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天津大学博士学位论文机场水泥混凝土道面评价系统的研究姓名：张耀华申请学位级别：博士专业：结构工程指导教师：王铁成20070601
中文摘要水泥混凝土道面是目前我国机场的主要道面类型，许多机场道面在机轮荷载和自然环境等因素的联合作用下，使用性能不断下降，道面损坏状况严重。这种现状使得道面管理的重点由新道面的建设转移到已有道面的检测、评价、预测及维修和恢复，而我国机场道面使用性能的现有研究现状难以满足道面管理的需求。．鉴于此，本文以机场水泥混凝土道面为研究对象，在系统总结和借鉴国内外水泥混凝土道面领域既有理论和方法的基础上，通过理论分析与现场调研相结合的方式，结合机场水泥混凝土道面自身的特点和研究现状，对机场道面使用性能的检测、评价、预测、养护维修对策及费用分析方法进行了研究，构建了机场混凝土道面评价的现实框架。该研究有助于机场道面主管部门全面掌握机场道面的现状和发展态势，为机场道面的合理维护和科学决策提供理论和现实依据。本文完成的主要工作可分为四部分，即机场道面使用性能的评价、预测、恢复及评价系统的研发。在机场道面使用性能的评价方面，从机场道面的外观质量、平整性能、抗滑能力和承载能力等方面研究了机场道面的使用性能，较为系统地建立了机场道面使用性能的评价体系；提出了基于改进层次分析方法和模糊理论的机场道面综合评价模型，对机场道面的使用性能从整体上进行综合评判；建立了道面劣化影响因素的灰色关联分析模型，探究使用性能劣化的主因。在机场道面使用性能的预测方面，基于充分挖掘历史数据信息内在规律的思想，分别提出了道面使用性能的灰色预测模型、灰色——马尔可夫组合预测模型及遗传一LM优化的神经网络预测模型，给出了各种模型的适用条件，并结合实例进行了分析比较。．在使用性能的恢复方面，参照国内外水泥混凝土路面养护维修的既有研究和相关标准，考虑实践中常用的养护维修技术，本文将机场道面的评价指标与养护维修对策相结合，提出了养护维修对策的选择原则和方法。在使用性能评价系统的研发方面，基于当前机场道面评价系统软件的研发不足，与当前的社会需求不协调的现状，依据相关标准和规范，进行基于GIS的机场道面评价通用软件的应用开发。．关键词：机场混凝土道面使用性能评价预测养护维修评价系统
ABSTRACTCementconcretepavementisthemaintypeofakportpavementinourCOUlltry．Serviceperformanceofmanyairportcementconcretepavementsdeterioratesgraduallyundercombinedactionsofaircraftloadsandnaturalenvironmentandpavementsareseverelydamaged．Emphasesinpavementmanagementhavechanged鼢constructionofnewly-builtpavementtomanagementofexitingpavements，suchasmeasure，assessment，predictionandrehabilitationofserviceperformance．However,thecurrentresearchonserviceperformanceisdifficulttomeetthedemandofairportpavementmanagement．Accordingtothepresentsituationofresearchonserviceperformance，airportcementconcretepavementisregardedasstudyobjects．Basedonsystemicandcomprehensivesumming·upofdomesticandabroadstudyincementconcretepavements，feasibleanalysismethodsformeasure，assessment,predictionandrehabilitationofairportcementconcretepavementispresentedbymeansoftheoreticalanalysisandinvestigationonthespot．Andthenmanagementframeofairportcementconcretepavementisformulated，whichcontributestocomprehensivemasteryofcurrentsituationsandfuture删foradministrativeagencies，andtheoreticalandpracticalevidencefortherationalmaintenanceandscientificdecision．ResearchworkaccomplishedCanmainlybedividedintofourparts，namely,assessment，prediction，rehabilitationanddevelopmentofevaluationsystemforserviceperformanceofairportcementconcretepavement．Onthepartofassessmentforserviceperformanceofairportpavement,firstly,serviceperformanceforairportpavementisstudiedincludingappearancequality,roughnessperformance，antiskidpropertyandbearingcapability,andthenevaluationsystemissystemicallyestablishedforairportcementconcretepavement．Secondly,basedonimprovedanalytichierarchyprocessandfuzzytheory,asyntheticevaluationmodelonairportpavementispresented，toevaluatetheserviceperformanceasawhole．Thirdly,greyrelationanalysisisintroducedtostudytheprimaryandsecondaryfactorswhichresultinthedeteriorationofserviceperformanceofairportcementconcretepavement．Onthepartofpredictionforserviceperformanceofairportpavement,basedontheideathatintrinsiclawhiddeninhistorydatashouldbeminedfully,three
predictionmodelsforserviceperformanceareproposed,thatis，greymodel，grey-nlarkovcombinatorialmodel，andimprovedneuralnetworkmodelbygeneticandLMalgorithm．Applicableconditionsarealsogivenforeverymodel，andthecomparison0nprecisionbetweendifferentmodelsismadethroughexamples．’Onthepartofrehabilitationforserviceperformanceofairportpavementbasedonexistingresearchresultsandstandardsonrehabilitationofcementconcretepavementandmaintenancetechniquesoftenappliedinpractice，thedecisionmethodforselectionofmaintenanceactivitiesisproposed,whichmaketheevaluationindexcorrespondentwithdecisionofmaintenanceactivities．Onthepartofdevelopmentforevaluationsystemwithserviceperformance，airportpavementevaluationsystembaseOilGISisdevelopedtomanageairportcementconcretepavementmoreefficientlybymeansofVBandMapobjects，whichisgeographicinformationsystemcontr01．Keywords：Airport，CementConcretePa．、,ement，ServicePerformance．Assessment，Prediction，Maintenance，EvaluationSystem
独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：歌癯华签字日期：如曰年6月心日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解：苤鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。特授权丞鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：张耀华导师签名：签字日期：圳年6月心日i签字日期：办。7年∥月∥日，
天津大学博士学位论文第一章绪论1．1研究背景及意义第一章绪论机场与高速公路网络(包括街道和公路)一起，构成了公共基金投资的重要组成部分。同时，它们也负载着现代工业社会中一种最重要的经济活动——货物和人的运输。保持对它的投资，使其处于足够好的状态去完成它的任务，无疑是一个有价值的目标。建国以来，在我国现有机场的修建中，几乎全部采用了水泥混凝土道面，只有大约5％左右采用沥青道面，且一般为‘Ⅲ级机场。由于时间和使用的原因，中国许多机场使用年限已久，接近或已到达设计寿命，道面损坏状况严重。这种劣化过程也带来了行政机构在道面管理重点上的改变——从新道面的施工转移到已有道面的维修和恢复。但是，由于道面自身特性的极端复杂性，道面承受不断增加的重量和交通量导致的劣化加速，及大多数行政机构运转面临增加的预算限制，老化道面设施的管理成为一个非常困难的任务。现实的需求与当前机场道面管理水平的矛盾，使得人们在最近的二十年里，对道面使用性能的研究产生了持续增长的兴趣和研究动力。机场道面使用性能的研究是建立机场道面评价系统的前提和基础。进行使用性能的研究，就是为建立科学有效的机场道面评价系统服务，有针对性地对道面进行调查、测试、分析、评价和预测，实现对道面更为有效的管理；对于刚投入运营的机场，从数据连续性、管理规范化等角度，也迫切需要以明确的道面评价体系为依据，建立机场道面评价系统，对机场道面进行定期、规范的调查和评价。通过设计这些系统，为道面管理提供结构化的方法，辅助管理者做出决策，对道面在给定的使用期限内以可能的最经济的方式进行维护，使其处于正常服役状态。因此，道面评价系统最重要的功用体现在提高决策效率，具有广泛的适用性，并提供决策结果的反馈，保证在同一组织内的不同管理水平上所作决策的统一性。欧美国家从20世纪80年代开始系统研究机场道面评价技术，并陆续开发了相应的机场道面评价或管理系统(APMS)。虽然最有影响力的APMS(如MicroPAVER)已升级至4．2版，但有关道面评价指标体系、结构适应性评价和剩余寿命预估等关键技术仍未成熟；中国在道面评价体系方面的研究刚刚起步，内容比较单一，评价指标和评价模型的系统性不够。而且与高速公路管理系统相比，仅
天津大学博士学位论文第一章绪论有很少的评价系统针对机场道面【1·11。因此，基于我国机场道面使用的现状，进行水泥混凝土机场道面评价系统的研究，建立科学合理的道面评价体系及道面性能预测模型，对于提高中国机场道面的评价技术和管理水平具有重要意义。1．2研究现状道面使用性能及评价系统的研究始于20世纪70年代初期的北美，当时发达国家的公路管理部门在经历了大规模的公路建设后，面临大量的、同时出现的道面养护工作，重心也从扩展公路网和新建公路转向通过养护或改建来维护和改善现有公路网络，养护和改建工作得到了重视，基于系统分析和运筹学的道面设计系统也相应扩展为道面评价或管理系统【1’2】【1．31。70年代后期开始，一些发达国家的许多州或省相继建立和实施网级道面评价系统，较为有代表性的有：美国加利福尼亚道面评价系统，在1978年建成并实施的一个网级系统，该系统功能简单，实质上一个公路数据库；亚利桑那州道面评价系统(NOS：NetworkOptimizationSystem)是在JohnZaniewski领导下建立起来的供财政规划用的高速公路网级优化系统，这个系统最大的特点就是首次将马尔可夫决策过程引入网级道面评价系统，它所考虑的对象是整个路网，而非个别路段或项目方案，依据道面使用性能变量，把路网内道面划分为不同的路况状态，不同时期路网内处于各种状态道面的比例，定义为路网的使用性能，该管理系统的主要目标是在满足使用性能标准的基础上，确保以最低的费用实现全路网养护和改建，从而提供决策支持【1’4】；密里根州用RoadSoft道面管理系统管理全州的109529英里道路，该系统的特点是提出了道面使用性能的衰减曲线(对数方程)，并利用该方程和马尔可夫模型相结合，预测道面的使用性能，实现了养护费用的动态规划【1j】；新加坡提出了基于遗传算法的道面养护决策系统(P：AVERNET)，其养护决策子模块利用人工智能技术——遗传算法具有的全局搜索能力，在帮助道路养护工程师确定养护计划、分配有限的养护资金时，可同时考虑更多的参数进行优化，如路网参数(道路已使用年限、设计年限)、养护决策参数(道面破损评价指标限值)和资金参数(n-I得到的预算额)等【1·6】；加拿大阿尔伯达省的道面信息和需求系统(PINS)以及英国运输和道面工程研究所(TRRL：Transportationresearch&roadlaborary)的公路养护评价系统(CHART)、美国工程兵团的PAVER系统等。国内对该领域的研究开始于上世纪八十年代，最早的道面评价系统是交通部公路研究所与英国合作在辽宁营口移植的地区级道面评价系统。从1984年起陆续引进了英国的BSM道面评价系统，芬兰FPMS道面管理系统和世界银行的HDM公路投资效益分析模型。“七五"期间是我国道面评价系统研究的高潮，开
天津大学博士学位论文第一章绪论发了一系列的省市级或地区级道面评价系统，相应提出了我国普通公路网级道面系统的基本构架和一些模型。同济大学和北京、广东省公路管理局合作进行了道面评价系统的研究工作，参考美国工程兵团的PAVER系统，建立了普通沥青道面使用性能评价指标、方法和标准，确定了道面大中修对策的选择方法【1J】【1．引。交通部公路科学研究所开发的国省道干线公路沥青路面评价系统CPMS(PavementManagementSystemforChinaHighways)，为一网级道面评价系统，基于回归技术对道面进行使用性能评价、预测，并建立相应的养护决策模型【1‘9】。在此基础上，先后建立了三代路面管理系统，并在各省市推广应用，取得了良好的效果【1，卜【1-14】，其中中国国省道干线公路路面管理系统CPMS2001是我国通过长期研究完成的第三代路面管理系统，分为高速公路和一般公路两个版本，适用于沥青路面、水泥路面和砂石路面的养护管理，主要内容包括数据自动化检测、路况评价、养护需求分析、养护预算预测、养护投资效益分析、养护资金优化分配、日常养护管理等【lJ51。‘就机场道面而言，欧美国家从20世纪80年代开始系统研究机场道面评价技术，并陆续开发了相应的机场道面评价系统，到20世纪90年代初，美国、加拿大和英国等国家已经建立起较为完善的机场道面评价体系。然而，就研究规模和成果而言，无法与公路道面管理系统相比。其中，以美国工程兵团研发的PAVER系统应用最为广泛，该系统的对象既包括机场道面，也涵盖公路道面，包括三个重要方面，即道面状态评估、道面性能预测和养护维修计划等模块，最先提出了采用扣分法计算道面状态指标PCI(PavementConditionInde。其它有．x)影响的机场道面评价系统，如GIBB咨询公司开发的综合机场道面管理系统IAPMS，将道面剩余使用寿命分析引入到系统中，与PCI一起作为未来道面状况预测的基础和修复对策选择的依据；DYNATEST公司开发的机场道面信息及修复对策优化系统AIRPORTS(AirportInformationRetrievalforPavementOptimizationRehabilitationTreatmentSystem)，采用PCI调查数据、FWD测试的结构数据、道面抗滑性能数据以及道面平整度数据综合评价道面状况。国内机场在机场道面评价系统方面的研究刚刚开始，如针对浦东国际机场开发了相应的机场道面评价系统PDAIMS，以管理浦东国际机场跑道和联络道⋯611¨刀。1．3机场道面评价系统的基本组成要素道面评价系统的表现形式，往往因不同行政管理部门及他们的喜好而有所不同。然而，无论是机场道面评价系统还是高速公路评价系统，都具有一些共同的组成要素和基本特征，即资产评估目录、道面状态的评估、道面性能的预测和使
天津大学博士学位论文第一章绪论用性能的恢复等。1．3．1资产评估目录即对要管理的道面网络提供一个完整的结构化的目录清单，是评价系统首要的和最基本的功能。这可以通过把网络划分为相对小的单元(section)来完成。这些单元代表了作为维修恢复决策对象的最小网络部分。定义每一部分使其具有一致的特征，如道面结构、施工历史、功能分类(如主跑道、停机坪、滑行道等)、交通量和混合性等状况。在一些情况下，主跑道和滑行道也可被横向划分为平行的部分，以考虑交通的航道化，即交通工具通过主跑道和滑行道的横向分布为带状分布。网络目录还包括每一单元的鉴定数目和面积。最后，建议存在任何系统变化时，应对单元的状态(表面和变形响应)进行周期性的检查，以验证其一致性，以确定是否进一步进行划分。1．3．2道面状态的评估完成网络的评估目录，管理机构还需对道面不同部分进行当前状态评估。这项评估将作为决策过程中主要的输入之一，以确定维修复原(M＆R)活动的执行，因而它是任何PMS的关键部分。没有准确的输入数据，PMS的结果输出将是不可靠的。因此，建立科学有效的道面评价体系，有助于全面准确地掌握机场道面的现状，从而为机场使用管理提供科学的决策依据，为道面整修、补强和改扩建提供可靠的技术参数，以确定经济合理的技术方案，并为将来的机场道面评价和维护管理积累系统的技术、经济数据。机场管理部门在以下三种情况下应考虑对道面进行调查和评价：一是为了及时了解道面的使用情况而定期进行的调查评价，二是为了对道面进行较大规模的修复改变所进行的维修调查评价，三是为了适应改装的保障需要而进行的专项调查评价。道面状态的评估起初多侧重于结构方面的考虑，如结构的承载能力，一个或多个结构层的极限应力，应变或变形。现在人们已经认识到，道面评估也应致力于道面功能性能方面的表现，即是否能给飞行器提供安全和舒适的跑道，以及能在何种程度上完成使用上的要求，如道面表面损坏的程度、平整度、抗滑移能力和排水性能等等。道面功能性能的评价，在机场范围内，尤其是考虑主跑道的时候，是非常重要的。例如，与大多数其他的道面相反，当道面不平整时，我们无法选择减速，因为起飞和着地时必须到达飞机的一个极限速率。因此，如果跑道表面很不平整以至无法保证安全运转时，不论结构承载能力如何，它已经不足以完成任务。·虽然结构表现和功能表现是相关的，但二者间的确定性关系仍未可知。因此，
天津大学博士学位论文第一章绪论任何合理的道面评估步骤应同时考虑道面表现的这两个方面，以确保评估是有效和有用的。’1．3．3道面性能的预测在着重强调M&R活动的今天，道面工程师对于道面性能和状态的预测具有极大的关注，道面评价系统对现有道面的将来性能预测变得越来越依赖。因此，可靠的性能预测模型比以往任何时候都显得更必要。在现代道面评价系统中，道面预测模型是基本的组成单元，影响着许多关键的管理决定。在工程水平，道面预测用来设计道面，完成生命周期费用分析，选择最少费用的最佳设计或对于某特定道面设计，在考虑按年计算的新施工费用、维护费用、复原费用及用户费用的条件下进行权衡分析，决定道面维修的最佳时间和道面状态。在网络水平，它们首先用来选择最佳的M＆R策略，在短期或长期的预算最优化，决定合理的等价费用(如与预测损坏相关的着陆费用)及检测方案以监测道面劣化情况。既有的道面性能预测模型可分为两类：确定性和概率性模型：确定性模型为道面的剩余寿命，或它的损坏水平，或状态预测的某种度量，提供了单一的数值，它考虑了道面劣化随时间的发展，并将其作为一个可完整预测的过程；概率性模型预测了这些事件的分布，因而描述了将来可能存在的不同状态，将道面性能的劣化视为随机过程，认为其具有不确定性，因而不易受预测精确性的影响。1．3．4道面使用性能的恢复机场道面在飞机荷载和自然环境等因素的作用下，机场道面的使用性能将随时间降低，其衰减的程度决定了飞机能否正常运行，也决定了需要进行的养护对策的选择。道面评价系统应建立合理有效的道面养护维修对策选择原则和方法，使道面管理部门或工程技术人员能根据道面检测、评估的结果，选择正确有效的维护修复活动，确保机场道面满足使用要求。道面使用性能的恢复还与费用分析及项目排序与规划紧密相关。机场道面的费用分析即应用工程经济学原理，分析每一个项目或每一项对策方案所需的各项费用，并与其它项目或对策方案所需费用进行对比，以选择费用——效益最佳的方案，使决策具有可靠的经济分析基础，各项资源也得到最有效的利用；规划分析可帮助管理机构对权限范围内的道面区段，根据当前和将来的状态，和可支配的财政资源限制，决定应采取的维护和修复行动，也正是规划分析，使道面工程师能够建立下一阶段要实施的彳亍动计划，规划将来的维护修复投资，以维持和提高道面结构的状况，因此，灵活和强大的规划工具对于道面评价系统的整体有效
天津大学博士学位论文第一章绪论性至关重要。然而，确定大型道面网络的中长期最佳规划策略，同时考虑紧缩的财政限制，显然是一个非常复杂的问题。依据关注点的不同，道面管理包含两个不同的规划水平：工程水平和网络水平。1．4当前研究存在的问题与公路道面领域使用性能及评价系统研究相比，机场道面的相关研究更为滞后，美国工程兵团开发的PAVER系统特定管理方法几乎成为机场道面评价系统的标准模式。这种状况的出现不应是机场道面领域的特定技术造成的，更可能源于历史的原因。尽管欧美国家从20世纪80年代开始系统研究机场道面评价系统，但仍有许多关键技术尚未成熟；中国在道面评价系统方面的研究刚刚起步，评价内容比较单一，评价指标和评价模型的系统性不够。具体表现在：(1)道面评价指标体系有待统一和完善。目前，尽管机场道面评价领域存在着多种技术规范和标准，如国际民航组织(ICAo)和中国民用航空总局的技术标准及规范，美国联邦航空署(FAA)的咨询通报，交通部的相关技术规范和规程等，但不同技术规范的道面评价指标体系并不统一；总体而言，与国外的技术标准和规范相比，国内的技术标准和规范内容更为单一，系统性更差。(2)结构适应性评价技术的完善。道面机构的适应性评价就是道面结构对当前或未来航空交通荷载的适应状况。(3)尚未建立合理有效的使用性能预估模型。(4)剩余寿命预估技术的完善。(5)机场道面评价系统软件的研发现状与当前的社会需求极不协调。1．5本文研究的目的和内容根据以上对国内外机场道面使用性能及评价系统研究现状和存在的问题的分析，本文拟通过对机场道面进行现场调查和测试、理论分析和评价，同时考虑国内机场道面管理的现实状况，建立系统的、较为完善的机场道面评价系统，以反映当前机场道面领域的研究水平，更好地满足社会需求。本文所做的主要研究工作包括：1)机场道面评价指标体系的建立。包括道面承载能力的测试内容及评价，道面各项使用性能的调查和测试内容及评价，如道面损坏情况、道面平整度、抗滑性能和承载能力等，以及机场道面使用性能的综合评价方法。
天津大学博士学位论文第一章绪论2)机场道面对于当前及今后航空交通量的适应性分析与评价，如飞机改型等。3)基于机场道面结构和功能性能的预测模型，进行各种条件下道面剩余使用寿命的预估。4)道面损坏成因机理及影响因素分析。5)根据现场条件及有关设计标准和规范，提出道面修复对策。6)基于道面性能的预测，对机场道面进行规划管理，为机场管理者提供决策。7)基于机场道面评价系统研究中的成熟的理论和方法，结合我国调查检测的实际情况，进行机场道面评价系统软件的研发，以满足当前机场道面管理的需要。
天津大学博士学位论文第二章机场道面使用性能的调查与评价2．1概述第二章机场道面使用性能的调查与评价机场道面是供飞机起飞、着陆及滑跑等使用功能的露天层状结构物，现代飞机对机场道面的要求，不仅能满足飞机在地面运行的几何尺寸，更重要的是道面的使用性能必须具有足够的承载强度和满足飞机高速滑跑的通行性，即道面应有的抗滑性和平整性。因而，机场道面的使用性能指标主要体现在四个方面：道面的外观质量(损坏状况)、道面平整度、道面抗滑性(粗糙度)、道面承载强度和结构完整性。在长期的使用过程中，机场道面既承受机轮荷载，又要受到各种自然因素的作用，其使用性能将发生一定程度的衰减，因此，必须适时地对道面状况进行监测及评定，以便为科学地实施维护和改建、推测道面使用寿命和旧道面加厚层设计提供客观依据和基本资料，提高中国机场道面的评价技术和管理水平。机场管理部门在以下三种情况下应考虑对道面进行调查和评价，一是为了及时了解道面的使用情况而定期进行的调查评价，二是为了对道面进行较大规模的修复改建所进行的维修调查评价，三是为了适应改装的保障需要而进行的专项调查评价。从根本上讲，道面评价有助于全面、准确地掌握机场道面的现状，从而为机场使用管理提供科学的决策依据，为道面整修、补强和改扩建提供可靠的技术参数，以确定经济合理的技术方案，并为未来的机场道面评价和维护管理积累可靠系统的技术、经济数据。目前，我国在公路路面领域已建立起相对成熟的评价体系，先后颁布了公路水泥混凝土路面养护技术规范(聊073．1．2001)及公路沥青路面养护技术规范(JTJ073．2．2001)，并围绕评价体系的进一步完善开展了大量研究【2JH2·9】；而在机场道面评价体系方面的研究刚刚起步，内容比较单一，评价指标和评价模型的系统性不够，未形成统一的评价体系f2．10112Ⅲ】。因此，本文以水泥混凝土道面为研究对象，基于国内外现有资料和现场调研，系统研究了道面调查、测试和评价方法，总结建立了机场道面评价体系。
天津大学博士学位论文第二章机场道面使用性能的调查与评价2．2机场道面使用性能的研究现状起初，机场道面的设计步骤及随后的状态评估着重于结构方面的考虑，随着认识的不断深入，现在人们己认识到，道面评估也应考虑结构的功能性表现，即能否给飞行器提供安全和舒适的跑道，能在何种程度上完成任务等等。道面的功能表现，在机场范围内，尤其是针对主跑道时是非常重要的。例如，当道面的平整性很差，以致不满足其作为飞行器跑道的要求时，与大多数其他道面相反，飞行器将无法选择减速，因为起飞和着地时必须到达飞机的一个极限速率才能完成相应的操作。因此，如果跑道表面很不平整无法保证安全运转时，不论结构承载力如何，它已经不足以完成任务，这就要求我们必须要考虑道面的平整性，使其满足的平整度的相应要求。同时，尽管道面的结构方面的表现与功能表现是相关的，但二者之间的关系仍未可知，因此，合理的道面状态评估体系应同时包含这两方面的内容，以确保评估的全面、合理和有效。2．2．1功能性能评估．机场道面性能评估最困难的方面之一就是道面功能失效的定义。譬如，道面结构过大的应力导致材料的断裂，但仅仅开裂并不意味着道面表面的失效，因为飞行器还能穿过一定损坏的道面。在高速公路道面管理中，道面失效往往根据道面表面的功能特性进行定义，主要是粗糙度(行驶质量)，在机场道面中没有可比较的失效定义存在。在管理范畴内，主要关心的是不同类型损坏的累积影响及它们对几种功能特性的影响。～般认为，道面功能表现的合理评估步骤，应基于以下几方面的分析：粗糙度，抗滑移，外来物对飞行器的潜在破坏(FOD)12．1zlt2．13】，以及表面损坏。这些特性可通过直接测量、视觉状态调查，或二者结合起来进行评估。在大多数情况下，这些测量和调查可表达为质量指标的形式。这些指标或者是客观(基于直接量化的测量)或者是主观的(基于判断)。它们可能对应于一个、某些甚至全部的道面特征，因此可相应称它们为单一、复合或全局指标。这些指标定义了道面在某一特定时刻的劣化状态。必须指出，这些指标尚未标准化，尤其在高速公路道面管理机构中，如它们的定义，值的范围等。这首先源于不同的技术或设备经常用来测量一个给定的特性，如道面的粗糙度可用表面光度仪或响应型测量系统进行测量，值得注意的是，各种指标的存在表明了在道面的不同表面特征和功能状态之间定义关系的困难性和主观性，这些大量的指标反映了道面管理组织对这种关系的不同理解。在APMS中，70年代末由美国工程兵团发展的表现评估步骤(PAVER系统也基于此)，现在已使用极为广泛，并构成了事实上的领域标准。虽然其他方法也
天津大学博士学位论文第二章机场道面使用性能的调查与评价可能存在，但它是唯一现有出版文献可查的，并作为所有APMS的功能评估步骤基础的方法。这种方法在1980年被美国联邦航空局用于民用机场，以一个全局表面状态指标为核心，即道面状态指标PCI。PCI是道面状态的数字表示，其值介于卜100(极好状态)之间。它采用加权扣除值(可见损坏的类型、严重程度及范围的函数)与某种损坏类型数据进行结合，得到一个单一状态值。这些数据通过目测调查及一些直接测量进行收集，用来评估某些损坏类型的严重程度，如轮槽深度等。因而，它属于半客观指标。为了加速调查过程，每一部分又划分为若干样本单元，随机抽样进行评估。部分样本单元的平均PCI值将作为该部分的PCI值。PCI本质上是一个表面损坏指标，并没有详尽的表明道面的功能表现情况。然而，表面损坏对道面的功能状态具有重大的影响，因而PCI值可作为状态评估的一种手段，尽管其非一个直接测量值。自从对表面损坏进行检查，并将其作为道面结构状态的显示器，PCI就为道面区段的结构完整性评级提供了一种标准方法。事实上，这是促使发展PCI方法的一个主要目标。PAVER评估步骤着重强调了PCI和目测调查收集到的损坏数据，但是它也考虑了道面表现的其他重要方面，如粗糙度和抗滑移，并将这些特性的直接测量值并入评估步骤。虽然管理机构对这些测量进行定期的监测，以满足国际民用航空组织(ICAO)设定的标准，但在道面管理过程中往往并不将其并入。而且，这些评估过程(尤其在PAVER系统)一般结合了其他几种测量，如：(a)某区段PCI的变异性，并提供了一些基于统计的大纲，以确定这种变异性能否考虑为局部或系统变异，若系统性的则要求进一步进行区段划分，以得到更均匀同类的构件；(b)劣化率，以识别快速退化的区段；(c)损坏成因分布(与荷载、气候及其他因素相关)，以确定损坏的主因。除了以上这些，结构评估的结果也将包含在单一框架内，因而构成了一个相当广泛和完整的评估过程，为管理机构提供了反映道面网络整个状态的有效的刻画。PCI方法的优点在于，它们对单独损坏进行了大批数据的搜集、编辑，以计算整体指标。对这种信息进行保留和存取，可在需要时用于决定采取何种M&R行动。然而，PCI方法也存在一些缺点，如目测调查的反复性，源于损坏程度区分中存在的大量主观特性。国内，我国民航在过去的机场道面加盖工程中曾采用日本防卫厅八十年代的标准，主要以道面结构性损坏程度来判断道面修复的各项指标，这些结构性损坏包括道面板表面裂缝形状、长度和块数，网裂面积和块数等调查内容。而从当前发达国家，如美国和日本建立的道面评价指标来看，现在的标准已引入了道面功能性损坏参数，如道面错台、接缝损坏等，更重视道面使用功能方面的要求。
天津大学博士学位论文第二章机场道面使用性能的调查与评价2．2．2道面的结构性能评估测量道面部分的结构承载能力，是一个技术性很强的问题，在专门的文献里已有广泛的研究和评述。这项评估包含确定道面结构材料的物理性质(CaliforniaBearingRati0，弹性模量，地基反应模量等)，分析加载的影响以评估变形响应。这种分析可通过已建立的不同道面类型工程模型来完成。这些模型或基于经验关系，如CaliforniaBearingRatio(CBR)方法，或基于更准确的力学一经验方法，一般采用弹性层理论或薄板理论分析道面的加载响应。在机场道面评价方面，当前的一致性意见是首选后者。其他的基于不同材料性质理论或分析技术的力学模型，虽已提出但仍未获得广泛的接受。对道面结构的承载能力进行评估，提供了几个方面的重要信息：(1)对于给定寿命的特定道面，确定其容许荷载。同时，按照逆过程，还可依据道面的实际强度控制飞行器类型，得到与结构寿命相关的不同飞行器类型的着陆费，正如ACN／PCN概念描述的那样。12)给定时间和飞行器交通历史记录，估计道面的剩余寿命。(3)估计已有道面的强度，并最终确定考虑复原时的覆盖层要求。进行该项评估所需的数据，传统上来源于施工记录和现场及实验室的破坏性试验(取芯、切断)。然而，在越来越多的案例中，这种信息的大多数来源于非破坏性试验(NDT)方法，其中FallingWeightDeflectometer(FWD)可能是北美应用最广泛的方法。其它的非破坏性试验方法，如HeavyWeightDeflectometer(HWD)，在机场领域特别有用，因为它所产生的加载与飞行器引起的实际加载更具可比性；地面穿透雷达和红外热成像，对于道面表面下的空隙定位尤其有用。这些NDT方法，除了可保持道面不破损的优点，还比传统破坏性试验更快速和经济。反过来，它们还可使行政机构进行更广泛和频繁的道面承载能力调查，得到更好的决策依据。最后，能够完成十分复杂的道面响应分析，并几乎可直接从FWD或HWD读数的计算机程序，现已编制，易于得到，因而，道面的结构评估似乎已并不困难。然而，事实并非如此。如果数据采集和分析问题已经以某种方式解决，分析得到的结果如何解释说明并非无足轻重，需要广泛的经验和知识。倘若道面材料的真实特性与不同分析模型的假设间存在差异，偏差分析的结果必定呈现很大的变异性，因而应谨慎地进行解释说明。2．3机场道面调查与评估的区域划分原则道面不同区域的功能要求、修建历史、结构类型与厚度组合以及完好程度等
天津大学博士学位论文第二章机场道面使用性能的调查与评价方面存在差异，因此，在对机场道面进行评价时，应首先将其按使用功能划分成若干个区域(道面分区)：跑道、滑行道、停机坪和联络道等，区域划分的目的就是对功能要求相同的区域给出一个平均的评价结果；区域中的道面可能不具有相同的道面属性，如道面类型、结构组合、土基类型、修建时间、交通等级等，在各自区域内按上述道面属性进一步划分为若干区块，最后考虑区块面积的大小及评价方法等因素，以一块或若干块相邻板块作为最小的评价单元进行评定。2．4道面使用性能评价的内容及依据2．4．1机场道面调查与评价的内容道面调查评价的内容：(1)道面各项使用性能的调查、测试和评价，包括道面损坏状况调查、道面平整度、抗滑性能以及道面结构承载能力等的测试与评价。(2)道面对于机场当前和今后飞行保障对象的适应性分析与评价。(3)各种条件下道面剩余使用寿命预估。(4)道面损坏成因机理及影响因素分析。(5)根据现场条件及有关标准和规范，提出道面修复决策，’制定项目计划。2．4．2机场道面调查与评价的依据道面评价的依据：(1)机场基础数据，包括道面修建历史(从初始至今的各种维护、整修和改造)、地基类型及其工程地质条件、场区地下水位及排水条件、水文与气象(气温和降水量)、道面结构及有关设计参数、道面分区(或分块)图和断面图、飞行保障历史情况(起降架次和机型组合)、以往的道面调查评价报告、照片、试验数据及其它与道面有关的资料。(2)机场主管部门对机场的定位，预计道面继续使用的年限，预计主要保障机型、起降架次和机型组合。(3)相关技术规范和标准，如国际民航组织、FAA咨询通报、中国民用航空总局的技术标准及其它相关标准【2．19】【2．32112’41】。2．5机场道面调查测试及评价的一般方法2．5．1道面损坏情况调查与评价2⋯511遭面损坏情况调查机场水泥混凝土道面的损坏分类见表2一l。损坏状况的调查内容包括每个调查单元(分区)中道面的损坏类型、各种损坏的程度(轻微L、中等M、严重H、
天津大学博士学位论文第二章机场道面使用性能的调查与评价个别损坏不分级)、数量和密度以及主要损坏类型的发展速度。道面损坏调查采用“全部位目测法”。首先对各分区及其中的板块进行编号，并对所有损坏类型规定相应的编码和分级标准。调查时，按鉴定标准将各种损坏类型和程度分别记录在调查平面图和调查表上，调查完毕后，再进行汇总和统计分析。表2-1水泥混凝土道面损坏分类裂缝或断裂变形类接缝损坏类表面损坏类修补损坏类纵、横、斜向裂缝填缝料损坏交叉裂缝或破碎板沉陷接缝剥落起皮和龟裂收缩裂缝隆起拱起、唧泥坑洞修补损坏胀裂脱空错台补丁、开挖补块角隅断裂板动企口断裂起尘狃露石耐久性断裂和腐蚀传力杆失效2．5．1．2道面损坏情况评价道面外观质量评定是通过外观调查，对道面损坏现象进行描述和统计分析，求出道面损坏的量化值，评定道面外观质量等级。道面损坏状况的评价方法因国家而异【2·14】巾·161。(1)道面PCI评价方法【2·17】首先按照损坏类型分为14种；按损害程度一般分为轻、中、重三个等级，有些损坏类型不分等级，或者只分轻、中两个等级；以水泥混凝土道面的断板率表示损坏密度，进行划分。计算公式如下：PCI=100-∑∑哝wo(2—1)i=l』=1式中：f——道面相应的损坏类型，共刀种；．，——道面某种损坏类型的严重程度分级，共m级；D，播——道面i种损坏、．，级严重程度和损坏密度为k时的扣分值；wI，——同时出现多种破损时，i种损坏和／级严重程度对应扣分值的修正系数。具体计算步骤为：1)损坏量统计：选择同一调查单元内损坏、损坏程度相同的记录，对于水泥混凝土道面，将损坏板块数累加；2)损坏密度计算：将1)中得到的损坏板块数除以单元总块数得到损坏密度；3)折减值计算：依据损坏密度和损坏程度查阅相关损坏类型的折减值扣分曲线，得到该种损坏类型在该种损坏程度和密度下的折减值。4)按上述方法对调查单元内出现的各种损坏类型分别统计。
天津大学博士学位论文第二章机场道面使用性能的调奄与评价5)最大折减数确定：若步骤3>中仅有一条或无记录的折减值大于5．0，则转到步骤4)计算单元PCI，否则按下述步骤继续计算。6)将步骤4)得到的所有折减值按降序排列。7)按照下式计算最大允许折减数mm=1+(9／95)×(100一HDV)(2-2)式中，m——调查单元的最大允许折减数；HDV——调查单元内最大的损坏折减值。8)依据计算得到的最大允许折减数截取降序排列的折减值序列，仅考虑不大于m的折减值，获得折减总值。9)最大修正折减值确定：确定折减值大于5的记录数拧，根据玎及折减总值，通过多种损坏折减值修正曲线查得修正折减值。10)将大于5．0的最小折减值取5．0，相应力减l，根据上一步将符合条件的折减值进行累加，并根据新的折减值累加结果及玎查阅相关修正曲线，确定相应的修正折减值，如此循环至”=1，得到所有修正折减值。11)取所有折减值中的最大值作为修正折减值。12)按公式计算PCI值。通过修正，可以避免出现计算的PCI值过大的现象。实际调查时可采用抽样调查的方法，当需准确掌握道面某一区域的损坏状况时，应实施全面调查。采用抽样调查时，调查单元一般按随机抽样的原则选取，对于抽样数量可根据下式确定：一●刀=(玎×占2)“(P2／4)×(刀一1)+s2)(2—3)式中：刀——抽样的调查单元数；Ⅳ——调查单元总数；P——PCI计算允许误差，一般取5；s——标准差，根据保证概率确定。求得的PCI值按表进行等级评定。表2．2机场道面状况评价等级道面PCI≥8570～8555"-'7040"--'55≤40道面状况等级优良由差很差(2)我国民用机场水泥混凝土道面破损状况评价‘2’18】根据《民用机场水泥混凝土道面设计规范》，民用机场采用开裂率、接缝损坏比和变形状况进行水泥混凝土道面破损评价，具体标准如表2．3所示。
天津大学博士学位论文第二章机场道面使用性能的调查与评价表2．3水泥混凝土道面单项损坏评价标准指标道面区段好中差跑道5．6开裂率滑行道7．6CR(％)机坪11．1跑道1．3接缝损坏比滑行道3．2圯(％)机坪5．7跑道10变形状况滑行道10SV(皿Im)机坪10其中，开裂率C尺=(A，／S)×100％，Ac为裂缝总面积，S为道面调查区域面积；接缝比圮=《接缝损坏长度／接缝总长度)×100％。(3)机场道面外观质量评价[2．191．采用破损指数三作为评价指标，将水泥混凝土道面的损坏类型分为10类，每类按损坏程度划分为轻、中、重三个等级进行破损度评价，如表2-4所示。以板块为单位，板块的损坏状况用破损度表示，当一块板有多种损坏类型时，按其中破损度最大的～种计算。调查区段内，所有损坏板块破损度之和与总板块数之比的百分数称为该区段道面的破损指数，按下式计算：L：ydl／Nxl00％．(2-4)』—一·、式中：￡——破损指数；以—二损坏板块总数；正——第i块损坏板的破损度；Ⅳ——总板块数。表2_4道面损坏类型的破损度划分序号l2345678910道面板块损板块板角板块板间道面边角表面补丁坏类型名称碎裂断裂松动错台变形剥落裂缝补块破严重1．01．OO．9O．80．7O．50．3损中等1．O0．90．80．6O．50．5O．30．2度轻度0．90．8O．70．40．30．1O．10．1依据破损指数按表将道面外观质量划分为优、良、中、可、差五个等级。表2-5机场道面外观质量评价标准道面外观质量等级优良中可差破损指数20．0％
天津大学博士学位论文第二章机场道面使用性能的调查与评价由上表得到的道面外观质量等级的意义：优——道面结构完整性很好，只需正常维护；良——道面结构完整性很好，需正常维护或修补个别板块；中——道面外观质量一般，应进行局部维修；可——道面外观质量不好，已暴露出多种问题，需加强维修，可维持使用；差——道面外观质量恶化，已不堪使用，一般需大修或翻修。2⋯513现有评价方法分析不难看出，道面状况指数PCI评价，是通过对不同损坏类型、严重程度和范围规定不同的扣分值，按照检查单元的损坏状况累计其扣分值后，以剩余的数值表征道面的完好程度，评价道面的优劣。各种损害和轻重程度出现的范围或密度，可以调查区段内出现该种病害和轻重程度等级的混凝土板块数占该区段板块总数的百分率计算，同一块板内存在多种损坏或轻重程度时，以最显著的种类或最重的程度记入系数，道面检查单元的损坏类型往往有多种，或伴随几种严重程度，按单项扣分值累加而得到多种损坏的扣分值，则往往会超过多种损坏检查单元的评分结果，甚至会出现负值，为此需要进行多种损坏的修正。该方法同时考虑了道面的损坏类型、严重程度和范围，因而评价比较全面和准确。因此，该方法为许多国家所采纳，我国公路养护规范也采用了PCI评价方法【2．20112’2¨。然而，应用该法时必须确定不同损坏类型、严重程度和范围的“PCI扣分值”，因此，如何根据我国机场道面的特点，考虑机场道面的结构特征、荷载特征、环境特征、损坏机理和影响方式的特殊性，指定合理的单项扣分曲线，并在此基础上确定多种破坏出现时的扣分修正系数，是国内开展PCI评价的基础和关键。破损指数评价法考虑了不同破损类型及其严重程度对道面损坏的影响，评价相对较全面，同PCI指标一样，属于综合性评价指标，它反映调查区段包含各种损坏的道面总破损情况，即损坏的三方面属性(类型、轻重程度、范围)对道面影响程度的综合度量指标。同时，公路水泥混凝土养护规划20】指出，水泥混凝土路面最主要的病害是各种裂缝，其对结构承载能力和使用性能的影响最大，也对养护对策的选择影响很大，因此，根据裂缝种类和严重程度，以开裂率等指标对道面进行单项评价显得十分必要。综上所述，为了与国际接轨，同时也为了与公路养护规范统一，我国机场应在考虑飞机类型和机场道面特点的前提下，借鉴美国联邦航空局和我国公路养护规范的做法，建立相应的PCI评价标准和方法；目前而言，机场道面应综合考虑开裂率等单项指标及破损指数进行损坏状况评价。
天津大学博士学位论文第二章机场道面使用性能的调查与评价2．5．2道面平整度调查与评价道面的平整度是指道面表面相对于理想平面的偏差，它对飞机在滑行中的动力性能、行驶质量和动力荷载起着决定性的作用。2．5．2．1道面平整度测定目前，世界各国路面平整度的测定方法各异，尚未形成统一的测量标准。现有的测定方法大体分为三类【2∞】【2．23】：(1)断面类平整度测定断面类平整度测定方法又分为静态纵断面测定与动态纵断面测定，是指通过静态或动态法量测路表面的凹凸变化，沿行驶车辆的轮迹量或某一路径测量表面的高程，得到纵断面，经数学分析后采用一综合性统计量表征其平整度。其中，3m直尺法是目前我国路面平整度主要测量方法之一。(2)反应类平整度测定由于路面不平整性是引起车辆振动的主要原因，因此通过测量车辆的振动反应，如累计车轴竖向位移量来表征路面不平整度的方法就称为反应类平整度测定，相应的代表性测量设备如颠簸累计仪等。到20世纪70年代后期，美国已有一半的州使用反应类平整度测定。(3)主观评定法。当对精度要求不高时，可组织评分小组根据乘车体验或目测检查，对道面平整性能给予主观评定。测定方法的详细分类如表2-6所示。表2-6平整度测定方法分类测定方法类别研发机构测定设备水准仪测最法三米直尺法英国运输和道路研究所梁式断面仪断面类平整度测定北京及上海市政研究院连续式平整仪通用汽车公司GMR类断面仪法国路桥中心实验室APL断面仪英国运输和道路研究所颠簸累计仪BI＼AASH0CHLOE反应类平整度测定AASHOMAyS／PCA澳大利亚NAASRA主观评定法
天津大学博士学位论文第二章机场道面使用性能的调查与评价2．5．2．2道面平整度评定目前，用于机场道面平整度评价的指标较多，如国际平整度指数ⅡU【2·24卜【2。26】，直尺测定最大间隙与平均值，纵断面指数PI，功率谱密度PSD[2271，平均评分等MPR，驾驶舒适度指数RQIt2瑚】，机场道面平整度指数APRIt2·291，道面平整度指数PSll230】等。在这些评价指标中，许多机场采用IRI作为道面平整度评价的标准，如加拿大民航管理局、美国的microPaver5．0和AIRPORTS系统等。(1)以IRI作为评价指标的评价标准虽然反应类平整度测定系统测定快速而低廉，但该类系统存在在较差路段上测量值偏高，而在较好路段上测量值偏低，对于测量系统自身的依赖性较高，需要一种标准指标对其进行标定。因此，美国国家公路研究计划(NCHl冲)于1978年在“反应类平整度系统的标定和关系”的研究中提出了国际平整度IRI的概念，由美国、英国和巴西等国家组成的国际研究小组于1982年在巴西进行了国际平整度试验，完整系统地提出了IRI的计算方、法【2’311。这项指标是对反应类平整度仪进行平整度测定的模拟，它应用弹簧质量模型模拟车辆(1／4车辆)，以标准速度80km／h沿道面纵断面轨迹行驶，计算每公里距离内系统的相对竖向位移的累计值(m／km)。采用平整度测量设备如激光平整度仪测量跑道IRI值时，可每隔一标准距离进行测定，根据平整度调查区域的IRI均值作为评定标准进行评级，如表2．7所示。(2)3m直尺评价标准将3m直尺置于道面上，测量直尺与道面间的最大空隙及临板差。该法对测量人员的技术水平和测试设备要求较低，因而被许多机场所采纳，尤其在国内机场应用广泛，如表2．8~2．9所示。表2．7平整度IRI指标评定标准口．1l】UU(m／kIn)(2．02．0"--4．04．0～6．06．0～8．O>8．0道面平整度评价等级优良中差很差表2．8民用机场水泥混凝土道面3m尺评价标准口·321评级等级轻度中度重度l道面变形高低差10mm
天津大学博士学位论文第二章机场道面使用性能的调查与评价表2-9机场平整度评价标准【2·19】＼＼方法高程变3m直尺法量均方差法间隙邻板差跑道纵剖面高平均值>5mm极大值平均值>5mm极大值臼衄吣(％)(姗)(nan)(％)(玎瑚)程的均等级＼方差优10．0优：很平整；良：基本平整；中：稍不平整；可：不甲整；差：极不平整(3)飞机竖向加速度评价标准利用美国APR工程咨询公司开发的跑道平整度仿真软件APRAS(AirportPavementRoughnessAssessmentSoftware)，将测得的道面纵断面高程数据输入可计算得到不同典型飞机以不同滑行速度驶过某道面区域时，飞机驾驶舱和中心位置的竖向加速度响应，并以飞机的竖向加速度是否在±0．49范围内来评价道面的平整性能。2．5．2．3道面平整度评定分析IRI是综合了断面类与动态类平整度测定方法的优点得到的一个评价指标，它与车辆振动的动态反应、道面断面高程均相关，可通过当前广泛使用的测定仪器测量得到，如水准仪或反应类平整度测定系统(RTRRMS)。不同类型仪器的测定结果，无论是反应类还是断面类，均可经过试验建立关系曲线，统一换算为国际平整度指数IRI。因此，IRI已成为目前国际上运用最广泛的平整度指标，大部分欧洲国家均采用该指标进行平整度验收，许多机场或有影响力的机场评价系统如加拿大民航管理局、美国的microPaver5．0和AIRPORTS系统也采用了该指标。就检测设备的发展来看，非接触性断面仪将成为主要的道面平整度检测仪器，而3m直尺法在国内机场道面平整度评价中仍应用广泛，且已有相对成熟的
天津大学博士学位论文第二章机场道面使用性能的调查与评价标准，在当前平整度评价中仍将发挥重要作用；国际平整度指标IRI在我国机场道面平整度评定中尚未形成统一的标准，根据我国实际检测设备，通过试验数据建立与lRI关系曲线【2·24][2∞112．341，是今后平整度评价的研究和发展方向；其它方法如APRI指标、PSI指标、飞机竖向加速度指标等评价标准，其在实际评价中的可行性与适用性仍待进一步研究。2．5．3道面抗滑性能调查与评价道面抗滑能力是道面安全性能的表征，飞机起飞和着陆的安全性在很大程度上取决于跑道的表面特性，因此，对机场道面抗滑性能的检测频率远比公路道面高得多口351。影响抗滑性能的因素有道面的表面特性、路面潮湿程度和行车速度。2．5．3．1道面抗滑性能调查目前，用于抗滑性能检测的设备主要分为两种，一种用于检测道面摩擦系数，另～种检测道面表面构造深度。摩擦系数检测设备分为定点式和连续式摩擦系数测试仪，定点式摩擦系数测试仪的典型代表是英国的摆式摩擦系数仪BPT，连续式测试仪(CFME)分为四种基本类型：锁定轮型(LockedWheelTester)、侧向力型(SideForceMeasurement)、固定滑移率型(FixedSIipDevice)、可变滑移率型(VariableS1ipDevice)。路面粗构造测试设备分为断面类(TextureDevice)、体积法(Volumetric)和流出仪(Outflow)三类。国外在50年代就开始抗滑性能研究，60年代研制出相应量测仪器，并建立起相应的测试方法和标准。国际上检测手段比较发达的国家有瑞典、美国等，我国目前采用的主要手段仍为摆式摩擦仪【2．191，该法是在摆式仪底面装一橡胶滑块，当摆锤从一定高度自由下摆，滑块面与试验表面接触，由于二者的摩擦而损耗部分能量，使摆锤只能回到一定高度，进而计算道面的摩擦系数；构造深度测试则常采用手工铺砂法。民用机场引进了瑞典的MV-METER摩擦系数仪【2-361。2．5．3．2道面抗滑性能评价对应于不同的测试设备和方法，抗滑性能的评价指标有摩擦系数厂，摩擦摆值BPN，构造深度TD，横向力系数SFC等。考虑世界各国由于检测设备及方法的不同，导致抗滑性能评价指标和评价标准各异，给各国问抗滑性能领域的研究、评价和交流造成了很大障碍，世界道路协会(PIARC)于1995年提出以国际摩
天津大学博士学位论文第二章机场道面使用性能的调查与评价阻指数IFI(InternationalFrictionIndex)评价道面的抗滑性能，并很快为许多国家所接受，但在我国仍未得到应用‘2·371。对应于我国抗滑性能测试的设备和方法，相应的评价指标和标准如表2．10"-2．12所示。表2．10机场道面构造深度评定标准皿19j用填砂法测定的平均纹理深度(nan)评定意见(道面有道面粗糙度分类特、I级机场Ⅱ、Ⅲ级机场水膜状态下)制动困难，宜采取纹理很细≤0．25≤O．20措施制动有困难，易产细纹理0．26～O．490．2l"--0．39生滑溜中等纹理O．50～O．800．40～0．65能正常制动粗纹理O．81～1．200．66～1．10制动作用好表2—1l机场道面摩擦系数评定标准【2．19】摆式摩擦仪测定道面有水膜防滑性能分级评定意见状态下的摩擦系数良≥0．61制动作用好由0．5l～0．60能正常制动可0．45～0．50制动有困难差≤O．44制动困难表2．12摆值或横向力系数测定评定标型2‘11】SFC≥0．50．4～O．50．3～O．40．2～O．3：m，维行向量；一日一一依工程经验或实测结果确定的，行以列修正矩阵，表示处于某种状态的道面采取某种适宜措施后，将会上升到哪种状态。按下式便可对概率预估模型进行如下修正：—L丑，)=P(o)xp’+∑q)xp卜卜1(3—19)k=l3．5．3既有模型分析及发展方向【32】无论采用哪种方法建立的使用性能预估模型，都有其待定的局限性。这主要是因为，建模的数据基础总是有限的，需要进一步的积累；对模型所要反映的使用性能变化的物理性质的认识和经验积累又总是处于一定的历史阶段，需要不断深化。合理有效的预估模型的建立，应首先了解各类模型的特点和适用范围。．力学模型和力学——经验模型有较为成熟的理论基础，能够不同程度地反映使用性能变化的实质，因而具有较好的外推性能，预估精度高，很适宜于项目级管理。经验(回归)模型寻求的是对现有数据的最佳拟合。对于一组数据样本，可以采用多种形式回归，然而却没有充分的理由说明相关系数大的模型就一定比相关系数小的模型好，同样也没有充分理由说明目前广泛接受或较为熟悉的模型就一定能够保证确切地描述使用性能的变化规律。作为基本原则，模型形式的选择，应首先根据它是否能够满足边界条件或反映控制道面性能变化的物理实质。如果有几种形式模型都能满足这些条件。此时才能依靠统计分析选择最佳拟合现有数据的那种模型。此外，建立经验模型时，由于建模人员没有或很少有实际经验，所建模型容易出现一些偏差或错误。如模型中有些变量对使用性能预估值的影响程度远远超出它们的实际上所起的作用；有些变量(如时间和交通等)本是相关的，但却常当作独立变量并存于模型中。此外，经验模型难以准确反映使用性能随时问的变化，除非能有较长时期内大
天津大学博士学位论文第三章机场道面使用性能的预测分析量数据的积累以充分反映使用性能随时问的变化(如结构层模量随季节变化)。由此可见，经验模型除非能够满足所有物理和数学的边界条件和广泛的数据基础，否则不能保证进行可靠的预估，通常适用于精度要求不高的网级管理系统。无论是项目级还是网级，其使用性能预估模型都是管理活动中技术分析和经济分析不可缺少的内容。力学和统计学是建立使用性能预估的两个支柱；长期而广泛的数据的积累则是建模的基础。基于长远的观点，力学和力学——经验模型因其所需标定数据不多和较好的外推性能，将是用于项目级管理活动中费用——效果最佳的预估模型；而概率型模型则是网级管理系统发展的主流。应指出，使用性能模型的发展是一项长期的任务，随着路况信息的不断积累和对道面使用性能变化规律认识的不断深化，使用性能模型将会逐渐得到改进。灰色理论【3·19】和人工智能技术【3瑚1的不断发展，为建立更为科学有效的使用性能预测模型提供了新的理论基础和现实可能。这些人工智能方法不需要精确的数学模型，具有较强的数据处理能力和可靠的精确度，因此，本文考虑我国机场道面地域分布及数据采集的现状，对灰色理论及人工智能技术在机场水泥混凝土道面性能预测中的应用进行了分析，并给出了建模的途径。3．6机场道面使用性能预测模型的建立通过第二章及本章的分析，结合我国机场当前的现实状况和研究水平，可以看出我国机场水泥混凝土道面使用性能预测建模具有以下特点：(1)就机场道面评价体系而言，我国机场道面的使用性能主要包括破损状况、平整性能、抗滑性能及承载强度四个方面，因此，机场道面使用性能预测建模应围绕表征上述使用性能的指标进行，以与我国现有的评价体系相适应。(2)就地域特征而言，我国幅员辽阔，各地在自然条件、经济条件和交通条件等各方面均存在差异，而道面结构的使用性能易受自然环境和飞机荷载的影响。(3)就研究水平而言，路面结构使用性能的预测在国内外开展的时间都比较短，由于问题自身的特性和研究的不充分，尚未提出统一成熟的模型形式，且多为经验型预测模型和力学——经验型预测模型。国内已建立的道面预测模型往往针对公路路面，且多为经验统计模型，建立的力学——经验模型也往往是基于国外模型的修正，机场水泥混凝土道面使用性能预测的研究很少。(4)就数据采集状况而言，众所周知，无论是确定型模型还是概率型模型，其
天津大学博士学位论文第三章机场道面使用性能的预测分析可靠性都依赖于有关资料和数据的齐备和准确，采集和积累与道面使用性能相关的各种数据，是建立可靠预估模型的必备步骤。而在调研中发现，由于种种原因，我国机场道面的数据采集和积累工作极不充分，表现为机场道面的相关检测数据非常缺乏，积累的道面使用性能信息很少且不系统，缺乏连续性。数据采集与积累的不充分已成为机场道面研究中存在的突出问题和严重障碍。因此，如何充分利用各地已有的历史数据及当前检测数据信息，并合理选择适合当前研究现状的建模方法，是进行机场水泥混凝土道面使用性能预测建模的关键。基于以上分析及考虑，本文分别建立了机场水泥混凝土道面的经验回归、灰色理论、遗传一LM优化的神经网络及灰色一马尔可夫组合预测模型，并通过算例验证了可行性和有效性。3．6．1经验回归方法对使用性能进行回归分析时，需首先确定回归模型的形式。目前，‘机场道面尚未建立统一的使用性能预测回归表达式。鉴于在道面建模中直线关系、负指数关系及S形曲线关系较为常用，因此本文建议可尝试建立相应形式的回归模型，并进行相模型检验，以保证模型的有效性。就目前研究的现状而言，仍未有充分的证据表明机场道面使用性能的变化一般符合何种函数形式，因此在应用回归方法建模时只能假设函数形式并反复试算。．3．6．2灰色理论由以上分析可知，影响道面使用性能变化的因素，如荷载、环境、材料性能和养护水平等都具有不同程度的不确定性。而这种不确定性包括三方面的内容，即随机不确定性、认知不确定性和“信息缺乏’’引起的不确定性，相应的不确定性研究方法分别为概率统计、模糊数学和灰色理论。概率统计属于大样本不确定性，描述随机不确定性现象，着重考察随机不确定性现象的历史统计规律，其出发点是针对大样本，要求对象服从某种典型分布；模糊数学用于解决认知不确定性问题，即研究对象内涵明确，而外延不明确，需凭经验借助于隶属函数进行处理；灰色理论针对小样本、贫信息不确定性问题，充分利用已有最小信息探索事物运动的现实规律，属于少数据建模。通过在绥中机场和山海关机场及机场相关设计局的调研中发现，机场道面的相关检测数据非常缺乏，积累的道面使用性能信息很少且不系统，缺乏连续性。而道面又受到交通量、环境、监测设备和方法等众多因素的影响，具有明显的灰
天津大学博士学位论文第三章机场道面使用性能的预测分析色系统的特征。对这些复杂灰色数据的分析，难以使用常规的概率统计方法，而灰色理论可用来解决“部分信息已知"“部分信息未知”，“小样本”“贫信息”的不确定性系统，充分挖掘已有数据信息，反映事物运动的现实规律。3．6．2．1机场道面使用性能预测的灰色建模思路建立模型是系统分析的核心内容，一般统计模型建模往往需要大量的观测数据，但在实际中许多数据难以满足统计模型的建模要求，甚至数据本身就极为缺乏，缺少必要的数据采集和积累。目前，对于机场道面使用性能预测系统而言，即使道面使用性能的历史数据已知，影响路面性能的交通因素、气候凶素、工程因素数据也往往难以令人满意的获得，而这种“部分信息已知，部分信息未知”的“小样本"、“贫信息”不确定性系统，符合灰色系统的特征，正是灰色系统理论的研究对象，它通过对“部分”已知信息的生成、开发去了解、认识现实世界，实现对系统运行行为和演化规律的正确把握和描述。如灰色系统理论的核心模型GM(1，1)仅用4个数据就可以估计出模型参数，且具有一定的模拟精度。实践证明，灰色系统预测方法特别适用于历史数据较少且明显具有上升或下降趋势的数据的分析预测。因此，本文基于机场道面数据采集和积累的现状，分析机场道面使用性能预测的灰色建模方法。灰色系统预测建模的基本思想为：直接将时间序列转化为微分方程，从而建立抽象系统的发展变化动态模型，即灰色动态模型(GreyDynamicModel)。建立的GM(h，刀)模型，是微分方程的时间连续函数模型，括号中的h表示微分方程的阶数，刀表示变量的个数，即；竽M岛婴⋯q耐1，=6lx}，+62墨1)+⋯也J?(3．2。)则微分方程的系数向量aoa=[al，02，．．．，a瑚b，，b2，⋯，b，。]7(3-21)可用最d'-乘法求解：^a=r(刎历7(彻]-l(㈣'Yn(3-22)式中，(舢)为A，阜组成的分块矩阵。常用GM模型为GM(h，1)模型，即只有一个变量的GM模型。由于h越大，计算越复杂，且精度也未必高，因而办一般在3阶以下，最常用的h-'1，其计算简便、适用面广。因此，本文主要分析机场道面使用性能的GMO，1)预测建模及其修正方法。3．6．2．2机场道面使用性能预测的灰色建模步骤1G心l，1)模型的建立GM(1，1)模型是一阶单变量的灰色预测模型，是用于单时I’日J序列预测的微分．49．．
天津大学博士学位论文第三章机场道面使用性能的预测分析方差模型，微分方程—dX—(1)+aX(1'：“dt建模过程为：设已知使用性能数据数列为X‘o’=(x‘。’(1)，z‘o’(2)，⋯，x‘o’∽))，a=【口，“】。，(3-23)系数向量(1)数据处理，对X(o’进行一次累加生成，得到新的数据序列X(1)：X‘1’=(z‘1’(1)，x‘1’(2)，⋯，XO)(力))(3-24)f其中，X0)(f)=∑工‘o’(肌)，i=l，2，⋯，m(2)构造累加赫B和向量砌B=．【X‘1’(1)+X‘1’(2)】／2一【X‘1’(2)+X‘1’(3)】／2一【X‘1’(疗一1)+X‘1’(以)】／2(3·25)Yn=【x：o’(2)，x：o’(3)，⋯，xfo’仰)】7’(3—26)(3)用最d'-乘法求解系数a：口=(B7’B)一BYn(3-27)(4)将上式代入微分方程的解，得到时间函数土∞o+1)：(x(一’(o)一兰弦吲+兰(3．28)XO+1)=(X‘1’(0)一兰弦吲+兰(3-28)口若令X‘1’(0)=X‘o’(1)，则土o’(f+1)：(x(。’(1)一一U)P吲+兰(3．29)x(f+1)=(X‘o’(1)一一)P吲+兰(3-29)口a(5)进行累计数列还原变换，即一(0)一(1)XO)=Xp+1)-X(t)(3·30)2模型预测精度检验对通过上述预测模型得到的预测结果，需要进行残差检验、关联度检验和后验差检验，检验的主要指标包括相对误差Q(o’(f)、灰色绝对关联度善、方差LLC和小误差概率P等。(1)残差检验分别计算原始数据x(o’(，)与预测数据戈(t)的绝对误差占‘o’(r)和相对误差Q(o’(f)，如果相对误差最大不超过2％，则可认为模型预测精度较高。一(O)占‘o’(，)=x(o’(f)一工(r)t=1,2，⋯，刀(3-31)Q‘o’(f)=【占‘o’(f)／x‘o’(f)】×100％t=1,2，⋯，刀(3-32)
天津大学博士学位论文第三章机场道面使用性能的预测分析(2)关联度检验定义灰色绝对关联度孝如下：善=^1+abs(s)+abs(s)(3-33)l+abs(s)+abs(s)+abs(s-s)其中，abs(s)=口加(∑【工‘o’(f)一x‘∞(1)】+o．5【z‘o’(f)一x‘∞0)9一盟一(o)一(o)一
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