行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
機場鋪面環境應力對航機排班之影響機制探討
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC92-2218-E-002-041- 執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 09 月 30 日 執行單位： 國立臺灣大學土木工程學系暨研究所 計畫主持人： 周家蓓 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 93 年 12 月 31 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
機場鋪面環境應力對航機排班之影響機制探討
計畫編號：92-2218-E-002-041
執行期限：92.8∼93.9
主持人：周家蓓 國立台灣大學土木工程學研究所
一、中文摘要 機場鋪面因需承載航機載重，需具備較 一般道路更為嚴格之力學承載能力，所以一 般於新設計時多採剛性鋪面，其面層材料以 水泥混凝土為主。除承載航機載重應力外， 版塊因季節性或一天 24 小時之溫度變化，蓄 積相當多之溫度應力。但機場剛性鋪面設計 方法如 ICAO、FAA 法，並未考慮溫度效應 對版塊之影響，致使機場於實際設計中未考 量溫度與載重加成對鋪面造成之損害程度。 本研究期望利用中正機場 N1 滑行道上 所進行之『中正機場剛性鋪面版塊監測分析 計劃』所得之兩年現場應變計監測資料，深 入探討溫度以及航機載重對於剛性鋪面版塊 實際之影響程度。本研究主要目的為利用溫 度效應分析結果對中正機場提出季節性及每 日時段性之航機機型排班調整建議及構想。 關鍵詞：剛性鋪面、監測計劃、溫度效應、 航機排班 AbstractRigid pavement is commonly used for airfield because it has higher capability to support heavier loading. In addition to the strain due to aircraft loading, slab also bears a significant amount of temperature strain as well as stress. However, airfield rigid pavement design
method developed by neither International Civil Aviation Organization(ICAO) nor Federal Aviation Administration（FAA）does include the influence of temperature effect on design into consideration.
The main objective of this study aims to analyze the strain data collected through a
monitoring project in N1 taxiway of
Chiang-Kai-Shek（CKS）international airport in order to evaluate the effects of seasonal and daily temperature variation and aircraft loading on pavement slab behavior. Suggestions for aircraft type at various seasons as well as at various daily time segments are made from the analyzed results.
Keywords：rigid pavement, monitoring project, temperature effect, aircraft scheduling
二、緣由與目的 國內機場之鋪面長久以來並無完整之實 地監測或觀測資料進行鋪面設計之相關研 究，基本上乃是藉國外之經驗進行設計規範 或是機場維護方式之擬定。本研究單位於民 國九十一年一月受民航局中正國際機場之委 託於中正機場 N1 滑行道上進行為期兩年之 剛性鋪面監測研究計劃，故得以獲得長期鋪 面於航機載重以及溫度變化下之應變行為資
料，除擬完成原訂研究目標以修訂 Federal Aviation Administration（FAA）機場鋪面設 計方法外，更引發本研究深入分析溫度對版 塊行為之影響及結合航機載重資料而設定 機型排班調整及再擬降落費架構。機場鋪面 除需承受航機載重之外尚需承受溫度變化 所產生之應變及應力，但如 FAA 機場剛性 鋪面設計法其採用之設計變數與航機相關 者為航機載重、航機型式以及年起飛架次， 並未考量環境因素對鋪面之影響。 基於上述背景，本研究擬就『中正機場 剛性鋪面版塊監測分析計劃』所收集而得之 應變資料，了解中正機場剛性鋪面版塊於航 機載重及長期溫度變化下之應變情形，重點 為找出航機載重對實驗版塊之影響程度，以 及最大溫度應變產生之每日時點及季節變 化；並進一步利用最大應變產生之時段及各 航機載重產生之應變，提出中正機場時段機 型之排班調整建議。 三、結果與討論 在中正機場滑行道版塊接收之 H 型應 變計與溫度計之靜態資料進行整合，再經 由版塊溫差與應變計量測資料，求算版塊 在不同環境下所受之溫度翹曲應力。一般 而言，版塊除了承受環境溫度應力外，需 再加上航機荷重對其造成之影響；輪荷重 之施載於版塊，使版頂承受壓應力，而版 底為張應力。因此，若在版底已承受較大 溫度張應力狀態下，需特別注意航機載重 施加所造成之版底張應力，是否在可容許 範圍內，考量的因素包含輪配置機型、航 機載重、與施加於版塊之位置等，荷重與 溫度應力疊加為版塊實際所承受之應力， 應盡可能的降低版底承受之張應力，避免 加速版塊之破壞，此即牽涉機場「時間帶」 使用之協調。 根據相關文獻整理，時間帶是指一個機 場在一指定日可分配或可利用於某個航班所 申請之落地或起飛時間。國際間由國際航空 運 輸 協 會 （ International Air Transport Association, IATA）所成立之時間表協調程序 委員會（Scheduling Procedures Committee, SPC）執行相關工作，該單位於 1947 年成立， 並同時制定「全球班表指導原則」（Worldwide Scheduling Guideline, WSG）。其相關工作包 含制定時間表協調作業之程序及規範、監督 各機場時間帶協調人作業之公正性及透明 化，以及排解糾紛。 每一年 IATA 集合世界各航空公司代表以 及由各國民航主管機關授權處理機場時間帶業 務之機場時間帶協調人等相關單位兩次，召開 時 間 帶 協 調 會 議 （ Scheduling Coordination Conference, SCC），其目的希望經由面對面之協 商方式，加上經由協調溝通及交換行為，就各 航空公司所需求之時間帶予以調整及確認，期 待盡可能的滿足各航空公司的需求。 就台灣地區而言，亦運用時間帶制度之作 業方式對起降的航班做區隔；在國際航班部 分，中正國際機場及高雄小港國際機場之時間 帶協調業務，由「台灣區國際機場時間帶協調 人」負責，目前委託中華航空公司擔任本項業 務之負責機構；國內航班部分，各機場之時間 帶協調作業由民航局空運組內之國內線機場時 間帶協調人負責。在國內航線機場時間帶協調 相關作業，於民國八十四年底委請專業單位規 劃設計「國內航線機場時間帶管理系統」，期望 藉由電腦程式作業系統之處理，來彌補人工作 業之不足，並藉由電腦化的處理程序，加速航 空公司異動申請審查之作業。 為能正確量測混凝土內沿深度之溫度分佈， 本研究乃藉由中正機場剛性版塊翻修之際，於 混凝土澆置前沿深度埋設溫度計七支；其中共 分兩組安裝，版塊中央與邊緣亦各設置一組。 基於版頂必需留有足夠空間之保護層，最上方 之溫度計大約距離版頂 2 公分至 2.5 公分，最 底部則距離版底約 3 公分，（如圖一所示）。白 天混凝土版塊受大氣溫度影響及太陽輻射的
加熱作用而增溫，夜間則產生散熱效應。七 支溫度計可量測各裝置位置沿深度溫度變 化情形，以探求版塊之溫度梯度，並用此資 料與大氣溫度資料進行整合，用來預測不同 氣溫下版塊各深度點之溫度。至於版中央與 邊緣各設置一組係用來分析版塊不同位置 溫度變化與趨勢是否存在差異性。 碎石級配基層 41 cm 25 cm 混凝土版塊 T6T21 2 cm T6T23 12 cm T6T22 7 cm T6T26 32 cm T6T27 38 cm T6T25 27 cm T6T24 17 cm T6T11 2.5 cm T6T17 38 cm T6T16 33 cm T6T15 27 cm T6T14 19 cm T6T13 13 cm T6T12 8 cm 邊緣組 中央組 圖一 版塊溫度計佈設圖 若以版底溫度計（T6T17）在任何時間點之 讀值為基準歸零，則將各深度溫度計之各時 點溫度讀值，繪製版塊溫差、深度與時間之 關係圖（如圖二），則可看出版塊溫差隨時 間之變化，除了部分時段版塊溫差接近線性 分佈外，其餘時段的版塊溫度皆明顯為非線 性分佈。若僅以版頂與版底溫度進行版塊溫 度梯度與應力分析，將無法有效分析非線性 溫度分佈狀態之版塊受熱行為。，圖中可知 清晨氣溫較低時，以版底之溫度讀值為最 高，其餘各點皆為逆溫差之型態，清晨 9 時 過後，圖形逐漸往上翻轉，版底之溫度讀值 相對最低，此時版塊呈現正溫差型態；下午 15 時過後，正溫差差值漸漸減少，版塊上 半部溫度讀值下降極劇，20 時過後，即全 轉為逆溫差型態，且溫差分佈每日呈現週期 性變化（如圖三所示）。 0 5 10 15 20 25 30 35 40 -6 -3 0ΔT(℃)3 6 9 12 D ept h( cm ) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 圖二 不同時間版塊沿深度之溫度差值（ΔT） 20 25 30 35 40 45 50 7/1 7/2 7/3 7/4 7/5 7/6 7/7 7/8 ℃ T6T21 T6T22 T6T23 T6T24 T6T25 T6T26 T6T27 氣溫 圖三 版塊溫度週期性變化分佈圖 版塊受溫度作用所產生之翹曲應力，主要 為溫差之影響。假設版塊為可自由移動狀態， 版頂溫度大於版底，此時版塊上半部受張應 變，下半部受壓應變，若版塊處於完全束制狀 態，版頂產生壓應力，而版底則產生張應力； 反之，若版塊頂度溫度低於底部，此時版頂將 承受張應變，而版底則為壓應變。 由版塊溫度資料與應變計資料分析所得 研究成果如下： (1)版塊各深度之溫度分佈隨氣溫呈現週期性變 化，且越接近版頂之溫度變化，上升與下降 的速率較快，其中上升又較下降為快；版底 之溫度則僅在小範圍中變動，且對氣溫之反 應較不敏感。 (2)因混凝土之熱傳遞效能較慢，距離版頂越遠 之溫度讀值，受氣溫影響之反應延時越長， 且各深度溫度最大值發生時間與氣溫最高溫 發生時間之延時與深度為線性分佈關係，可 利用公式[ti = 0.2181 Di ＋0.1937]求得。各深 度與氣溫之延時求出後，便可進行溫度分佈 預測等相關分析。
(3)版塊沿深度之溫度讀值，大部分時間皆為 非線性分佈，正溫差最大值約於中午∼下 午二時發生；最大負溫差則多在清晨四∼ 五時產生。 (4)由所推導之三個迴歸預測模式，利用每小 時大氣溫度即可預測版塊內部各深度之溫 度分佈；因版塊上半部與下半部之溫度走 勢不同，因此將兩者區分為不同之預測公 式，所得之誤差百分比約為 4.37％∼7.05 ％。利用所預測之版塊溫度分佈，將可用 來計算版塊溫度梯度及版頂、版底受溫度 影響之翹曲應力。 於研究進行期間所蒐集到之中正機場 夏季班表中，於中午時段（十二時∼下午三 時），起飛之班機約 27 架次，大型航機 15 架次（56％），小型航機 12 架次（44％）。 大型航機以 B747-400 等重量較大之航機為 準，根據研究中版塊受溫差所引起之溫度翹 曲應力計算顯示，此時段版底承受較大之張 應力（圖四），最大值約 150 psi (1034kN/m2 )。而冬季班表於中午十二時∼ 下午三時之統計資料顯示，起飛之航機約 20 架次，大型航機 13 架次（65％），小型 航機 7 架次（35％），仍以大型航機所佔之 比例較高，此時版底亦承受較大之張應力 （80 psi，552 kN/m2 ）（圖五），因為冬季 時版塊之翹曲應力相較夏季之溫度翹曲應 力相對為小，故此時較無需擔心航機荷重與 溫度效應之加成作用。 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 1516 17 18 19 20 21 22 23 00 時間(小時) 壓 應 力 應 力 (p si) 張 應 力 版頂所受溫度應力 版底所受溫度應力 圖四 高溫季節之版塊溫度翹曲應力與時間 關係 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 00 01 02 03 04 06 07 08 09 10 12 13 14 15 16 18 19 20 21 22 00 時間(小時) 壓應力 應力( p s i ) 張應力 版頂所受溫度應力 版底所受溫度應力 圖五 低溫季節之版塊溫度翹曲應力與時間 關係 經由溫度梯度及版塊所束制情形之分 析，於下午氣溫偏高時段，版塊內部存在較 大之溫差，所儲存之溫度應力較大，且版底 承受之溫度應力為張應力，此應力之大小與 B747 航機機輪荷重所產生之應力相比，甚而 超過；若與航機載重所造成的版底張應力加 成，將對版塊形成較大之破壞。雖然目前中 正機場夏季班表之中午時段僅有 15 班大型航 機，其影響範圍尚不嚴重；但仍建議可考慮 此一現象之存在，於往後之時間帶協調機制 上，安排應盡量避免大型航機之起降於中午 十二時至下午二時，尤其是夏季班表時段。 若於執行上有實際困難，亦可考慮於該時段 內酌量調整大型航機之降落費以達到使用者 付費之公平原則，亦可於加強鋪面維護理念 上著手，善加應用鋪面監測資料，以維護鋪
面之較佳服務績效，以提升版塊使用之壽 年。 四、參考文獻 1.Http://www.airtech.tc.faa.gov/DENVER/dbsn sr/dbsnhb 2.李中生，“機場剛性道面承受溫度及荷載 之行為監測及分析”，國立中央大學土木 工程研究所碩士論文, 1994。 3.盧俊鼎，”接縫式剛性鋪面溫度分布與荷 載傳遞行為分析”， 國立中央大學土木研 究所碩士論文，1995。 4.顏聰等，“剛性路面實用設計本土化研 究”，交通部國道新建工程局，1994。 5.周家蓓等，”中正機場剛性鋪面版塊監測分 析計劃第一次期中報告”，交通部民航局中 正國際機場，2002。 6.鄧學鈞、陳榮生， ”剛性路面設計”，人 民交通出版社, 1988。
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