【正文】 場道加鋪UTW罩面的結構特性研究畢業(yè)論文目 錄第一章 緒 論 1 UTW簡介及其主要特點 1 UTW的產(chǎn)生和發(fā)展過程 1 UTW在場道修復研究和應用中的現(xiàn)狀與存在的問題 3 論文研究的內(nèi)容和意義 4第二章 UTW復合結構體系分析 5 復合結構體系概述 5 界面粘結模型的分析 5 界面特性分析 6 新舊混凝土粘結狀態(tài)的力學機理分析 7 新舊混凝土粘結的宏觀力學性能 7 新舊粘結界面的微觀力學機理分析 8 各結構層對粘結狀態(tài)的影響研究 9 舊道面表面性狀對粘結性能的影響 9 罩面材料性能對粘結強度的影響 9 界面處理方式對粘結強度的影響 10 本章小結 11第三章 UTW復合結構力學模型分析 12 相關基本理論概述 12 層狀體系基本理論 12 彈塑性理論基本原理 12 道面結構的非線性分析原理 14 反預應力作用理論 14 力學結構模型特征分析 15 力學模型的建立 15 力學模型理論分析 16第四章 復合層狀道面結構有限元模擬 20 有限元模型簡介 20 有限元分析的基本原理 20 有限元離散化 20 基本分析過程 21 復合結構模型參數(shù)條件 23 23 道面厚度的確定 24 輪印面積的確定 25 臨界荷位及機輪布置 25 有限元模型的建立 26 單元類型的確定 26 材料模型 26 幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分 27 外部荷載及邊界條件的確定 28 有限元模型結果分析 28 界面狀態(tài)對復合結構整體性能的影響分析 28 應力應變時程響應分析 31 復合結構在理想狀態(tài)下的性能響應模擬分析 37 本章小結 44第五章 結論與展望 46 論文的主要結論 46 需要進一步研究的問題 47致 謝 48參考文獻 49附 件 50第一章 緒 論 UTW簡介及其主要特點超薄水泥混凝土罩面（UltraThin White topping，UTW）是指對已經(jīng)部分或全部喪失使用性能的道面進行水泥混凝土超薄層覆蓋而恢復其使用功能的一種道面翻新修復的技術措施。與常規(guī)水泥混凝土道面蓋被不同的是，該技術所采用的罩面層厚度通常在80mm以下，而普通的水泥混凝土蓋被厚度多在200mm以上；二者不僅存在著厚度上的差別，它們的力學反應機制也存在著根本差異，主要表現(xiàn)為荷載作用下結構層的物理力學反應狀態(tài)的本質(zhì)差別。具體體現(xiàn)為常規(guī)厚度蓋被是作為獨立的面層結構承受各種外部荷載的作用，而下層的舊道面結構這時僅僅起到基層結構的作用，使得舊道面的剩余承載能力被拋棄；而在超薄水泥混凝土罩面結構中，通過適當?shù)慕缑嬲辰Y處理，使罩面與舊道面間形成良好的粘結狀態(tài)，并以復合結構的形式作為道面層共同承受各種荷載，這樣，不但能充分利用下層舊道面的剩余承載能力，罩面起到完整表面作用的同時，也能夠更好地與下層舊道面協(xié)調(diào)變形。該結構的技術特點主要包括以下幾點 [1]：1）厚度較薄，通常為50100mm，對道面的高程和使用環(huán)境影響??； 2）通過增強罩面與舊道面的界面粘結力，可有效利用舊道面的剩余承載能力，共同協(xié)調(diào)工作； 3）接縫間距超短，可減小各種變形和荷載應力的不利影響； 4）有利于對道面表層質(zhì)量的改善，如可快速提高道面的抗滑性、抗侵蝕性等； 5）施工速度快且成本低，有利于機場等的短期停航翻新的要求；6）與相同厚度的瀝青混凝土罩面相比，不僅成本低、使用年限更長，而且具有更好的抗水毀、耐腐蝕性能。基于以上優(yōu)點，使得超薄水泥混凝土罩面技術在舊道面翻新工程中受到越來越多的關注，相關研究也成為當前道面翻新技術研究的熱點。隨著國內(nèi)需要翻新和升級改造的舊道面數(shù)量的急速增加，該技術在機場改造升級過程中將會發(fā)揮更重要的作用。 UTW的產(chǎn)生和發(fā)展過程超薄水泥混凝土罩面作為一種道面翻新修復的新技術，盡管其在快速恢復和提升道面表面質(zhì)量的優(yōu)勢非常明顯，但在其產(chǎn)生之初卻曾受到各方面的頗多爭議，因為按照傳統(tǒng)的剛性路面設計方法，這樣的“超薄”面層單獨承受來自上部的各種荷載時，其承載能力將會很差，從而容易導致其本身極易破壞，只有當超薄罩面層與舊道面間具有可靠粘結性和協(xié)調(diào)工作性的前提下才能發(fā)揮其表面質(zhì)量改善的效果。20世紀90年代初[2]，美國肯塔基州預拌混凝土協(xié)會在肯塔基市街道上進行了初步嘗試，鋪筑了厚度90mm的超薄層水泥混凝土罩面層試驗段；與此同時，美國水泥混凝土路面協(xié)會技術革新委員會也在研討超薄罩面層的可行性，共同的目標促使他們兩家聯(lián)手共同鋪筑了最早的超薄罩面并進行了聯(lián)合試驗研究。該試驗路段位于肯塔基州通往路易斯維利的一個垃圾場的入口處，每天有400600輛重型卡車在此通過，他們在該試驗路上分別鋪筑了50mm和90mm的水泥混凝土罩面層，并開始了相關的試驗工作?？纤囼灺帆@得了成功，實驗結果表明，該路面性能比用普通設計方法預計的翻新效果要好得多，從而引起了業(yè)界的廣泛興趣。自此，UTW隨之開始得到重視，相關的實驗研究等也開始廣泛開展。1994年，由依阿華州交通廳、標志著該技術在工程中開始得以應用。在開展超薄水泥混凝土罩面結構研究的同時，自1998年也開始了超薄水泥混凝土罩面與瀝青混凝土復合罩面結構的研究，為了研究UTW是否適用于較薄的瀝青面層結構，佛羅里達州交通廳主持修筑了3條UTW試驗環(huán)道，結構為100mmUTW+38mm瀝青混凝土面層+150mm貧混凝土基層、50mm(75mm、100mm) UTW+38mm瀝青混凝土面層+163mm石灰穩(wěn)定土基層。連續(xù)加載60000次后，道路使用狀況良好。截止2000年底，美國已修筑UTW總面積約220萬平方米。自1995年開始，加拿大也開始引進UTW技術，鋪筑過的超薄水泥混凝土路面板厚度僅為50100mm，且都取得了較好的效果。超薄白色罩面技術發(fā)展10多年來，在公路和城市道路翻新修復領域，美國、加拿大、法國、日本等國都已經(jīng)開展了不少的針對性技術研究，如施工技術、路用性能評價和維修技術；足尺試驗對層間粘結性的研究以及短期內(nèi)性能的評價、在可控的加載與環(huán)境條件下的應力應變反應；芯樣抗壓強度的相關影響因素(如材料類型、加鋪位置和高寬比等)、材料對層間接觸的影響加速加載試驗的彎沉測量、影響彎沉變化的因素、動態(tài)與靜態(tài)彎沉的比較等相關的試驗性質(zhì)等?；谶@些研究的結果，取得了不少可供借鑒的有益結論：1）對舊路面進行銑刨、清潔處理，使UTW與舊道面層層間界面充分粘結，可以減小UTW罩面板的荷載應力，是影響UTW路面長期使用性能的關鍵因素；2）UTW路面使用的混凝土應是高早強混凝土，且宜根據(jù)配合比設計摻入聚丙烯纖維、鋼纖維等增強材料；3）銑刨后路面層剩余厚度對UTW路面的荷載應力和裂縫的產(chǎn)生有影響；4）UTW路面板可以明顯提高舊道面的承載能力；5）板厚度、舊面層厚度、接縫間距、混凝土性能、層間粘結等是UTW路面的主要影響因素。國內(nèi)對UTW的研究起步較晚，有關實驗研究的成果也相對較少?；趪庠诖思夹g領域取得的研究成果和工程試驗的經(jīng)驗，長安大學胡長順教授領導的課題組于2002年在國道210線陜西省銅川市境內(nèi)修筑了一段長300m的UTW試驗路段（該路段為一般的二級公路），通過對試驗路段的實際觀測和分析，對超薄水泥混凝土路面的施工技術、使用性能和在我國特殊使用條件下的適應性進行了研究和論證；同時，長安大學馬骉教授等針對UTW路面結構的荷載應力和溫度應力等利用有限元法進行計算分析的基礎上，提出了一系列UTW路面結構設計方法；2002年，長沙理工大學參照國外的研究成果，在直道實驗室鋪筑了一起超薄水泥混凝土罩面，提出了三種試驗方案，得到了適合不同公路交通狀況的超薄水泥混凝土罩面的試驗方案[2]。 UTW在場道修復研究和應用中的現(xiàn)狀與存在的問題 關于超薄混凝土罩面的研究逐漸清晰和深入，但大多是針對高速公路、城市道路以及十字路口等。由于荷載條件、使用環(huán)境等的特殊性，超薄罩面在機場舊道面翻新中應用的性能表現(xiàn)與可靠性尚不清楚，特別是在高沖擊荷載、重載高速制動剪切作用下的力學行為表現(xiàn)尚缺乏研究成果支撐，對該技術直接在機場道面上應用還不讓人放心。為此，有必要在以往理論與實驗研究的基礎上，借鑒該技術在其他領域的研究成果，對UTW在機場道面翻新中的應用進行系統(tǒng)性研究。關于機場道面翻新中采用UTW技術的相關研究，國外已經(jīng)開展了一些探索性研究工作。其中，比較具有代表性的研究成果有：M A Castell等在進行實驗室模擬和有限元分析的基礎上研究了機場水泥混凝土道面疲勞破壞的發(fā)展過程特點，并提出在疲勞荷載作用下，整體混凝土試件的疲勞開裂速度要比多層道面結構的疲勞開裂速度快得多；多層道面混凝土中界面處裂縫的擴張速度要比表面處裂縫的擴張速度慢得多；整體道面板底面的裂縫寬度決定了道面結構的破壞狀態(tài)，而多層道面混凝土中界面處裂縫寬度對于道面破壞的影響則不同[3]。這說明界面對于在疲勞荷載作用下，裂縫的擴張及結構的失穩(wěn)或破壞具有一定的影響，其影響機理和具體效果尚有待于研究。Dempsey, ，界面層設置可吸能復合材料層，對于道面抗開裂能力有非常顯著的提高[4]。這間接反映了界面在抵抗飛機沖擊荷載作用下對道面抗疲勞能力具有一定的貢獻，也說明界面（甚至是弱界面）對于層狀道面結構體系也具有一定的增韌效果。顯然，這些研究成果為深入探索界面對改善道面結構抗疲勞性能提供了可靠的線索，通過對界面性能的改進可以為提高道面結構在抵抗重沖擊荷載作用和改善道面體系中各層間協(xié)同工作能力有所作為。英國的Norbert J. Delette等通過對新舊混凝土道面的界面粘結實驗室試驗和現(xiàn)場試驗，研究了界面粘結強度發(fā)展的過程，探討了混凝土罩面的時機及不同改進方法對界面粘結性能的影響，提出了一些測試界面粘結強度的方法和利用復合材料改進界面粘結能力的措施。此外，圣路易斯機場停機坪的項目中嘗試應用了UTW罩面技術，在道面翻新過程中，在混凝土中安裝了儀器以監(jiān)測混凝土面層在外載條件下不同位置的應力變形情況，通過比較現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)與模型分析結果證實UTW的復合作用。進入21世紀后，超薄水泥混凝土罩面技術在場道工程的試應用逐漸增多。工程實踐表明，超薄混凝土罩面在大大降低成本的基礎上，具有全厚混凝土路面的高壽命和耐久性的特點，對于提升道面的服務質(zhì)量，改善道面的綜合使用性能，提高道路翻修技術、經(jīng)濟效益等方面都具有良好的促進作用。然而，由于場道使用條件的特殊要求，對超薄罩面在場道修復中的應用提出了更高的要求。同時，眾多研究和理論成果均未形成一個完整的體系，使得該項技術的進一步發(fā)展和推廣受到一定的限制。特別是針對機場剛性道面進行罩面后所形成的“白+白”復合結構的相關技術和理論研究，尚有待進一步的探討。 論文研究的內(nèi)容和意義經(jīng)過對超薄水泥混凝土罩面翻新修復技術近20年的研究，國內(nèi)外在理論和技術研究上已經(jīng)取得了一定的成果，尤其在公路和城市道路等領域的研究成果已經(jīng)逐漸走向成熟。但是，針對UTW在剛性機場道面上的應用，特別是針對超薄罩面—舊道面復合結構的作用機理以及特殊荷載作用下的物理力學行為特征的研究尚不明確。例如，對于影響其上下層協(xié)同變形等工作性能的關鍵因素—界面層的物理力學特性的研究仍處于初步探索階段。因此，需要從理論技術層次上解決新舊混凝土間界面的粘結問題，以便就其對復合結構的整體性能的影響做出相應的評價，這將對超薄水泥混凝土罩面技術的發(fā)展和機場舊道面的翻新與升級改造提供科學與可行的理論和技術支撐。為客觀反映和系統(tǒng)研究剛性機場道面上加鋪超薄水泥混凝土罩面后復合結構的協(xié)同變形工作機制，本文針對適應整體工作需求的界面結構狀態(tài)及相應的力學參數(shù)和滿足承載力要求的超薄罩面層的結構特征及力學參數(shù)進行了研究，對復合結構整體受力狀態(tài)下各結構層的應力應變響應做出了一系列的數(shù)值模擬分析和試驗驗證，并基于研究結果提出了一些符合工程實際的技術方法和措施。本論文主要研究內(nèi)容如下：建立適應舊場道物理力學性能的超薄水泥混凝土罩面—舊水泥混凝土道面復合結構的力學結構模型，在對相關理論依據(jù)和方法分析總結的基礎上，針對主要參數(shù)指標進行了解析分析和理論研究； 基于超薄罩面—舊道面復合結構的力學結構模型，分析研究了適應復合結構協(xié)同工作機制需求的界面層物理力學行為特征，利用實驗室試件的模擬實驗，就不同的界面處理方式對結構整體性能的影響進行了量化對比研究； 參考工程實例的結構和力學參數(shù)，建立了復合結構的有限元分析模型，并利用軟件模擬其實際條件下復合結構的協(xié)同工作狀態(tài)；根據(jù)模擬分析結果，確定了特定飛機荷載作用下復合結構界面層的應力應變、剪切強度等的臨界參數(shù)值；進行實驗室小比例模型實驗，將復合結構受力變形特性的實驗數(shù)據(jù)與有限元模型分析的數(shù)據(jù)結果進行對比，深入分析了界面粘結狀況對復合結構力學特性的影響規(guī)律。第二章 UTW復合結構體系分析 復合結構體系概述無論是在已有結構上的加固、翻修中鑿除已破壞或惡化部分混凝土基層在其上澆筑新混凝土，還是新建工程中的施工間歇，通常都會遇到在已硬化的混凝土上澆筑新混凝土的情況，在這種情況下，都會涉及到上下層新老混凝土能否結合成為整體而協(xié)同工作的問題。特別是對于結構中承受很大的剪力和拉力部位的加固，新舊混凝土間的粘結界面成為影響上下層協(xié)同工作的薄弱環(huán)節(jié)。通常，該界面處的粘結強度一般低于新、舊混凝土本身的強度，且耐久性能也較差。例如，UTW翻新后的場道，在飛機荷載下，其道面的復合結構將承受很大的豎向壓力和橫向剪切力。由于上層超薄水泥混凝土罩面層自身的抗彎能力很小，故要求罩面與舊道面間必須形成良好的粘結，才能與舊道面形成協(xié)同工作的復合結構，從而最大限度地發(fā)揮舊道面的剩余承載力。這種使上下層作為一個整體共同協(xié)調(diào)抵御飛機等外荷載的綜合作用，對上下層混凝土間的粘結強度提出了很高的要求。以往工程實際經(jīng)驗表明，通過增加粘結材料可以提高界面的粘結力，從而增強上下層間的協(xié)同變形能力。但是，由于粘結材料與下層混凝土之間的粘結力不足以抵抗各種因素，而可能在新老混凝土結合面處產(chǎn)生的附加應力而導致失敗[5]。因此，針對新老混凝土結構加固中的薄弱環(huán)節(jié)——粘結界面的特點和性狀進行研究，對影響界面粘結失效的原因進行探討，顯得極為重要。 界面粘結模型的分析對于新舊混凝土粘結