机场复合道面剩余寿命预估方法

周正峰; 凌建明; 袁捷

机场复合道面剩余寿命预估方法

同济大学道路与交通工程教育部重点实验室上海 200092

基金项目:

高等学校博士学科点专项科研基金项目 20050247009

详细信息

作者简介:
周正峰(1981-), 男, 湖北荆州人, 同济大学工学博士研究生, 从事机场工程研究

凌建明(1966-), 男, 浙江湖州人, 同济大学教授, 工学博士

中图分类号: U416.224
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2007-04-12
- 刊出日期: 2007-12-25

Prediction methods of remaining life for composite pavement of airport

Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China

More Information

Author Bio:
Zhou Zheng-feng(1981-), male, doctoral student of engineering, +86-21-69589838, zhouzf126@126.com

Ling Jian-ming(1966-), male, EngD, professor, +86-21-69583005, jmling01@yahoo.com.cn

Article Text (Baidu Translation)

摘要

摘要: 分别运用美国联邦航空局(FAA)基于弹性层状体系理论的道面设计方法(LEDFAA)、中国民用机场水泥混凝土道面设计方法(APDMC)与PCI衰变模型, 建立了复合道面剩余寿命的预估方法, 比较了3种方法的预估结果及其适用性。计算结果表明: 3种预估方法确定的剩余寿命较为接近, 最大偏差为3.2 a, 最小偏差仅为0.1 a, 引起偏差的原因在于不同预估模型采用的控制指标不同。基于LEDFAA设计方法的预估结果对土基模量很敏感, 基于APDMC设计方法的预估结果对混凝土的弯拉强度非常敏感, 而PCI能够全面地反映道面的使用性能, 因此, 在有足够历史数据的条件下, 采用PCI衰变模型预估道面的剩余寿命。
- 机场工程 /
- 复合道面 /
- 剩余寿命 /
- 预估方法 /
- 道面状况指数
Abstract: Based on elastic layer system theory design method of Federal Aviation Administration(LEDFAA), airport pavement design method of China(APDMC) and pavement condition index(PCI) regression model, three prediction methods of remaining life for composite pavement of airport were established, the prediction results and applicabilities of three methods were compared.Analysis result indicates that the remaining lives calculated by three methods are approximate, the maximum deviation is 3.2 a, the minimum deviation is 0.1 a, and the deviation is mainly induced by different control indices of three models.Remaining life is most sensitive to subgrade modulus and concrete flexural-tensile strength for the methods based on LEDFAA and APDMC respectively, PCI regression model is recommended on the condition of having sufficient historical data of pavement performance.
- airport engineering /
- composite pavement /
- remaining life /
- prediction method /
- pavement condition index

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0. 引言

机场道面剩余寿命预估是道面使用性能评价的重要内容之一^[1-2], 国内外许多学者在这一方面进行了研究, 并建立了一些道面剩余寿命预估的模型和方法^[3-7], 但这些模型和方法基本上是针对采用单一面层材料的水泥混凝土道面或沥青混凝土道面, 尚未涉及复合道面剩余寿命的预估。为了完善机场道面剩余寿命预估方法, 为“白+黑”复合道面制定维护与改造时间提供技术依据, 本文从结构性和功能性两方面, 运用美国FAA道面设计方法LEDFAA、中国民用机场水泥混凝土道面设计方法APDMC及回归分析建立的PCI衰变模型, 研究“白+黑”复合道面剩余寿命的预估模型、方法和参数。

1. 复合道面剩余寿命预估方法

1.1 基于LEDFAA的剩余寿命预估方法

LEDFAA为美国FAA开发的以累积疲劳损伤原理、弹性层状体系理论和通行-覆盖率为基础, 针对新一代大型飞机的道面设计方法。

1.1.1 预估流程

根据LEDFAA机场混凝土道面沥青加铺层设计方法的逆过程, 提出“白+黑”复合道面剩余寿命的预估模型, 其流程见图 1。

图 1 预估流程

Figure 1. Prediction flow

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1.1.2 理论模型

复合道面的使用性能主要取决于旧混凝土板和沥青混凝土加铺层的质量状况。旧水泥混凝土板的质量状况以结构状况指数S_CI表征

$S_{C Ι} = 100 - a \sum_{l = 1}^{l_{s}} \sum_{m = 1}^{m_{s}} f (Τ_{l}, S_{m}, D_{l m}) (1)$

式中: a为修正系数; l为结构性损坏类型; l_s为损坏类型数; m为损坏程度; m_s为第l类损坏轻重程度数; f(T_l, S_m, D_lm)为第T_l种病害、S_m级损坏程度、D_lm损坏密度的扣分值。对于旧水泥混凝土板, S_CI一般在50~75的范围内。

沥青混凝土加铺层的覆盖率-应变模型为^[8]

$\lg (Τ_{i}) = 2.68 - 5 \lg (ε_{i}) - 2.665 \lg (E_{A}) (2)$

式中: T_i为第i类飞机作用下沥青加铺层底疲劳开裂的剩余允许覆盖次数; i为飞机类型; ε_i为第i类飞机在沥青加铺层底产生的最大水平拉应变, 由弹性层状体系理论求解; E_A为沥青混凝土的弹性模量。

1.1.3 交通分析

将道面中线两侧的轮载作用范围(21 m)划分成82条宽度为25.4 cm的条带, 飞机在跑道上的横向分布按其中线与道面中线成标准差为77 cm的正态分布考虑^[9], 则第i类飞机在第j条带的通行-覆盖率P_ji为

P_ji=1 $\sum_{k = 1}^{Κ} Ρ$ $X_{k i} - \frac{W_{i}}{2} < X_{j} < X_{k i} + \frac{W_{i}}{2}) (3)$

式中: P(·)为正态分布概率函数; W_i为第i类飞机的轮胎宽度; X_j为第j条带中线与道面中线的距离; X_ki为第i类飞机第k个轮胎中心线与道面中线的距离; K为第i类飞机的轮胎总数。

道面第j条带宽内第i类飞机的预测年覆盖次数n_ji为

$n_{j i} = Ρ_{i} / Ρ_{j i} (4)$

式中: P_i为第i类飞机的预测年平均通行架次。

1.1.4 剩余寿命预估模型

采用Miner准则分别计算82条条带在各类机型作用下的年累计疲劳损伤率之和C_j为

$C_{j} = \sum_{i = 1}^{n} C_{j i} = \sum_{i = 1}^{n} n_{j i} / Τ_{i} (5)$

式中: C_ji为混合交通中第i类飞机在第j条带内的年累计疲劳损伤率; n为混合交通的飞机类型数。

选取82条条带中的最大C_j值作为计算值, 道面的剩余使用年限y为

$y = 1 / \max (C_{j}) (6)$

1.2 基于APDMC的剩余寿命预估方法

1.2.1 预估模型

典型的“白+黑”复合道面的主要应力扩散层是旧水泥混凝土板, 故可采用水泥混凝土板底的疲劳开裂作为剩余寿命预估的控制指标。预估方法基于中国混凝土道面设计方法^[10]的逆过程, 即求算混凝土弯拉疲劳强度衰减到计算飞机作用下板底应力水平时的累计作用次数, 预估模型为

$f_{r m} = f_{c m} [0.885 - 0.063 \lg (Ν_{e})] (7)$

式中: f_cm为混凝土弯拉强度; f_rm为计算飞机作用下板底弯拉应力; N_e为计算飞机剩余累计作用次数。

1.2.2 应力分析

采用弹性层状体系理论求算计算飞机一个主起落架作用下混凝土板底弯拉应力f_rm。

1.2.3 交通量换算

预估当年的混合交通量按文献[10]推荐的计算公式换算成当量计算飞机的年运行架次N_s为

$Ν_{s} = \sum_{i = 1}^{n} (δ_{i} Ν_{i})^{\sqrt{p_{i} / p_{s}}} (8)$

式中: δ_i为主起落架构型系数; N_i为拟换算飞机的年运行架次; p_i为拟换算飞机起落架上的轮载; p_s为计算飞机主起落架上的轮载。

当量计算飞机的年累计作用次数Y_s为

$Y_{s} = 0.75 n_{w} W_{t} Ν_{s} / 100 Τ (9)$

式中: n_w为飞机一个主起落架的轮子数; W_t为主起落架一个轮印的宽度; T为跑道通行宽度, 取11.4 m。

道面剩余使用年限y为

$y = Ν_{e} / Y_{s} (10)$

1.3 基于PCI衰败的预估方法

道面状况指数PCI的计算值P_CI为

$Ρ_{C Ι} = 100 - F (c, d) \sum_{p = 1}^{p_{t}} \sum_{q = 1}^{q_{t}} a (Τ_{p}, S_{q}, D_{p q}) (11)$

式中: p为损坏类型; p_t为所有结构性和功能性损坏的类型总数; q为结构性和功能性损坏程度数; q_t为第p种损坏的轻重程度等级数; a(T_p, S_q, D_pq)为折减值, 与损坏类型T_p、损坏程度S_q和损坏密度D_pq有关; F(c, d)为多种损坏修正系数, 与累计折减值c和折减次数d有关。

道面P_CI通过经专门业务培训的技术人员目视或采取准确可靠的图像识别技术调查确定。在道面维修养护水平和航空交通量及其组成变化不大的情况下, 根据连续多年调查的P_CI值进行数学回归分析, 建立PCI衰变模型, 可用于分析道面使用性能的发展变化规律。

2. 复合道面剩余寿命预估算例

以华东某国际机场跑道为例, 分别应用上述3种模型和方法预估复合道面的剩余寿命, 并分析相应的模型参数确定方法。

2.1 基础资料

该机场跑道经过多次加铺后的典型道面结构见图 2。为减小确定道面结构参数和力学模型分析时的误差, 根据各结构层的修建年份和工程性质, 将其简化为5层, 即: 2005年和1998年加铺的沥青混凝土层、1991年加铺的沥青混凝土层(软弱夹层)、水泥混凝土板、块石基础与土基, 简化结构见图 3。

图 2 道面结构

Figure 2. Pavement structure

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图 3 道面结构简化

Figure 3. Simplified pavement structure

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2.1.1 航空交通量

该机场预测年平均航空交通量见表 1。

表 1 年平均交通量

Table 1. Annual mean traffic volumes

机型	预测年平均起降架次	机型	预测年平均起降架次
A320	31 697	B767-200	5 994
A300-600	5 886	B777-200	3 024
A330	1 242	B737-800	1 134
A340-500/600	216	MD-82/88	4 734
B737-700	87 766	MD-90-30	8 928
B757	16 056	CRJ-200	8 046
B747-200	1 602	Y-8	2 412

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2.1.2 道面结构参数

(1) 道面结构层厚度

各结构层厚度参照竣工资料取值。由于道面已经使用了40多年, 在计算剩余寿命时应对各结构层的厚度予以合理地折减以考虑消耗的部分疲劳寿命, 旧混凝土板的厚度折减系数取S_CI/100, 其他各结构层的厚度折减系数依据实际检测的质量状况评定, 见表 2。

表 2 各结构层的厚度折减

Table 2. Thickness correction of each structure layer

结构层	原始厚度/cm	折减系数	折减后厚度/cm
2005年加铺层	7.0	1.00	7.0
1998年加铺层	7.5	0.80	6.0
1991年加铺层	14.0	0.75	10.5
原水泥混凝土	43.0	0.70	30.1
块石	25.0	1.00	25.0
注: 1998年加铺工程中对跑道荷载作用范围内的基础实施了注浆加固, 故块石厚度不予折减。

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(2) 道面结构层弹性模量和泊松比

道面结构层模量通过现场HWD测试的最大弯沉值和弯沉盆, 结合道面各结构层厚度、测试时的荷载值和承载板半径, 运用与应力分析一致的弹性层状体系理论反演程序求算, 并辅以钻芯取样试验推算的实际弹性模量值进行动模量修正和表层沥青混凝土的温度修正。各结构层材料的泊松比以竣工资料为主, 也可选用材料设计或技术规范的推荐值。

工程现场HWD测试的承载板直径为30 cm, 荷载为145 kN, 路表温度为10 ℃。反演中拟定水泥混凝土模量为FAA道面设计的推荐值27.6 GPa, 反演结果考虑了沥青混凝土的温度修正(修正系数取2.25)和动模量修正(沥青混凝土修正系数取0.55, 块石、土基取0.33), 道面各结构层的弹性模量和泊松比见表 3, 计算弯沉与实测弯沉的对比曲线见图 4。

表 3 弹性模量和泊松比

Table 3. Elastic moduli of elasticity and Poisson's ratios

结构层	2005年、1998年沥青混凝土	1991年沥青混凝土	水泥混凝土	块石	土基
弹性模量/MPa	1 385	981	27 600	280	25
泊松比	0.35	0.35	0.15	0.35	0.40

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(3) 水泥混凝土弯拉强度

对钻芯取样的水泥混凝土试件进行劈裂强度试验, 由劈裂强度与弯拉强度的经验关系式推算出混凝土的弯拉强度f_cm为

$f_{c m} = 2.64 + 0.621 f_{s p} (12)$

图 4 弯沉对比

Figure 4. Comparison of deflections

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式中: f_sp为混凝土劈裂强度。

将推算得到的弯拉强度取某一统计保证率(一般为95%)时的代表值作为弯拉强度标准值。根据2005年加铺前的钻芯取样测试结果, 水泥混凝土弯拉强度取5.5 MPa。

2.2 复合道面剩余寿命预估结果

2.2.1 PCI衰变模型预估剩余寿命

由于交通荷载和养护措施不发生大的调整, 假定2005年加铺后的道面状况衰变规律与1998年加铺后相同, 因此, 可根据2000~2004年实际评定的P_CI值建立的PCI衰变模型, 预估跑道2005年加铺后P_CI从初始值100衰减至临界值的使用年数。FAA规定P_CI的临界值一般在55~70之间, 跑道取65^[5]。2000~2004年P_CI值回归分析建立的衰变模型为

$Ρ_{C Ι} = 99.97 e^{- 0.005 5 y^{2} - 0.030 1 y} (13)$

该衰变模型能较好地拟合实际评定的P_CI值, 表现在: 相关系数达0.997 4;初始年P_CI接近100;曲线符合机场道面状况衰减的一般规律。拟合曲线与实测数据的对比见图 5。当跑道P_CI值从2005年加铺时的100下降到65时, y为6.5。

2.2.2 基于LEDFAA预估方法预估剩余寿命

图 5 P_CI对比

Figure 5. P_CI comparison

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根据FAA对于水泥混凝土沥青加铺层结构设计年限的定义, 道面的剩余寿命由以下两方面确定。

(1) 道面结构状况指数S_CI由加铺时的初始值100下降至80时的年数, 此时对应的最大累积疲劳损伤率为1。

(2) 反射裂缝在沥青加铺层内发展直至贯穿整个沥青层需要的年数^[8]。应用LEDFAA设计程序确定达到上述使用标准的道面剩余寿命为9.6 a。

2.2.3 基于APDMC预估方法预估剩余寿命

目前该机场运营的机型组合以D类飞机为主, 因此, 选取A300-600为计算飞机, 采用弹性层状体系分析程序求算计算飞机一个主起落架作用下混凝土板底的弯拉应力, 应力计算点位置见图 6, 剩余寿命预估结果见表 4。

表 4 剩余寿命预估结果

Table 4. Prediction result of remaining life

计算飞机		A300-600
当量计算飞机年运行架次N_s		40 912
计算飞机轮印长度L_t/cm		53.88
计算飞机轮印宽度W_t/cm		32.33
跑道通行宽度T/m		11.4
当量计算飞机年作用次数Y_s		3 481
混凝土板底最大弯拉应力f_rm/MPa	A点	3.327
	B点	3.122
	C点	3.362
混凝土弯拉强度f_cm/MPa		5.5
计算飞机剩余累计作用次数N_e(C点)		22 125
道面剩余寿命y/a		6.4

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图 6 应力计算点位置

Figure 6. Location of stress calculation point

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3. 预估结果对比分析

3种预估方法预估的道面剩余寿命较为接近, 并且其差异也是可以预见的, 产生差异的主要原因是不同预估模型确定剩余寿命的控制指标不同。基于LEDFAA的预估方法和基于APDMC的预估方法均是从结构性方面预估剩余寿命, LEDFAA控制指标是道面S_CI的衰减和反射裂缝的发展, 而中国设计方法的控制指标是水泥混凝土板底的疲劳开裂。PCI衰变模型是从功能性方面预估道面的剩余寿命, 控制指标是道面P_CI值衰减到临界值65。

计算中发现, 采用基于LEDFAA的预估方法预估道面剩余寿命时, 预估结果对于各结构层的模量, 尤其是土基模量很敏感。采用基于APDMC的预估方法预估道面剩余寿命时, 由于预估模型采用混凝土弯拉疲劳强度公式, 预估结果对于混凝土的弯拉强度非常敏感; 另外, 选用不同型号的飞机作为计算飞机, 所预估的剩余寿命也会有较大差异^[6], 因此, 这2种方法预估结果的可靠性很大程度上取决于道面结构参数的准确性, 要求测试或推算的结构参数能全面、真实地反映当前道面的实际特征, 而要达到此目的最有效的措施是进行一定频率的有损检测。对于运营中的跑道, 实施有损检测具有一定困难, 检测频率也会受到严格限制, 从而会对预估结果的准确性产生影响。

PCI作为道面综合性能指标, 不仅反映了道面损坏状况, 而且与道面的结构性能及平整度状况有一定的相关性, 能够较为全面地反映道面的使用性能, 若同时考虑荷载和环境的综合作用, 则将更符合实际情况。然而, PCI衰变模型是以长期、连续、大量的实测数据积累为基础的, 因此, 在具有足够的P_CI历史数据时, 推荐采用其建立的衰变模型预估复合道面的剩余寿命。

4. 结语

(1) 根据“白+黑”复合道面使用性能的特点, 提出应从结构性和功能性两方面综合预估道面剩余寿命。

(2) 建立了以FAA道面设计方法LEDFAA、中国水泥混凝土道面设计方法APDMC以及回归的PCI衰变模型为基础的3种预估复合道面剩余寿命的模型, 剩余寿命预估结果较接近。

(3) 3种预估方法的预估结果存在偏差的主要原因是不同预估模型确定剩余寿命的控制指标不同。

(4) 在具有足够的P_CI历史数据的条件下, 推荐采用PCI建立的衰变模型预估复合道面的剩余寿命。

图 1 预估流程

Figure 1. Prediction flow

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图 2 道面结构

Figure 2. Pavement structure

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图 3 道面结构简化

Figure 3. Simplified pavement structure

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图 4 弯沉对比

Figure 4. Comparison of deflections

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图 5 P_CI对比

Figure 5. P_CI comparison

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图 6 应力计算点位置

Figure 6. Location of stress calculation point

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表 1 年平均交通量

Table 1. Annual mean traffic volumes

机型	预测年平均起降架次	机型	预测年平均起降架次
A320	31 697	B767-200	5 994
A300-600	5 886	B777-200	3 024
A330	1 242	B737-800	1 134
A340-500/600	216	MD-82/88	4 734
B737-700	87 766	MD-90-30	8 928
B757	16 056	CRJ-200	8 046
B747-200	1 602	Y-8	2 412

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表 2 各结构层的厚度折减

Table 2. Thickness correction of each structure layer

结构层	原始厚度/cm	折减系数	折减后厚度/cm
2005年加铺层	7.0	1.00	7.0
1998年加铺层	7.5	0.80	6.0
1991年加铺层	14.0	0.75	10.5
原水泥混凝土	43.0	0.70	30.1
块石	25.0	1.00	25.0
注: 1998年加铺工程中对跑道荷载作用范围内的基础实施了注浆加固, 故块石厚度不予折减。

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表 3 弹性模量和泊松比

Table 3. Elastic moduli of elasticity and Poisson's ratios

结构层	2005年、1998年沥青混凝土	1991年沥青混凝土	水泥混凝土	块石	土基
弹性模量/MPa	1 385	981	27 600	280	25
泊松比	0.35	0.35	0.15	0.35	0.40

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表 4 剩余寿命预估结果

Table 4. Prediction result of remaining life

计算飞机		A300-600
当量计算飞机年运行架次N_s		40 912
计算飞机轮印长度L_t/cm		53.88
计算飞机轮印宽度W_t/cm		32.33
跑道通行宽度T/m		11.4
当量计算飞机年作用次数Y_s		3 481
混凝土板底最大弯拉应力f_rm/MPa	A点	3.327
	B点	3.122
	C点	3.362
混凝土弯拉强度f_cm/MPa		5.5
计算飞机剩余累计作用次数N_e(C点)		22 125
道面剩余寿命y/a		6.4

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参考文献(10)

[1]	凌建明, 郑悦锋, 金维明. 机场道面评价体系研究[J]. 交通运输工程学报, 2001, 1(1): 29-33. http://transport.chd.edu.cn/article/id/200101007 Ling Jian-ming, Zheng Yue-feng, Jin Wei-ming. On airportpavement evaluation system[J]. Journal of Traffic and Trans-portation Engineering, 2001, 1(1): 29-33. (in Chinese) http://transport.chd.edu.cn/article/id/200101007
[2]	高金华. 当代民航机场的管理与建设[J]. 交通运输工程学报, 2002, 2(2): 106-109. http://transport.chd.edu.cn/article/id/200202026 Gao Jin-hua. Management and construction of present civilairports[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineer-ing, 2002, 2(2): 106-109. (in Chinese) http://transport.chd.edu.cn/article/id/200202026
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[5]	凌建明, 郑悦锋, 袁捷. 机场沥青混凝土道面剩余寿命预测方法研究[J]. 同济大学学报: 自然科学版, 2004, 32(4): 471-474. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TJDZ200404011.htm Ling Jian-ming, Zheng Yue-feng, Yuan Jie. Prediction modelof remaininglife for asphalt concrete pavement of runway[J]. Journal of Tongji University: Natural Science, 2004, 32(4): 471-474. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TJDZ200404011.htm
[6]	凌建明, 郑悦锋. 机场水泥混凝土道面剩余寿命的预估方法[J]. 同济大学学报: 自然科学版, 2001, 29(4): 484-488. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TJDZ200104023.htm Ling Jian-ming, Zheng Yue-feng. On prediction method ofremaining life for cement concrete pavement of airport[J]. Journal of Tongji University: Natural Science, 2001, 29(4): 484-488. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TJDZ200104023.htm
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[8]	Federal Aviation Administration. Airport pavement designfor the Boeing 777 airplane[R]. Washington DC: US Depart-ment of Transportation, 1995.
[9]	Navneet G, Edward G, Roy M. Operational life of airportpavement[R]. Washington DC: US Depart ment of Trans-portation, 1998.
[10]	MHJ 5004-95, 民用航空运输机场水泥混凝土道面设计规范[S].

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0. 引言
1. 复合道面剩余寿命预估方法
1.1 基于LEDFAA的剩余寿命预估方法
1.2 基于APDMC的剩余寿命预估方法
1.3 基于PCI衰败的预估方法
2. 复合道面剩余寿命预估算例
2.1 基础资料
2.2 复合道面剩余寿命预估结果
3. 预估结果对比分析
4. 结语

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机场复合道面剩余寿命预估方法

作者简介:
周正峰(1981-), 男, 湖北荆州人, 同济大学工学博士研究生, 从事机场工程研究

凌建明(1966-), 男, 浙江湖州人, 同济大学教授, 工学博士

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