CN117268915A - 基于接缝宽度监测的刚性道面接缝性能评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于接缝宽度监测的刚性道面接缝性能评价方法，该方法包括：建立道面的精细化有限元模型，通过所述道面的精细化有限元模型对道面进行多工况仿真，计算不同温度梯度、弯沉比传递系数工况下相邻两块板的接缝宽度，建立道面板温度梯度、弯沉比传递系数、接缝宽度变化量建立三者之间的显示关系式；将接缝宽度传感器采集的接缝宽度以及温度传感器采集获得的道面板温度梯度代入显示关系式中，计算得到弯沉比传递系数，依据规范得到道面接缝性能等级，实现实时在线对接缝性能的评价。
Description
技术领域
本发明涉及道面接缝的性能评价，具体地指一种基于接缝宽度监测的刚性道面接缝性能评价方法，属于机场工程领域。
背景技术
我国超过95％的机场跑道采用刚性道面，接缝是刚性道面最薄弱的部分。飞机荷载和外部环境综合作用下，接缝性能逐渐下降，导致传荷能力降低，在接缝处出现较大的应力集中。这将引发接缝破损、角隅断裂等病害，产生道面碎屑，形成FOD(跑道外来物)，严重威胁飞机滑跑安全。当前，机场主要通过人工巡检发现并修复破损接缝，这属于事后反馈，无法避免FOD的出现。因此，及时评价接缝性能，预判接缝破损的形成，以进行预防性养护对跑道运行安全保障具有重要意义。
通过车载高清摄像仪获取道面信息，结合图像识别技术可快速辨识破损接缝。该方法相比传统人工巡检有较大提升，但仍属于事后反馈，无法从根本上避免FOD的产生。
《民用机场道面评价管理技术规范》中采用HWD(重型落锤式弯沉仪)进行板边中点跨缝测量，得到接缝的弯沉比传递系数，以评价接缝性能，可提前预判接缝破损。但该方法属于人工检测，频次低、对跑道运行干扰大，已不适用于日益繁忙的机场跑道。
通过埋设于横缝两侧道面板的加速度计获取飞机轮胎驶过时相邻两块板的加速度信号，通过二次积分得到弯沉，计算弯沉比传递系数，可实现接缝性能在线评估。但该方法仅针对道面横缝，且依赖于飞机荷载作用，无法评价纵缝以及道面轮迹带以外横缝的性能。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术采用的技术方案是一种基于接缝宽度监测的刚性道面接缝性能评价方法，该方法通过建立道面的精细化有限元模型得到包含道面板温度梯度、弯沉比传递系数、接缝宽度变化量的数据库，然后拟合得到三者之间的显示关系式，最后根据显示关系式以及传感器采集的接缝宽度和道面板温度梯度计算出接缝的弯沉比传递系数，从而实现对道面接缝性能的评价。
实现本发明目的采用的技术方案是一种基于接缝宽度监测的刚性道面接缝性能评价方法，该方法包括：
建立道面的精细化有限元模型，通过所述道面的精细化有限元模型对道面进行多工况仿真，计算不同温度梯度、弯沉比传递系数工况下相邻两块板的接缝宽度，得到包含道面板温度梯度、弯沉比传递系数、接缝宽度变化量的数据库；
根据所述数据库建立道面板温度梯度、弯沉比传递系数、接缝宽度变化量建立三者之间的显示关系式；
将接缝宽度传感器采集的接缝宽度以及温度传感器采集获得的道面板温度梯度代入所述显示关系式中，计算得到弯沉比传递系数，依据规范得到道面接缝性能等级，实现接缝性能的评价。
在上述技术方案中，在ABAQUS中建立道面细化有限元模型，具体包括：设置结构为Winkler地基上的双层板；确定模型尺寸为横向3块板、纵向3块板；选取C3D8I单元作为道面板和基层的计算单元类型，厚度方向的地基选用ABAQUS接触功能模块中的弹性地基Elastic Foundation进行模拟；采用弹簧单元模拟接缝的传荷作用，并按照刚度分配的贡献面积法进行接缝刚度分配；选取温度梯度区间为-40℃/m-40℃/m，步长为5℃/m，模拟实际情况下可能出现的正温度梯度和负温度梯度；选取弯沉比传递系数区间为0-100％，步长为10％，计算出对应的接缝刚度，模拟接缝传荷能力从0到100％。
在上述技术方案中，所述显示关系式通过以下步骤建立：
依据多工况仿真形成的数据库，以温度梯度、接缝宽度变化量为横坐标，以弯沉比传递系数为纵坐标，绘制散点图；通过对散点图的分析选择潜在的拟合模型，进而利用已有数据对每个模型进行拟合，并计算拟合优度指标，筛选出具有较高拟合优度的模型；对筛选出的模型基于误差最小原则，拟合得到弯沉比传递系数LTEδ与道面板温度梯度T、接缝宽度变化量Δb的显式关系式：
LTEδ＝f(Δb,T)
在上述技术方案中，对筛选出具有较高拟合优度的模型通过交叉验证、赤池信息量准则AIC和贝叶斯信息准则BIC对筛选出的模型进行评估，去除过拟合的模型，获得拟合优度高、模型复杂度低的最优模型；将所述最优模型拟合得到弯沉比传递系数LTEδ与道面板温度梯度T、接缝宽度变化量Δb的显式关系式。
在上述技术方案中，通过对散点图的分析选择潜在的拟合模型包括线性模型、对数模型、多项式模型和幂函数模型。
本发明具有以下优点：
1、实时在线评价：接缝宽度和温度传感器的感知数据传输至服务器，依据弯沉比传递系数与道面板温度梯度、接缝宽度变化量的关系式，在线计算接缝弯沉比传递系数，根据规范，实时评价接缝性能等级。
2、提前预警接缝破损，避免产生FOD：通过接缝性能等级的评价，掌握接缝状况，对性能等级低的接缝进行风险预警并实施预防性养护，可避免FOD的产生。
3、适用范围广：适用于刚性道面全域的横缝和纵缝，不依赖于飞机荷载作用。
附图说明
图1为本发明基于接缝宽度监测的刚性道面接缝性能评价方法的流程示意图。
图2为接缝宽度传感器和温度传感器平面布设图。
图3为接缝宽度传感器和温度传感器竖向布设图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明基于接缝宽度监测的刚性道面接缝性能评价方法包括：
S1、接缝宽度传感器和温度传感器布设。
如图2所示，接缝宽度传感器精度1mm，量程0-10cm；平面上布设在道面接缝内，两端分别嵌入相邻板，与接缝方向垂直；由于板边中点和板角处的受力、变形状况不同，故平面上以1.5m的间距并排布设3个，分别位于板边中点和两端；竖向上布设在距离道面表面4cm的位置，以避免飞机荷载损坏传感器并更准确、灵敏地感知接缝宽度。
温度传感器精度0.1℃，量程-50-120℃；考虑到温度在单块板的平面方向上基本不变，平面上仅在板中布设1个；竖向上为分别监测板顶、板底的温度情况以获取温度梯度，分别在距离道面表面和道面底部4cm的位置布设1个，如图3所示。缝性能劣化是飞机荷载、外部环境长期作用的结果，过高的数据采集频率并无必要，容易产生庞大的数据量，降低数据分析、存储效率，而过低的采集频率可能遗漏有效信息，无法及时捕捉、预警接缝性能的劣化。综合考虑后，拟定传感器数据采集频率1次/0.5h。
S2、多工况仿真。
首先，在ABAQUS中建立跑道的精细化有限元模型：考虑基层的承载作用，跑道结构为Winkler地基上的双层板；确定模型尺寸为横向3块板、纵向3块板，以更好地模拟接缝传荷作用；综合考虑计算精度和计算代价，选取C3D8I单元作为道面板和基层的计算单元类型，厚度方向的地基选用ABAQUS接触功能模块中的弹性地基Elastic Foundation进行模拟；采用弹簧单元模拟接缝的传荷作用，并按照刚度分配的贡献面积法进行接缝刚度分配，可较好的模拟接缝力学行为。进而，选取温度梯度区间为-40℃/m-40℃/m，步长为5℃/m，模拟实际情况下可能出现的正温度梯度和负温度梯度；选取弯沉比传递系数区间为0-100％，步长为10％，计算出对应的接缝刚度，模拟接缝传荷能力从0到100％。最后，采用上述有限元模型，进行多工况仿真，即计算不同温度梯度、弯沉比传递系数工况下相邻两块板的接缝宽度，得到包含温度梯度、弯沉比传递系数、接缝宽度变化量的数据库。
S3、显式关系式建立。
首先，依据多工况仿真形成的数据库，以温度梯度、接缝宽度变化量为横坐标，以弯沉比传递系数为纵坐标，绘制散点图；通过对散点图的分析选择潜在的拟合模型，包括线性模型、对数模型、多项式模型和幂函数模型等。进而，利用已有数据对每个模型进行拟合，并计算拟合优度指标如决定系数R2，筛选出具有较高拟合优度的模型。在此基础上，通过交叉验证、赤池信息量准则AIC、贝叶斯信息准则BIC等方法，对筛选出的模型进行评估，去除过拟合的模型，获得拟合优度高、模型复杂度低的最优模型。最后，采用比选后的最优模型，基于误差最小原则，拟合得到弯沉比传递系数LTEδ与道面板温度梯度T、接缝宽度变化量Δb的显式关系式：
LTEδ＝f(Δb,T)
S4、接缝性能评价。
将缝宽度传感器和温度传感器实时监测获取的接缝宽度和道面板温度梯度代入S3中建立的显式关系式即可实时计算接缝的弯沉比传递系数，依据《民用机场道面评价管理技术规范》(MH/T5024-2019)得到接缝性能等级，实现接缝性能的实时在线评价。
Claims (7)
1.一种基于接缝宽度监测的刚性道面接缝性能评价方法，其特征在于，包括：
建立道面的精细化有限元模型，通过所述道面的精细化有限元模型对道面进行多工况仿真，计算不同温度梯度、弯沉比传递系数工况下相邻两块板的接缝宽度，得到包含道面板温度梯度、弯沉比传递系数、接缝宽度变化量的数据库；
根据所述数据库建立道面板温度梯度、弯沉比传递系数、接缝宽度变化量建立三者之间的显示关系式；
将接缝宽度传感器采集的接缝宽度以及温度传感器采集获得的道面板温度梯度代入所述显示关系式中，计算得到弯沉比传递系数，依据规范得到道面接缝性能等级，实现接缝性能的评价。
2.根据权利要求1所述基于接缝宽度监测的刚性道面接缝性能评价方法，其特征在于：在ABAQUS中建立道面细化有限元模型，具体包括：设置结构为Winkler地基上的双层板；确定模型尺寸为横向3块板、纵向3块板；选取C3D8I单元作为道面板和基层的计算单元类型，厚度方向的地基选用ABAQUS接触功能模块中的弹性地基Elastic Foundation进行模拟；采用弹簧单元模拟接缝的传荷作用，并按照刚度分配的贡献面积法进行接缝刚度分配；选取温度梯度区间为-40℃/m-40℃/m，步长为5℃/m，模拟实际情况下可能出现的正温度梯度和负温度梯度；选取弯沉比传递系数区间为0-100％，步长为10％，计算出对应的接缝刚度，模拟接缝传荷能力从0到100％。
3.根据权利要求1所述基于接缝宽度监测的刚性道面接缝性能评价方法，其特征在于，所述显示关系式通过以下步骤建立：
依据多工况仿真形成的数据库，以温度梯度、接缝宽度变化量为横坐标，以弯沉比传递系数为纵坐标，绘制散点图；通过对散点图的分析选择潜在的拟合模型，进而利用已有数据对每个模型进行拟合，并计算拟合优度指标，筛选出具有较高拟合优度的模型；对筛选出的模型基于误差最小原则，拟合得到弯沉比传递系数LTEδ与道面板温度梯度T、接缝宽度变化量Δb的显式关系式：
LTEδ＝f(Δb,T)。
4.根据权利要求3所述基于接缝宽度监测的刚性道面接缝性能评价方法，其特征在于：对筛选出具有较高拟合优度的模型通过交叉验证、赤池信息量准则AIC和贝叶斯信息准则BIC对筛选出的模型进行评估，去除过拟合的模型，获得拟合优度高、模型复杂度低的最优模型；将所述最优模型拟合得到弯沉比传递系数LTEδ与道面板温度梯度T、接缝宽度变化量Δb的显式关系式。
5.根据权利要求3或4所述基于接缝宽度监测的刚性道面接缝性能评价方法，其特征在于：通过对散点图的分析选择潜在的拟合模型包括线性模型、对数模型、多项式模型和幂函数模型。
6.根据权利要求1所述基于接缝宽度监测的刚性道面接缝性能评价方法，其特征在于：所述接缝宽度传感器精度1mm，量程0-10cm；平面上布设在道面接缝内，两端分别嵌入相邻板，与接缝方向垂直；平面上以1.5m的间距并排布设3个，分别位于板边中点和两端；竖向上布设在距离道面表面4cm的位置；所述温度传感器精度0.1℃，量程-50-120℃，平面上仅在板中布设1个，竖向上为分别监测板顶、板底的温度情况以获取温度梯度，分别在距离道面表面和道面底部4cm的位置布设1个。
7.根据权利要求6所述基于接缝宽度监测的刚性道面接缝性能评价方法，其特征在于：所述接缝宽度传感器和温度传感器的数据采集频率1次/0.5h。
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| 边际: "基于混合交通分析的机场柔性基层沥青道面轮辙控制研究", 中国优秀硕士论文电子期刊 工程科技II辑, 15 August 2008 (2008-08-15) * |
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| Publication number | Publication date |
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| CN117268915B (zh) | 2024-05-03 |
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