑道長度應該保證飛機在不利條件下平安起飛著陸。寬度要滿足飛機起飛著陸對跑道中心線的橫向偏移，橫斷面應滿足排水要求，以及不危及飛行平安?；械涝O計：①道面寬度滿足最大主起落架外輪外側(cè)的間距加2倍主起落架外輪外側(cè)與滑行道道面邊緣的凈距。②彎道曲線半徑應同飛機的滑行速度相適應。③增補面的設計方法有：模型模擬法、數(shù)學計算法、圖解法〔圓弧—曲線法〕，主要確定兩個參數(shù)：圓弧半徑r和切線的起終點。機坪設計：〔1〕保證站坪和跑道間的滑行距離較短〔節(jié)省燃油、時間和維護〕；〔2〕容許飛機活動自由以防止不必要的延誤；〔3〕為將來的擴建和技術改變保存足夠面積；〔4〕使站坪對周圍環(huán)境的不良影響最小〔發(fā)動機吹襲、噪聲、空氣污染〕航站樓——航站樓的布置:對于單條跑道，如果在每個方向的起飛和著陸次數(shù)大致相等，航站區(qū)設在跑道中部位置；對于兩條平行跑道，如果一條用于著陸，一條用于起飛，那么平行跑道宜錯位布置；如果風向要求多個方向的跑道，將航站樓設置在V型跑道或交叉跑道的中間；航站區(qū)不宜放在兩條跑道的外側(cè)，一方面增加了滑行距離，另一方面影響另一條跑道的正常使用。結(jié)合課堂學習，談談你對機場規(guī)劃的認識和疑惑?？傮w來說，機場規(guī)劃有以下一些根本的要求：飛行區(qū)設施和凈空應符合平安運行要求；航站區(qū)位置適中，并具備分期實施建設的方案；站坪機位與航站樓相協(xié)調(diào)，航空器地面運行順暢；陸側(cè)交通便捷、有序；空域規(guī)劃可行，飛行程序設計合理，目視助航、通信、導航、航管、雷達和氣象設施配置適當；航空器維修、貨運、供油等輔助生產(chǎn)設施及消防、救援、平安保衛(wèi)設施布局合理，直接為航空器運行、客貨效勞的設施靠近飛行區(qū)或站坪；供水、供電、供氣、供暖、制冷、排水、通信等公用設施與城市公用設施相銜接，各系統(tǒng)規(guī)模及路由能夠滿足機場開展需求；機場與城市間的交通連接順暢、便捷；機場內(nèi)供旅客、貨運、航空器維修、供油等不同使用要求的道路設置合理，防止相互干擾；根據(jù)機場噪聲影響預測，做好機場內(nèi)及鄰近地區(qū)的土地使用規(guī)劃，保持機場與周邊地區(qū)協(xié)調(diào)開展；在滿足機場運行和開展需要的前提下節(jié)約用地，盡可能少占耕地，減少拆遷；結(jié)合場地條件進行規(guī)劃布局，豎向設計結(jié)合地形，公用設施管線布置合理；注意建筑群的相對集中和群體效果。機場規(guī)劃最重要的局部應該是飛行區(qū)的設計，飛行區(qū)中就包括跑道，滑行道，機坪等。對于跑道的設計，可與我們的專業(yè)課公路設計進行比照。首先跑道有5中主要的構(gòu)型，決定其構(gòu)型的主要因素是交通量的多少，這與公路設計的車道數(shù)有些類似，只是跑道的設計會有平行及不平行的方式。其中還有需要注意的是跑道方位的設計，這里比公路設計就多出一道程序，就是風向分析。跑道長度應該保證飛機在不利條件下平安起飛著陸。寬度要滿足飛機起飛著陸對跑道中心線的橫向偏移，橫斷面應滿足排水要求，以及不危及飛行平安。機場的滑行道設計也是十分重要，其涉及一些需要嚴格控制的參數(shù)。同時，在道面材料方面，機場跑道設計與公路設計肯定也是有很大的區(qū)別，跑道的負荷要比車道大的多，所以其剛度和抗裂要求也會更高，其中也涉及到抗滑方面的要求。航站樓的設計更多的是要與乘客的需求以及容量分析相適應，所以在進行機場規(guī)劃和設計時，首先要對機場未來的客運量、貨郵運量等航空業(yè)務量做出預測，然后根據(jù)預測結(jié)果確定機場所需各項設施，它們的規(guī)模和等級、合理的建設分期，這比擬適合與運籌規(guī)劃的學科相結(jié)合考慮。課堂上還著重分析了航空業(yè)務量預測，機場容量分析延誤分析，這也是機場規(guī)劃很重要的一局部。根據(jù)航空業(yè)務量與影響它的各個主要因素之間相互關系，推測未來的航空業(yè)務量，將為規(guī)劃員以及決策者提供在各種影響因素的不同變化條件下預測量可能變動的范圍，同時能夠?qū)τ绊懸蛩剡M行排序。容量的分析對機場根底設施的建設有很大的影響，而延誤問題，得不到處理，將會影響航空業(yè)務的正常進行，需要進行擴容。對于這門課程，我也有自己的一些疑問。①對于當今高速鐵路的迅速開展，勢必對航空運輸會造成不曉得沖擊，航空似乎并不一定是最快的運輸方式，而且在其便捷程度上，也無法與高速鐵路相媲美，這樣一來，航空運輸應該怎樣在逆境中就開展，迎合人們的需求？②機場的開展與環(huán)境保護的矛盾是客觀存在的，尤其是聲污染越來越得到人們的重視，在查閱文獻時也看到一些關于回收性道面的利用。就機場規(guī)劃與環(huán)境保護問題如何做到提早防范而不是被動處理這一問題，應該怎樣改善？③在一些中小城市的機場建設中面臨著很多的問題，比方土地資源的緊張，資金問題，建設布局的不合理，往往與大型樞紐機場存在很大的差距，所以中小型機場建設的必然性值得考慮。④機場與軌道交通的結(jié)合問題。二、計算題：設計某機場飛行區(qū)近期的平面尺寸并繪出平面示意圖。[前提]機場近期主要供B737—300和B757—200使用，但要保證IL86等較大的4D飛機也能偶爾使用。機場遠期供B747—400等4E飛機使用。[題a]試確定跑道長度及凈空道長度。[]跑道長度按B757—200飛機最遠航程3000km、備降機場距目的地機場500km的使用要求確定。飛機無燃油滿載質(zhì)量83.5t，平均燃油消耗0.0047t/km或4t/h。要求飛機在目的地機場不能著陸而飛至備降機場上空時還有飛行0.75h〔45分鐘〕的備份燃油。跑道平均縱坡i=0.005。機場最熱月平均最高氣溫=32.2℃=90F，最熱月平均氣壓P=87543。跑道端不設停止道，設凈空道。解:eq\o\ac(○,1)求跑道的氣壓高度根據(jù)P=87543KN/m2，從國際的標準大氣壓表中可以查到：Hp=1219.2m=4000ft.eq\o\ac(○,2)求跑道長度計算用的飛機的最大起飛質(zhì)量根據(jù)最遠航程確定最大起飛質(zhì)量Mmax=83.5+3000*0.0047+500*0.0047+0.75*4=102.95t≈227000lb第二階段爬升梯度限制的最大起飛質(zhì)量.取δ=5o，由圖一種箭頭所示計算程序Tp→Hp→m，可得Mmax=232000lbMmax〉227000lb取δ=15o，由圖二中箭頭所示計算程序Tp→Hp→m，可得Mmax=221000lbMmax<227000lb由上可得，Mmax=232000lb，δ取5o.3.突發(fā)故障中斷起飛剎車時允許的最大的表速VMBE由圖中箭頭所示的計算程序Tp→Hp→m→i→Vw→VMBE〔其中飛行速度Vw=0〕得到VMBE=180.1kn〔海里/小時〕4.輪胎速度限制的最大起飛質(zhì)量.飛機輪胎速度限制為225mile/h，風速為Vw=0.由四中箭頭所示計算程序Tf→Hp→Vw→m，得到Mmax=271000lb.5.初步確定飛機的最大起飛質(zhì)量Mmax取最小值，得到Mmax=227000lb，以后檢驗是否滿足V1〈180.1kneq\o\ac(○,3)求跑道長度全發(fā)起飛所需的跑道長度La.全發(fā)起飛所需的修正場地長度LaoLao是指正常起飛不考慮風與跑道縱坡等影響所需的飛行區(qū)場地長度.根據(jù)δ為5o，TF=90F，Hp=4000ft，Mmax=227000lb由圖五中的箭頭所示計算程序Tf→Hp→Lao←Mmax得到Lao=9550ft≈2911m.起飛發(fā)生一故障所需修正場地長度Lbc起飛一發(fā)故障所需修正場地長度LbcoLbco是描述飛機出現(xiàn)一發(fā)故障不考慮風與跑道縱坡等影響所需的平衡場地長度取δ=5o，空調(diào)關，Tf=90F，Hp=4000ft，Mmax=227000lb，由圖七種箭頭所示計算程序Tf→Hp→Lbco←Mmax得到Lbco=10200ft=3109m起飛一發(fā)故障所需跑道長度.1計算圖分區(qū)，根據(jù)Tf=90o，Hp=4000ft，由圖可查得應采用A區(qū)的計算圖2修正繼續(xù)起飛距離S`TO修正中斷起飛距離S`SO及決斷速度V1，S`TO，S`SO指不考慮風和跑道縱坡等影響的繼續(xù)起飛和繼續(xù)起飛距離根據(jù)A區(qū)，δ=5o，Lbco=10200ft，由圖八中箭頭所示的計算程序S`TO←Lbco→S`SO及Lbco→V1，初步得到S`TO，S`SO及V1值.由于設置凈空道不設置停止道，S`TO應該稍大于S`SO，使下一步得出Lb=Lc，得到S`TO=10200ft，S`SO=10000ft，V1=0.982VR3繼續(xù)起飛所需跑道的長度Lb.根據(jù)S`TO=10200ft，防水系統(tǒng)關，Vw=0，i=0.005，根據(jù)圖六中箭頭所示計算程序S`TO→Vw→i→Lc→Lb，得到lc=650ft=200m，得到Lb=10200ft4中斷起飛所需的跑道長度S`SO=10000ft，Vw=0，i=0.005由圖十一中箭頭所示計算程序S`SO→Vw→i→S`S得到S`S=10200ft，由于本機場沒有停止道，所以Lc=S`S=10200ft5初步確定起飛一發(fā)故障所需跑道長度Lbc及決斷速度V1，由于Lb=Lc=10200ft，取Lbc=10200ft，V1=0.9826檢查決斷速度是否符合要求a．決斷速度是否小于抬起前輪速度VR由于V1=0.982VR，所以V1〈VR是符合要求的b．決斷速度是否小于剎車能量限制的最大速度VMBEδ=5o，Tf=90F，Hp=4000ft，Mmax=22700由圖十二所示計算程序Tf→Hp→Mmax→VR得到VR=148knV1=0.982*VR=145.336kn<180.1kn因此，Mmax=227000lb未超過剎車能量限制的最大起飛質(zhì)量C．決斷速度V1是否大于最小地面操縱速度VMCG根據(jù)Tf=90F，Hp=3000ft，Mmax=227000lb，由圖十三箭頭所示計算程序Tf→Hp→Mmax→VMCG得到VMCG=92.5kn因此V1>VMCG,符合要求7確定起飛一發(fā)故障所需跑道長度Lbc由于決斷速度V1符合要求，所以取Lbc=10200ft確定跑道長度LLa=9550ft，Lbc=10200ft，取大值那么有L=10200ft[題b]試確定跑道寬度和道肩寬度、防吹坪長度和寬度、升降帶長度和寬度、跑道端平安地區(qū)的長度和寬度。機場遠期供4E飛機使用，基準代碼是4，基準代字取E,取跑道的寬度是45m，其兩側(cè)應該設置寬度是7.5m的道肩在跑道入口之前要設置防吹坪，其寬度與跑道相同，取為60m，其長度為30m，不妨設30m.升降帶包括跑到=道和停止道，所以升降帶長度為3100m.查閱書中的表3-7得到代碼為4的跑道自跑道中線算起每側(cè)不許有固定物體的最小寬度為60m.又因為代碼3or4的儀表跑道的升降帶中平整范圍是離跑道中線至少有75m，對于代碼3or4的精密進近儀表跑道的升降帶其平整范圍更大一些。那么升降帶可以設置為如下列圖所示:跑道端部平安地區(qū)的寬度應該與升降帶的壓實寬度相同，取為150m，跑到端部平安地區(qū)的長度取凈空道長度200m.圍欄高2.5m，其位置應該符合端凈空要求，因此升降帶應該小于125m〔2.5/2%〕本機場凈空道長200m，圍欄應該設置在距離跑道端200m處〔距離升降帶140m〕[題c]試確定站坪的平面尺寸及站坪邊緣距平行滑行道邊緣的凈距。[]客運量450萬人/年，機型B737-300占80%、B757—200占20%、滿座率均為75%。站坪停機位除根據(jù)起降架次確定外，還要增加2個B737—300和1個B757—200的停機位。飛機前列式集結(jié)機頭垂直向內(nèi)停放。頂峰小時客運量區(qū)全年客運量的0.04%4500000*0.004%=1800人/小時站坪需要的停機位數(shù)目漢族要根據(jù)頂峰小時飛機起降架次確定.N=∑ni*ti/U確定參數(shù)值：飛機出發(fā)或者到達的架次占飛機起降總架次的0.65，機位利用系數(shù)U=0.6飛機占用機位時間t=0.75h下面計算飛機起降的平均架次，經(jīng)過查閱資料得到：B737-300中型飛機140座B757-200大型飛機220座η=1800N=0.65根據(jù)題意，站坪停機位數(shù)量B737-30012個B757-2004個站坪長度查閱資料得到:B737-300翼展28.08m，B757-200翼展38.06m停放飛機距臨近停放飛機7.5mL=28.28*12+38.06*4+7.5*15+7.5*2=619.9m取為620m站坪寬度1能停放伊爾-86〔較大的4D飛機〕，機身長56.1m2停放飛機的機頭與站坪邊緣相平3機尾后面設置5m寬行車道4機坪滑行道寬度23m5機坪滑行道中線距離車道邊緣40.5m5+40.5+56.1-11.5=90.1m90.1+23=113.1m取為120m5.確定站坪邊緣距離平行滑行道的距離，要保證將來B747-400等4E飛機使用要求進行擴建時，候機樓和平行滑行道的不需要拆遷，而戰(zhàn)坪邊緣距離平行滑行道的邊緣的凈距：72m[題d]試確定滑行道的布局、道面和道肩的寬度、轉(zhuǎn)彎半徑及彎道增補面尺寸。由于B737-300與B757-200在本機場著陸距離相差不大，因此跑道每端只設一條快速出口滑行道，距跑道每端1850m站坪長度較短，可只在站坪兩端設置通往滑行道的聯(lián)絡值，可根據(jù)如下草圖布置其中，滑行道中線與儀表跑道中線182.5m滑行道道面寬度23m，道面道肩總寬度44m，滑行帶總寬度95m，其中平整寬度跑道端部出口滑行道的平面尺寸參閱下面的表格及圖形供中型飛機使用的滑行道及彎道尺寸單位：m入口和出口滑行道寬度WTi26.5(WTa11.5,WTb15)彎道半徑R141.5R241.5Г053Г125Г225用應力相關的神經(jīng)網(wǎng)絡模型評估機場道面惡化KasthuriranganGopalakrishnan*,HalilCeylanandAlperGuclu愛荷華州立大學土木與環(huán)境工程學院，353城鎮(zhèn)工程建設，Ames，IA50011-3232，美國〔2006年6月1日收稿;2007年2月23日最終版本收稿〕摘要：在這項研究中，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡〔ANN〕的方法被用來反演瀝青混凝土和非線性應力相關的路基模量，這種方法來自于在美國聯(lián)邦航空管理局的全國機場道面試驗設施〔NAPTF〕全面交通測試中獲得的無損檢測〔NDT〕數(shù)據(jù)。這種人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型由軸對稱有限元路面結(jié)構(gòu)模型的結(jié)果進行培訓。使用基于無損檢測結(jié)果的人工神經(jīng)網(wǎng)絡預測模量，表征了模擬波音777〔B777〕和波音747〔B747〕飛機齒輪營運對NAPTF柔性路面試驗段結(jié)構(gòu)惡化的相對嚴重程度的影響。結(jié)果說明：只要機場路面結(jié)構(gòu)為采集可靠的數(shù)據(jù)產(chǎn)生足夠的撓度，使用力幅較小的無損檢測數(shù)據(jù)用于常規(guī)的機場路面結(jié)構(gòu)評價是可能的。關鍵詞：人工神經(jīng)網(wǎng)絡;無損檢測;NAPTF;非線性;機場柔性路面系統(tǒng)1、介紹全國機場道面試驗設施〔NAPTF〕位于美國聯(lián)邦航空管理局〔FAA〕的威廉·J·休斯技術中心，在美國新澤西州大西洋城國際機場附近。它以支持開發(fā)先進機械為根底的機場路面設計程序而修建，基于健全的理論原那么和由相應的全面試驗數(shù)據(jù)驗證的模型。第一組試驗路面，被稱為建設周期1〔CC-1〕，由寬為18.3米，共274.3米長的九個儀表測試路面〔六組彈性和三個剛性〕組成。這九個測試路面是建立在三種不同的路基材料上：低強度〔指標為加州承載比，CBR，4〕，中等強度〔指標CBR為8〕和高強度〔指標CBR為20〕。NAPTF為生成全面的測試數(shù)據(jù)而構(gòu)建，特別是支持受到新一代飛機〔NGA〕復雜的齒輪載荷配置的機場路面性能調(diào)查，例如波音777。在NAPTF第一組的交通量測試期間，在一條跑道模擬六輪架波音777〔B777〕起落架降落，并在另一條車道模擬四輪波音747〔B747〕起落架降落，并且同時營運，直到測試路面被視為破壞。無損檢測〔NDTS〕同時使用落錘式彎沉儀〔FWDs〕和重型落錘式彎沉儀〔HWDs〕進行路面和路基施工的均勻性記錄，以及監(jiān)測全面營運對路面響應和性能隨時間的影響。McQueen等人〔2001〕分析了在NAPTF取得的柔性路面無損檢測數(shù)據(jù)，并通過無損檢測的數(shù)據(jù)來評估力振幅下的無損檢測響應和反算路基模量〔使用彈性分層方案為根底的反算軟件〕。為測試無損檢測響應是否與增加的力是非線性的關系，在相同的位置評價4個負載〔40kN，60kN，82kN和115kN〕下的FWD數(shù)據(jù)以及在三個負載〔53kN，107kN和160kN〕下的HWD數(shù)據(jù)。我們發(fā)現(xiàn)，無論是脈沖剛度模量〔ISM=負載板作用力的最大撓度比〕還是反算的路基模量都與FWD和HWD的力振幅保持相對恒定。在丹佛國際機場〔DIA〕〔Lee等，1998〕進行的中心板儀表剛性路面HWD測試也得到了類似的結(jié)果?；谶@些觀察〔線性負載響應行為〕，對柔性和剛性機場路面，McQueen等人〔2001〕提出，在原型飛機裝卸時使用無損檢測力振幅來評估機場路面可能不是必要的。有人還建議，機場路面能通過更輕的負載設備到達令人滿意的評價，如FWD，提供了可靠的傳感器記錄中獲得的足夠的響應。因此，在NAPTF和DIA感性上的研究結(jié)果的根底上，只要所產(chǎn)生的撓度都在撓度傳感器的范圍之內(nèi)，脈沖負載的振幅似乎不是關鍵。路面層的厚度和材料類型是決定脈沖負載允許范圍的主要因素。因此，除非路面是很厚的硅酸鹽水泥混凝土〔PCC〕或是瀝青混凝土〔AC〕覆蓋著PCC構(gòu)架，F(xiàn)WD設備是最能被接受的，因為它們能夠為采集可靠的數(shù)據(jù)產(chǎn)生足夠的撓度〔2004FAA〕。為了驗證這一點，研究使用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡〔ANN〕的方法，根據(jù)NAPTF全面交通測試中獲得的FWD數(shù)據(jù)來反算瀝青混凝土和路基模量。結(jié)果可用于檢查波音777和波音B747的營運對NAPTF柔性路面段中結(jié)構(gòu)狀況〔反算模量〕的破壞性影響。2、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的反算模型在柔性路面的分析和設計中使用的彈性層狀方案〔ELPs〕將路面作為彈性多層介質(zhì)，并假設路面材料是線彈性，均勻和各向同性的。然而，未結(jié)合的顆粒材料和細粒路基土，簡稱路面巖土材料，不遵循線性應力-重復交通荷載下的應變特性。未結(jié)合顆粒材料和粘性細粒土基回彈模量的非線性或應力相關性說法一直是很完善的〔Brown和Pappin1981年，Thompson和Elliot1985年，GARG等，1998〕。未結(jié)合的骨料表現(xiàn)出應力硬化型行為，而細粒路基土表現(xiàn)出應力軟化型的行為。以前的研究已經(jīng)說明在NAPTF中的底層鋪裝層是非線性。Gomez-Ramirez和Thompson(2002)通過單獨分析個別層壓縮的多深彎沉儀〔MDD〕讀數(shù)，提出NAPTF中存在材料的非線性。Garg和Marsey(2002)在NAPTF的柔性測試局部中，也觀察到類似的顆粒和路基層的應力相關的性質(zhì)。因此，路面結(jié)構(gòu)模型可以考慮用非線性巖土材料來表征，如ILLI-PAVE有限元程序〔Raad和Figueroa1980〕，需要可被用來實行NAPTF路面結(jié)構(gòu)分析，以及需要更實際的路面響應預測來做以機械為根底的路面設計。有人用人工神經(jīng)網(wǎng)絡對來自于NAPTF柔性路面的FWD數(shù)據(jù)進行反算非線性路面結(jié)構(gòu)層模量做了一項研究。人工神經(jīng)網(wǎng)絡越來越多地被用來解決資源密集型的復雜問題，以替代使用諸如回歸法等較傳統(tǒng)的方法。多年來，人工神經(jīng)網(wǎng)絡已經(jīng)成為成功的計算工具，用于研究大局部的路面工程問題〔Meier和Rix1995,Gucunski和Krstic1996,Khazanovich和Roesler1997,Meier等人1997,Kim和Kim1998,Ceylan2002,Ceylan等人2004〕。在這項為指導國家公路和運輸官員協(xié)會〔AASHTO〕的新項機械經(jīng)驗路面設計的開展中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡已被公認為是非傳統(tǒng)的，但非常強大的計算方法，并用于編制混凝土路面分析軟件包。在愛荷華州立大學和伊利諾伊大學，最近的研究都集中與開展基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的正向和反算公路柔性路面分析模型，用于預測臨界路面響應和個別路層的模量〔Ceylan等人，2005〕。Gopalakrishnan和Thompson〔2006〕和Gopalakrishnan等人〔2006〕成功地展示了用基于ANN的方法反算來自HWD測試數(shù)據(jù)的機場柔性路面結(jié)構(gòu)層模量，并朝著NAPTF柔性路面的局部進行針對性的研究。在目前的研究中，ANN模型最初開發(fā)和驗證是用于預測公路柔性路面在40kN的FWD彎沉盆下的路面結(jié)構(gòu)層模量，用在NAPTF全面交通測試中獲得的40kN的FWD數(shù)據(jù)，來反算柔性路面結(jié)構(gòu)層模量。這些ANN模型已經(jīng)得到了綜合的培訓，并在大范圍內(nèi)對鋪裝層的性能進行了測試，因此，預計能在NAPTF試驗段產(chǎn)生切實的反算結(jié)果。FWD/HWD的測試是對結(jié)構(gòu)完整性和現(xiàn)有路面的承載能力進行評估。從FWD/HWD測量中獲得的路面彎沉輪廓，可用于反算路面結(jié)構(gòu)層剛度，同樣可以用來估計路面的剩余壽命。目前，沒有封閉形式的解決方案以實現(xiàn)反算?，F(xiàn)在，彈性分層分析常用于大多數(shù)反算軟件，通常采用彎沉盆相配的方法來預測層模量。在這種方法中，結(jié)構(gòu)層模量最初是假設的，理論外表撓曲由計算得來。通過一系列的迭代，結(jié)構(gòu)層的模量有所改變，并且將所計算的撓度與測得的撓度進行比擬，直到在允許范圍內(nèi)得到一個接近的值。這種方法有幾個缺點，并且不會得到單獨的結(jié)構(gòu)層模量值，因為可以有一個以上的組合層模量，使理論值和測量的外表撓度變的接近。雖然，基于ANN模型已經(jīng)成功地在過去應用于由FWD數(shù)據(jù)反算路面模量〔Meier等人，1997〕，但是他們沒有考慮到，實際巖土材料對應力敏感的性質(zhì)作為ELP生成的合成數(shù)據(jù)庫，被用來培訓ANN。因此，可以考慮到巖土材料非線性和應力相關特性的ILLI-PAVE有限元程序，被用來生成人工神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練數(shù)據(jù)集，以準確地從實際的FWD彎沉輪廓來預測路面結(jié)構(gòu)層模量。3、人工神經(jīng)網(wǎng)絡培訓和測試數(shù)據(jù)集的生成ILLI-PAVE是在伊利諾伊大學〔Raad和Figueroa1980〕開發(fā)的，是一種在柔性路面結(jié)構(gòu)分析中常用的軸對稱有限元〔FE〕程序。它將路面作為一個二維軸對稱的回轉(zhuǎn)體模型，并對粒狀材料和細粒土采用非線性應力相關的模型和破壞準那么。許多研究已經(jīng)驗證了，軸對稱ILLI-PAVE模型為圓形輪裝載下的公路和機場路面提供了一個切實的路面結(jié)構(gòu)響應預測〔Thompson和Elliot1985，Thompson1992，Garg等人，1998〕。因此在本研究中，ILLI-PAVE有限元模型被用作解決柔性路面彎沉，其他臨界路面應力以及一個車輪施加載荷下的應變的先進結(jié)構(gòu)模型。我們的目標是建立一個ILLI-PAVE響應解決方案的數(shù)據(jù)庫，并能最終構(gòu)成訓練和測試的數(shù)據(jù)集，用于開發(fā)基于ANN的結(jié)構(gòu)模型快速反算分析。一個普通的三層柔性路面結(jié)構(gòu)，由一個AC面層，級配碎石基層和由ILLI-PAVE建模的路基層組成。頂面的AC層使用楊氏模量EAC和泊松比n表征的線性彈性材料。該K-y模型〔希Hicks和Monismith1971〕用來表征未結(jié)合碎石層的非線性模型：E其中ER是彈性模量，θ=σ1+σ2+σ3=σ1+2σ3=體力，p0為單位壓力〔1kPa〕，用來使模型中的應力無量綱化，K和n是從粒狀材料的重復荷載三軸測試數(shù)據(jù)中獲得的多元回歸常數(shù)。根據(jù)Rada和Witczak〔1981〕的工作提供的綜合顆粒材料數(shù)據(jù)庫，使用下面的公式，K和n的模型參數(shù)可以關聯(lián)到只有一個模型參數(shù)表征的非線性應力相關的行為〔RadaLog因此，良好質(zhì)量的顆粒材料，如碎石，表現(xiàn)出較高的K值和低的n值，而相對適用于較低質(zhì)量的集料。根據(jù)Rada和Witczak后來的研究〔1981〕，K值常用的范圍為20.7至82.7MPa，相應的n值由公式〔2〕獲得。細粒土被認為是“無摩擦”的，但只有凝聚力的材料常用雙線性模型〔Thompson和Elliot1985〕為彈性模量建模：其中是ERi是斷點彈性模量，σD是斷點偏應力〔σd=σ1-σ3〕，σdi是斷點偏應力，K1和K2是統(tǒng)計學中從實驗室試驗確定的系數(shù)。如由Thompson和Elliot〔1985因此，瀝青混凝土彈性模量EAC，顆?；鶎覭-y模型的參數(shù)K和路基土的斷點偏應力ERi，在所有不同的柔性路面ILLI-PAVE運作中，作為雙線性模型中結(jié)構(gòu)層剛度的輸入值。40kN的車輪施加的荷載作為在半徑為152毫米圓形區(qū)域552kPa的均勻壓力，模擬倒傳遞類神經(jīng)網(wǎng)絡模型〔Haykin1999〕在此研究中接受了ILLI-PAVE合成數(shù)據(jù)庫解決方案的培訓，并作為預測柔性路面結(jié)構(gòu)層模量的快速分析工具。倒傳遞類神經(jīng)網(wǎng)絡被用來開發(fā)兩種不同的網(wǎng)絡架構(gòu)的ANN結(jié)構(gòu)模型，利用FWD撓曲數(shù)據(jù)和路面結(jié)構(gòu)層厚度來預測路面結(jié)構(gòu)層的模量〔EAC和ERi〕。有兩個隱含層的神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是根據(jù)這些網(wǎng)絡之前取得的令人滿意的結(jié)果而專門選擇的，考慮到他們的能力可以更好地促進非線性函數(shù)的映射〔Ceylan2002我們對幾個有兩個隱含層的網(wǎng)絡架構(gòu)進行了培訓?？傮w而言，培訓和測試的均方誤差〔MSEs〕隨著網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)大小的增長和隱藏層越來越多的神經(jīng)元而降低。測試的均方誤差在一般情況下比培訓過的略低。當隱藏節(jié)點的數(shù)目接近60，培訓集和測試集的誤差水平十分接近。在這項研究中，8-60-60-1〔八個輸入，兩個隱含層，每層有60個隱藏神經(jīng)元和一個輸出〕被選中作為ANN模型的最正確體系結(jié)構(gòu)，這基于其最低的培訓和測試的均方誤差，只有1×10-4次〔對應于一個均方根誤差，值為0.3％〕，且對于EAC和ERi這兩個輸出變量都是這樣。由于目標是由現(xiàn)場測量的FWD撓曲數(shù)據(jù)來反算EAC和ERi，在最正確性能ANN結(jié)構(gòu)中的八個輸入值中，包括在降落位置〔0〕收集的6個FWD外表撓度值〔D0，D12，D24，D36，D48，D60，〕，和305毫米，610毫米，914毫米1219毫米，1524毫米的徑向偏移，以及兩個的路面層的厚度，AC層圖1描繪了8-60-60-1網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)在第10000次培訓時的預測能力。平均絕對誤差〔AAEs〕被算作通過1500次獨立測試模式的個體絕對誤差的總和。AC層模量的AAE較低，為1.25％，路基斷點模量ERi的AAE為3.46％。需要注意的是AC模量與最大的FWD外表撓度值D0是密切相關的，而路基模量在很大程度上與在偏移超過914毫米情況下的FWD外表撓度值有關。需要注意的是FWD外表撓度的幅度隨徑向偏移的增加而減小，對于測量的相對精度也是一樣的。最終結(jié)果，對正如圖1所示，對于兩種路面結(jié)構(gòu)層模量，幾乎所有的1500次ANN預測的數(shù)據(jù)都集中在相同的一條線上，從而說明了ANN培訓適當和優(yōu)異的性能。Ceylan等人〔2004〕對這項研究中采用的ANN反算模型的開發(fā)進行了詳細地探討。在常規(guī)的FWD評價中應用開發(fā)基于ANN的反算技術的一個主要好處就是,即使在現(xiàn)場也可以進行高速的數(shù)據(jù)處理和分析。在本研究中，ANN模型開發(fā)的速度是ILLI-PAVE有限元模型解決方案的兩倍左右，并且它們不需要冗長而詳細的有限元前后的處理任務。ANN反算模型的快速預測能力〔50000個FWD彎沉盆可以在不到1秒內(nèi)分析完〕，使它們成為在實時現(xiàn)場測試時分析FWD撓曲數(shù)據(jù)，從而評估該路段路面的狀況的完美工具。為了滿足這一研究的目的，開發(fā)這種ANN模型以適用于現(xiàn)場FWD數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由在NAPTF中采用六輪和四輪重型飛機齒輪負荷的柔性路面全面交通測試中所獲得。該NAPTF路面測試程序的說明如下。4、NAPTF柔性路面路段第一組的NAPTF測試路面，被稱為建設周期1〔CC-1〕，由九個儀表測試路面〔六組彈性和三個剛性〕組成，寬為18.3米，共274.3米長。在這項研究中，以下中等強度的路基柔性路面試驗段被認為是：〔a〕MFC，傳統(tǒng)的碎石基層柔性路面，以及〔b〕MFS，瀝青穩(wěn)定基層柔性路面。在這個研究中所考慮的兩個測試件構(gòu)造的剖視圖示于圖2。P-209〔碎石〕，P-154〔灰石混合粉礦〕和P-401〔廠拌瀝青路面〕等條目都符合美國聯(lián)邦航空局〔2004〕詳細的標準規(guī)格。P-401同時用于AC外表層，以及MFS局部的穩(wěn)定層中。一種在CL–CH〔液塑限〕土壤分類〔ASTM統(tǒng)一的土壤分類系統(tǒng)〕中被稱為杜邦粘土〔DPC〕的材料被用于中等強度的路基。天然存在的砂質(zhì)土壤物質(zhì)〔SW-SM土壤分類〕存在NAPTF根底下路基的每一層里。路基土P-209和P-154巖土材料的層次信息，實驗室壓實性能和材料特性的測試結(jié)果都包含在FAA的材料數(shù)據(jù)庫里〔可以在FAA機場科技網(wǎng)站：下載〕〔Hayhoe和Garg2001〕。5、NAPTF交通測試在十個月的驗證，試航以及路面響應測試后，NAPTF在1999年4月成型。第一個組的交通測試，簡稱CC-1交通測試，開始于2000年2月，并在2001年9月竣工。在CC-1交通測試中，一種帶有1372毫米的雙重間距和1448毫米的串聯(lián)間距的雙重三叉型〔B777〕的六輪起落架，裝載在北部輪距〔LANE2〕，而南側(cè)〔LANE5〕裝載有具有1118毫米雙重間距和1473毫米串聯(lián)間距的雙串聯(lián)型四輪〔B747〕起落架。該試驗機與在第一輪的交通測試中所用的齒輪配置示于圖3。車輪的負荷設定為20412kg，每個輪胎的壓力為1295kPa。在整個交通測試程序中，行駛速度是8km/h。為了真實地模擬飛機的橫向運動的漂移模式，一種由66輛車輛行駛〔33行駛在東部方向，行駛33在西部方向〕組成的一個固定順序，安排在有260毫米間隔的9個等距漂移位置〔或軌道〕，以便在交通測試過程中使用。NAPTF的破壞準那么是在美國陸軍工程兵部隊〔USCOE〕的多輪重型齒輪負荷〔MWHGL〕測試〔Ahlvin等人，1971〕下建立的。破壞被定義為相鄰的跑道至少存在25.4毫米的外表隆起。這是與路基的結(jié)構(gòu)或剪切破壞相聯(lián)系的。NAPTF試驗路段可以營運直到試驗路段被破壞。6、無損檢測硬件和軟件技術的最新進展已經(jīng)顯著改善了無損檢測的設備，數(shù)據(jù)采集和分析軟件。用無損檢測代替〔或補充〕機場路面?zhèn)鹘y(tǒng)的破壞性試驗是有優(yōu)勢的。最重要的是，在這2-3分鐘的測試中，它可以在同時保持一個跑道、滑行道或停機坪可操作的情況下，能在不同的位置迅速收集數(shù)據(jù)，使測試與空中的交通管制密切接觸。無損檢測的實施是經(jīng)濟的，每天可在多達250個位置收集數(shù)據(jù)。FWD/HWD設備應用動荷載的模擬移動輪來衡量路面響應〔即變形〕〔FAA2004〕。用FWD/HWD設備所收集的撓曲數(shù)據(jù)，可以對路面測試時的強度提供定性和定量的數(shù)據(jù)。在負載板傳感器下方的原始撓曲數(shù)據(jù)直接地提供了整個路面結(jié)構(gòu)的強度指標。同樣地，從最外層傳感器得到的原始撓曲數(shù)據(jù)可提供路基的強度指示〔FAA2004〕。許多研究已經(jīng)解釋了為什么FWD/HWD路面彎沉測量可以作為表征路面路基系統(tǒng)的一種工具〔Bush和Baladi1989年，Tayabji和Lukanen2000〕。無損檢測在不同時段使用NAPTF柔性路面試驗段下進行的FWD和HWD。這項研究的重點是HWD試驗的結(jié)果。HWD試驗是使用FAA的KUAB2mHWD設備來進行的。FAA的HWD設備還配置有一個尺寸為30.5厘米的裝載板，并使用27至30毫秒的脈沖寬度。HWD試驗在53.4kN，106.7kN，160kN的公稱力振幅下進行。在與荷載中心間隔0毫米〔D0〕，305毫米〔D1〕或610毫米〔D2〕，914毫米〔D3〕1219毫米〔D4〕，年和1524毫米〔圖4展示了HWD試驗的跑到位置和方向。HWD試驗是在未開放交通的中心線〔C/L〕，以及B777和B747的跑道上〔LANE2和LANE5〕實行的。在測試跑道每隔3米處重復進行HWD實驗。HWD試驗的結(jié)果可以從FAA機場科技網(wǎng)站上下載。7、利用ANN模型表征NAPTF路面結(jié)構(gòu)為了演示用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法來分析NAPTF柔性路面段的適用性，并進一步驗證人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型，利用在交通測試期間從NAPTF獲得的實際無損檢測數(shù)據(jù)對該模型進行測試。該方法是利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型來預測路面結(jié)構(gòu)層模量，并將其結(jié)果與那些使用基于ELP的反算程序的傳統(tǒng)方法獲得的結(jié)果進行比擬。在柔性路面的分析和設計中，破壞狀態(tài)通常被視為是疲勞開裂，車轍和低溫開裂。經(jīng)典的柔性路面設計程序是以限制路基頂部垂直壓應變〔路基車轍破壞準那么〕和AC層最底部的橫向拉伸應變〔AC疲勞失效準那么〕為根底的。在本文中，研究的重點是比擬機場路面結(jié)構(gòu)層模量在飛機反復營運下的效果，尤其是AC模量和路基模量。FAA的反算軟件，BAKFAA，是在美國聯(lián)邦航空局機場科技科的贊助下開發(fā)的，并且是基于LEAFELP的〔Hayhoe2002〕。在這個程序中，對路面結(jié)構(gòu)層模量和路基模量進行了調(diào)整，以盡量減少在指定路面結(jié)構(gòu)處無損檢測傳感器測量和LEAF計算彎沉盆之間的均方根差異。一種標準的多維單純形優(yōu)化程序被用來調(diào)節(jié)模量的值〔McQueen等人，2001〕。在反算時使用模量為6.9GPa和泊松比為0.50的剛性層?；谧鳛闃?gòu)造的條件下，中等強度測試局部中的剛性層被設置為3米。在NAPTF路基土樣進行的實驗室彈性模量試驗〔改編于AASHTOT292〕的結(jié)果說明，在41kPa的側(cè)限應力，14kPa的偏應力作用下，中等強度路基的模量為86MPa。在41kPa的偏應力作用下，中等強度路基的彈性模量為62MPa。這些結(jié)果是在NAPTF試驗路段開放營運前，根據(jù)探井獲得的路基土壤樣品的實驗室試驗所得到的〔Hayhoe和Garg2001，Gopalakrishnan2004〕。在本文中描述的ANN反算模型已經(jīng)被開發(fā)用于由40kN的FWD彎沉盆來反算路面結(jié)構(gòu)層模量。由于40kN的FWD測試在NAPTF營運過程中沒有實行，53.4kN的HWD彎沉盆被標準化為40kN的負載，因為變形在這個范圍內(nèi)相當于是線性的。使用這些在營運過程中收集的彎沉盆，因越來越多重復的交通負載而導致的反算路面結(jié)構(gòu)層模量的變化是可以被研究的。FWD試驗時的AC層溫度對外表撓曲以及反算AC模量有顯著的影響。在NAPTF設施的建設時，靜態(tài)溫度傳感器被安裝在路面內(nèi)的不同深度處，以記錄一天內(nèi)不同時間的路面溫度。在營運過程中，AC層中間深度的溫度變化示于圖5，包括MFC和MFS測試局部。基于ANN的反算AC模量〔EAC〕隨重復交通負載〔N〕的變化示于圖6，包括MFC和MFS試驗段。結(jié)果顯示為B777和B747跑道以及在未開放營運的C/L。需要注意的是，在未開放營運的中心線，EAC值的變化主要是由于AC溫度的變化。尤其是在MFC試驗段，隨著交通負荷的重復，跑道的EAC值比中心線的值更低，這說明營運造成剛度的損失。另外，在MFC的試驗局部中，B747跑道的EAC值始終比從需要注意的是，在MFC試驗段，使用3000左右的重復交通負載，未開放交通的中心線的EAC值為12.5GPa，然而B777跑道為9.2GPa〔C/L值的74％〕，B747跑道為6.7GPa〔C/L值??的54％〕。在實驗室中，AC試樣的疲勞試驗是在恒應變的狀態(tài)下進行的，疲勞已被廣泛地定義為初始剛度〔Ghuzlan2001〕減少了50％。Sharp和Johnson-Clarke(1997)認為當模量降低50%隨著重復交通負荷的增長，基于ANN的非線性應力相關的反算路基模量〔ERi〕相應的變化示于圖7中MFC和MFS測試局部。在MFC試驗段中，ERi值在交通測試過程中的變化范圍為60?80MPa。在MFS試驗段中，ERi值在整個交通測試中，不管是在跑道還是C/L標準化的40kNHWD變形數(shù)據(jù)，在BAKFAA中被用于反算AC和路基結(jié)構(gòu)層的模量。人工神經(jīng)網(wǎng)絡預測的模量值和那些使用BAKFAA得到的值的比擬示于圖8中的全部數(shù)據(jù)集。在一般情況下，在使用瀝青穩(wěn)定基層〔MFS〕的中等強度路基的柔性試驗段中，ANN預測的AC模量比BAKFAA得到的值高，而在使用傳統(tǒng)石料基層〔MFC〕的中等強度的路基柔性試驗段中卻恰恰相反。在路基模量的情況下，結(jié)果是分散的，并且MFS試驗段的BAKFAA反算路基模量始終要比ANN預測的模量高。這兩種方法預測彈性模量的差異可以歸因于在預測層模量時使用的不同方法〔基于彈性層方案與基于有限元〕。NAPTF的車轍研究結(jié)果說明，在一般情況下，B777跑道和B747跑道之間的平均外表車轍深度大小在整個營運過程中沒有顯著的不同〔Gopalakrishnan和Thompson2006〕。交通后的溝槽調(diào)查顯示，在MFC和MFS試驗段中，路基和路基底層都促成了路面的總車轍〔Hayhoe等人，2003〕。8、總結(jié)和結(jié)論使用基于ANN的方法，在全面交通測試時FAA’SNAPTF獲得的NDT變形數(shù)據(jù)，對反算AC和路基模量進行了研究。以往的研究成功地展示了用基于ANN的方法從160kN的HWD測試數(shù)據(jù)來反算機場柔性路面結(jié)構(gòu)層的模量，特別是針對NAPTF柔性路面局部的研究。然而，輸入屬性的限定范圍被認為是在開發(fā)ANN的培訓數(shù)據(jù)庫。在這項研究中，訓練了超過28500個的數(shù)據(jù)集的綜合數(shù)據(jù)庫，驗證了ANN模型用于路面結(jié)構(gòu)層模量的預測。考慮了非線性，應力有關的未結(jié)合顆粒層和路基土特性的ILLI-PAVE有限元合成解決方案數(shù)據(jù)庫，被用于培訓ANN。由ILLI-PAVE有限元解決方案，ANN模型成功地預測了路面結(jié)構(gòu)層模量。性能最正確的ANN模型被用來評估雙串聯(lián)波音747齒輪和雙重三叉型波音777齒輪在全面交通測試時獲得的NAPTF無損檢測數(shù)據(jù)。在交通測試過程中，我們對利用ANN預測的路面結(jié)構(gòu)層模量特性的變化進行了研究，并將結(jié)果與利用基于彈性分層方案的傳統(tǒng)反算軟件所得到的結(jié)果進行了比擬。結(jié)果說明：使用40kN的NDT測試數(shù)據(jù)進行常規(guī)的機場路面結(jié)構(gòu)評價的潛在性，只要它們能為采集可靠的數(shù)據(jù)而產(chǎn)生足夠的撓曲。因此，用原型飛機裝載的NDT力振幅評估機場路面可能不是必要的。利用基于ANN的結(jié)構(gòu)分析模型可以為路面工程師和設計師提供先進的有限元解決方案，而不需要在這個問題的輸入和輸出上具有高度的專業(yè)知識。ANN反算模型的快速預測能力，使它們有希望作為分析FWD變形數(shù)據(jù)的實時評估工具，不管是具體工程的還是網(wǎng)絡的機場路面FWD測試。致謝作者非常感謝美國聯(lián)邦航空局機場技術研究及開展部提供本文中引用的數(shù)據(jù)。P.Watts博士是卓越航空運輸中心的美國聯(lián)邦航空局的工程經(jīng)理，S.Agrawal博士是FAA機場技術研發(fā)分公司的經(jīng)理。本文的內(nèi)容反映了作者的觀點，對其中給出的數(shù)據(jù)的真實性和準確性負責。內(nèi)容并不一定反映美國聯(lián)邦航空管理局的官方意見和政策。本文不構(gòu)成標準，標準和章程。參考文獻Ahlvin,R.G.,Ulery,H.H.,Hutchinson,R.L.,andRice,J.L.,1971.多輪重型齒輪裝入路面測試.Vol.1:根本報告.密西西比:美國陸軍工程師水道實驗站，維克斯堡.技術報告no.AFWL-TR-70-113.Brown,S.F.andPappin,J.W.,1981.粒狀根底路面分析.華盛頓特區(qū):TRB,國家研究理事會,17–23.交通研究報告810810.Bush,A.J.IIIandBaladi,G.Y.,1989.路面無損檢測.和模量反算ASTM特別技術出版物(STP)1026.Ceylan,H.,2002.利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡分析和設計混凝土路面系統(tǒng).論文(博士).厄巴納-香檳分校：伊利諾伊大學.Ceylan,H.,Guclu,A.,Tutumluer,E.,andThompson,M.R.,2005.考慮非線性應力相關路基行為的反算全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)層模量.路面工程雜志,6(3),171–182.Ceylan,H.,Guclu,A.,Tutumluer,E.,Thompson,M.R.,andGomez-Ramirez,F.,2004.基于神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)模型的柔性路面與級配碎石層快速分析.見：第六次國際研討會——粉砂土路面論文集(UNBAR6),139–147.美國聯(lián)邦航空管理局(FAA),2004