【正文】 機(jī)輪經(jīng)過(guò)的位置（d）處各節(jié)點(diǎn)的位移及應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程曲線如圖428至圖431所示。而豎向位移和應(yīng)力時(shí)程曲線說(shuō)明，罩面結(jié)構(gòu)板角處各結(jié)構(gòu)層間變形較一致，各結(jié)構(gòu)層能很好的協(xié)調(diào)變形，但整個(gè)過(guò)程中板角位置節(jié)點(diǎn)受拉作用大于受壓的狀態(tài)，這也反映了板角的應(yīng)力翹曲現(xiàn)象，與工程實(shí)際情況相符合；而豎向應(yīng)變響應(yīng)顯示，相近的豎向拉應(yīng)力作用下，土基層和基層的應(yīng)變值較大，這與模量的大小密切相關(guān)。綜上分析，彈性地基上的復(fù)合道面結(jié)構(gòu)，在機(jī)輪移動(dòng)荷載作用下引起的位移和應(yīng)力動(dòng)態(tài)響應(yīng)基本同步，這與彈性模型的即時(shí)響應(yīng)性特性比較一致[40]。剪應(yīng)變時(shí)程響應(yīng)曲線顯示，由于上部罩面及舊道面結(jié)構(gòu)自身剛度較大，在較大的剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生的剪應(yīng)變反而較??；而土基層在較小的剪應(yīng)力作用下的應(yīng)變卻相對(duì)較大。綜合上述節(jié)點(diǎn)的水平應(yīng)力、應(yīng)變時(shí)程響應(yīng)規(guī)律，說(shuō)明各結(jié)構(gòu)層結(jié)合部位屬于薄弱層，最容易首先發(fā)生破壞。 圖412 節(jié)點(diǎn)橫向應(yīng)力響應(yīng)時(shí)程曲線 圖413節(jié)點(diǎn)橫向應(yīng)變時(shí)程響應(yīng)曲線 由橫向應(yīng)力時(shí)程曲線可以看出，機(jī)輪動(dòng)載引起的橫向應(yīng)力很大。按照上述動(dòng)荷載加載方式，將機(jī)輪面荷載等效作用在相鄰的幾組節(jié)點(diǎn)上，以及其應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。值得指出的是，為了降低道面板開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，面層混凝土板的彈性模量不能過(guò)大，可通過(guò)合理控制混凝土板與基層之間的彈模比來(lái)解決[38]。其中，研究中的靜態(tài)加載分析采用了通用后處理分析的方式，而機(jī)輪動(dòng)荷載下的模擬結(jié)果采用時(shí)間歷程后處理的方式。通?？梢圆捎枚鄠€(gè)網(wǎng)格尺寸，對(duì)于應(yīng)力梯度期望較低的地方用較粗糙的網(wǎng)格，而對(duì)于高應(yīng)力梯度期望的地方用較細(xì)的網(wǎng)格。其中，界面層實(shí)體單元，104之間，103MPa一個(gè)增量變化；泊松比一定范圍內(nèi)與彈性模量同比例線性變化，以達(dá)到對(duì)不同粘結(jié)狀態(tài)的模擬。主起落架根據(jù)輪軸數(shù)和輪數(shù)區(qū)分，主要有單輪、雙輪和雙軸雙輪，此外還有串列雙軸雙輪、串列單軸雙輪和串列多軸雙輪等。由公式（）得 KN由公式（）得 m2 道面厚度的確定采用加州承載比法（CBR），是貫入抗力同碎石標(biāo)準(zhǔn)值的百分比表示[31]： （） （）其中：h—路面厚度，cm； P—輪胎重,KN； —輪載接地壓力，MPa；C—全面通過(guò)次數(shù)。 復(fù)合結(jié)構(gòu)模型參數(shù)條件按照上述ANSYS軟件自身的應(yīng)用程序，針對(duì)國(guó)內(nèi)某機(jī)場(chǎng)的特定使用環(huán)境和設(shè)計(jì)要求，對(duì)其道面建立UTW罩面修復(fù)后復(fù)合道面的有限元結(jié)構(gòu)分析模型，并對(duì)其實(shí)際受力狀態(tài)進(jìn)行有限元模擬，以獲得在飛機(jī)荷載和其它外力荷載作用下，復(fù)合結(jié)構(gòu)各層次的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，特別是罩面與舊道面間界面在協(xié)同上下層工作過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律。阻尼矩陣可以按照Rayleigh阻尼假設(shè)形成。一旦各節(jié)點(diǎn)的位移確定，則可以通過(guò)單元位移模式求出單元內(nèi)部的位移值，進(jìn)而求得應(yīng)力和應(yīng)變。即首先找到欲求解的數(shù)學(xué)物理問(wèn)題，用變分表示，寫(xiě)出其總能量表達(dá)式，然后將問(wèn)題的求解區(qū)域剖分成有限小單元體，按照一定的方式聯(lián)系在一起，構(gòu)成單元的組合體。 有限元模型簡(jiǎn)介近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用，各種行之有效的數(shù)值計(jì)算方法得到了巨大的發(fā)展。故上式中罩面與底部舊道面間以及舊道面與底基層間的相互作用力計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮一定的折減系數(shù)，但具體怎樣考慮更為合適，則需要進(jìn)一步地研究和探索。在研究分析過(guò)程中，將剛性罩面及舊道面視為線彈性材料，基層、墊層和土基視為彈塑性材料，考慮作用于彈性地基上的罩面復(fù)合道面結(jié)構(gòu)，施加給定邊界條件，建立了飛機(jī)荷載罩面舊道面基層的復(fù)合結(jié)構(gòu)模型，如圖34所示。在一般混凝土結(jié)構(gòu)中，通過(guò)預(yù)加外力，可使受拉區(qū)預(yù)先產(chǎn)生壓應(yīng)力，以抵消或減小外荷載產(chǎn)生拉應(yīng)力，這樣就可利用混凝土的抗壓強(qiáng)度來(lái)彌補(bǔ)混凝土的抗拉強(qiáng)度不足的缺陷，達(dá)到防止受拉區(qū)混凝土過(guò)早開(kāi)裂的要求，從而可提高截面抗彎剛度和減小裂縫寬度，甚至可以做到在使用荷載下不出現(xiàn)裂縫。因此，在層狀體系中僅用彈性模量來(lái)表示土的承載能力還不完善。本課題研究對(duì)超薄層混凝土罩面層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了如下基本假設(shè)：（1）各層都是由均質(zhì)、各向同性的彈性材料組成；（2）假定下層的舊道面結(jié)構(gòu)在水平方向和向下深度方向均為無(wú)限，其上各層厚度均為有限，但水平方向仍為無(wú)限；（3）上層表面作用軸對(duì)稱(chēng)圓形均布垂直荷載，同時(shí)在下層無(wú)限深度處及水平無(wú)限遠(yuǎn)處應(yīng)力和應(yīng)變都是零；（4）層間接觸面假定完全連續(xù)。 層狀體系基本理論對(duì)于宏觀結(jié)構(gòu)上的道面結(jié)構(gòu)體系來(lái)說(shuō)，罩面復(fù)合結(jié)構(gòu)也是由土基、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)層、道面層等構(gòu)成的多層體系；在研究這種宏觀的道面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法時(shí)，通常采用層狀體系理論的力學(xué)模型，而且認(rèn)為采用該理論要比采用彈性半空間理論更能反映道面的實(shí)際工作情況。考慮UTW罩面在剛性機(jī)場(chǎng)道面上的特殊使用條件與性能要求，本課題實(shí)驗(yàn)研究中室內(nèi)小試件實(shí)驗(yàn)用界面的處理采用的是增韌性界面劑，該界面粘結(jié)劑是固化劑（W751）與水性環(huán)氧樹(shù)脂配合比例為1:4的混合物，其處理方式對(duì)界面粘結(jié)程度的影響，以及對(duì)結(jié)構(gòu)整體的物理力學(xué)性能的影響分析見(jiàn)第四章。 界面處理方式對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響根據(jù)目前相關(guān)研究的結(jié)果表明[11]，新舊混凝土粘結(jié)面的處理方法主要分為物理方法和化學(xué)方法兩類(lèi)，而物理方法又分為噴射處理和機(jī)械處理兩種。該混凝土是直接將粗骨料置于模板中。此外[18]，還要求其熱膨脹系數(shù)以及彈性模量等與原混凝土材料相接近，而且新混凝土的耐久性要高，且其強(qiáng)度至少要比舊混凝土高一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。為此，工程中進(jìn)行罩面鋪筑前需要對(duì)舊道面的表面進(jìn)行相應(yīng)的處理。表面張力主要是指由溫度和濕度變化等外界自然條件引起的罩面混凝土內(nèi)部、界面以及表面上的自收縮張拉等。對(duì)于新舊混凝土粘結(jié)面的微觀層面上的研究，通常主要集中在微觀結(jié)構(gòu)的分析和粘結(jié)模型的建立以及力學(xué)作用機(jī)理的分析上。對(duì)于新舊混凝土間粘結(jié)狀態(tài)的問(wèn)題，人們?cè)谶@方面的理論研究正在不斷的深入、發(fā)展和完善。這樣，由于界面結(jié)構(gòu)與新舊混凝土本身的結(jié)構(gòu)差異，就造成新舊混凝土之間的一個(gè)性質(zhì)特殊的過(guò)渡層—粘結(jié)界面層。罩面與舊道面混凝土間界面結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其形成過(guò)程，可概述如下：（1）與一般工程施工縫處理過(guò)程中新舊混凝土的結(jié)合類(lèi)似，超薄罩面與舊混凝土間接觸界面處也存在一個(gè)類(lèi)似于整體澆筑混凝土中骨料與水泥石之間的界面過(guò)渡區(qū)。 界面粘結(jié)模型的分析對(duì)于新舊混凝土粘結(jié)狀態(tài)的研究，已有研究中建立了不同的界面粘結(jié)模型，主要有Emmno,[6]等人提出的三區(qū)粘結(jié)模型、趙志方[7]等提出的雙界面多層區(qū)粘結(jié)模型、韓菊紅等提出的粘結(jié)界面斷裂模型等。特別是對(duì)于結(jié)構(gòu)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(jié)界面成為影響上下層協(xié)同工作的薄弱環(huán)節(jié)。特別是針對(duì)機(jī)場(chǎng)剛性道面進(jìn)行罩面后所形成的“白+白”復(fù)合結(jié)構(gòu)的相關(guān)技術(shù)和理論研究，尚有待進(jìn)一步的探討。這間接反映了界面在抵抗飛機(jī)沖擊荷載作用下對(duì)道面抗疲勞能力具有一定的貢獻(xiàn)，也說(shuō)明界面（甚至是弱界面）對(duì)于層狀道面結(jié)構(gòu)體系也具有一定的增韌效果?；趪?guó)外在此技術(shù)領(lǐng)域取得的研究成果和工程試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，長(zhǎng)安大學(xué)胡長(zhǎng)順教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組于2002年在國(guó)道210線陜西省銅川市境內(nèi)修筑了一段長(zhǎng)300m的UTW試驗(yàn)路段（該路段為一般的二級(jí)公路），通過(guò)對(duì)試驗(yàn)路段的實(shí)際觀測(cè)和分析，對(duì)超薄水泥混凝土路面的施工技術(shù)、使用性能和在我國(guó)特殊使用條件下的適應(yīng)性進(jìn)行了研究和論證；同時(shí)，長(zhǎng)安大學(xué)馬骉教授等針對(duì)UTW路面結(jié)構(gòu)的荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力等利用有限元法進(jìn)行計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，提出了一系列UTW路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法；2002年，長(zhǎng)沙理工大學(xué)參照國(guó)外的研究成果，在直道實(shí)驗(yàn)室鋪筑了一起超薄水泥混凝土罩面，提出了三種試驗(yàn)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(yàn)方案[2]。1994年，由依阿華州交通廳、標(biāo)志著該技術(shù)在工程中開(kāi)始得以應(yīng)用。該結(jié)構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)主要包括以下幾點(diǎn) [1]：1）厚度較薄，通常為50100mm，對(duì)道面的高程和使用環(huán)境影響??； 2）通過(guò)增強(qiáng)罩面與舊道面的界面粘結(jié)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(yīng)力的不利影響； 4）有利于對(duì)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(jī)場(chǎng)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(zhǎng)，而且具有更好的抗水毀、耐腐蝕性能?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，使得超薄水泥混凝土罩面技術(shù)在舊道面翻新工程中受到越來(lái)越多的關(guān)注，相關(guān)研究也成為當(dāng)前道面翻新技術(shù)研究的熱點(diǎn)。在開(kāi)展超薄水泥混凝土罩面結(jié)構(gòu)研究的同時(shí)，自1998年也開(kāi)始了超薄水泥混凝土罩面與瀝青混凝土復(fù)合罩面結(jié)構(gòu)的研究，為了研究UTW是否適用于較薄的瀝青面層結(jié)構(gòu)，佛羅里達(dá)州交通廳主持修筑了3條UTW試驗(yàn)環(huán)道，結(jié)構(gòu)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。 UTW在場(chǎng)道修復(fù)研究和應(yīng)用中的現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題 關(guān)于超薄混凝土罩面的研究逐漸清晰和深入，但大多是針對(duì)高速公路、城市道路以及十字路口等。顯然，這些研究成果為深入探索界面對(duì)改善道面結(jié)構(gòu)抗疲勞性能提供了可靠的線索，通過(guò)對(duì)界面性能的改進(jìn)可以為提高道面結(jié)構(gòu)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。 論文研究的內(nèi)容和意義經(jīng)過(guò)對(duì)超薄水泥混凝土罩面翻新修復(fù)技術(shù)近20年的研究，國(guó)內(nèi)外在理論和技術(shù)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(lǐng)域的研究成果已經(jīng)逐漸走向成熟。通常，該界面處的粘結(jié)強(qiáng)度一般低于新、舊混凝土本身的強(qiáng)度，且耐久性能也較差。其中，最具代表性的是韓菊紅[8]等根據(jù)新老混凝土粘結(jié)界面的破壞模式和界面層材料特性分析結(jié)構(gòu)，假定新老混凝土粘結(jié)斷裂破壞均為界面破壞，認(rèn)為界面是有一定厚度的“軟”混凝土，其損傷大于粘結(jié)面兩側(cè)新老混凝土本體，在此基礎(chǔ)上提出了粘結(jié)界面斷裂模型。由于舊混凝土的親水性，澆注新的超薄層時(shí)會(huì)在舊混凝土表面形成一層水膜，從而使界面局部的水灰比高于其他部位的水灰比，也導(dǎo)致界面處鈣礬石和氫氧化鈣晶體數(shù)量增多，晶粒變大，形成擇優(yōu)取向，并降低了界面的強(qiáng)度[9]。同時(shí)[10]，罩面材料與舊混凝土之間存在物理化學(xué)性質(zhì)上的差異，由于冷熱交替、凍融循環(huán)作用以及罩面水泥混凝土的自身收縮效應(yīng)等就必然會(huì)在界面處引起附加拉應(yīng)力，從而誘發(fā)“先天”裂縫，如圖22所示。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于新舊混凝土粘結(jié)方面的研究工作，主要集中在小試件的宏觀力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)分析方面。以往研究的結(jié)果認(rèn)為，界面粘結(jié)力主要來(lái)源于范德華力、化學(xué)力、機(jī)械咬合力和表面張力等[12]。尤其是界面處，剛澆筑后早期的水灰比較大，隨著齡期的增加，化學(xué)反應(yīng)物的進(jìn)一步增多、水分蒸發(fā)以及流失等所導(dǎo)致界面出現(xiàn)物理應(yīng)力。目前，人們正在研究和應(yīng)用的混凝土表面處理方法有：人工打毛法、噴丸(砂)法、高壓水射法、鋼絲刷毛法等。以往的工程實(shí)踐中，水泥混凝土罩面往往會(huì)由于新舊混凝土之間的粘結(jié)失效而導(dǎo)致破壞。隨后將水泥砂漿灌入粗骨料之間的縫隙中，配料與普通混凝土相同，只是攪拌和澆筑方法不同。噴射處理包括：高壓水射法、砂（丸）法、噴蒸汽法、真空噴砂法以及噴燒法；機(jī)械處理又包括：鋼刷法、人工鑿毛法、氣錘鑿毛法、機(jī)械切削法；化學(xué)方法常用的主要是酸浸蝕。 本章小結(jié) 本章主要就影響UTW復(fù)合結(jié)構(gòu)整體性能的各種因素進(jìn)行了綜合分析。根據(jù)傳統(tǒng)的道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，在建立雙層道面板模型時(shí)，通常采用的理論模型可分為直接式道面結(jié)構(gòu)模型、結(jié)合式雙層道面結(jié)構(gòu)模型，以及隔離式雙層道面結(jié)構(gòu)模型。 彈塑性理論基本原理研究物體的變形一般是針對(duì)物體內(nèi)部割出來(lái)的一塊微分單元體，顯然各相鄰單元體的變形應(yīng)是協(xié)調(diào)的，物體在變形前后都是一個(gè)連續(xù)體，變形連續(xù)方程為[24]： （）其中：μ是彈性體的波松比； 是第一應(yīng)變不變量。由于應(yīng)力應(yīng)變的非線性，使得有限元模擬的整體平衡方程成為非線性方程組，要從數(shù)學(xué)上求解該問(wèn)題比較困難，可采用近似方法處理。對(duì)于罩面結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，由于舊道面混凝土在既往已經(jīng)承受過(guò)的各種物理、化學(xué)及力學(xué)荷載作用下已經(jīng)產(chǎn)生了一些內(nèi)部應(yīng)力，使其本來(lái)處于張緊預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下；然而，在罩面前對(duì)舊道面進(jìn)行的銑刨、鑿毛等處理，使得這種預(yù)應(yīng)力在表面上得以釋放。圖34 復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)模型示意圖 力學(xué)模型理論分析為了實(shí)現(xiàn)罩面—舊道面結(jié)構(gòu)的有限元模擬分析，將罩面板和底部舊道面板均按照中厚板來(lái)處理。（2）完全按照彈性材料來(lái)定義結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能。而有限元方法則是計(jì)算機(jī)誕生以后，在計(jì)算數(shù)學(xué)、計(jì)算力學(xué)和計(jì)算工程科學(xué)領(lǐng)域里最有效的計(jì)算方法。由于能按不同的連接方式進(jìn)行組合，,單元本身又可以有不同形狀，因此可以模擬化各種幾何形狀復(fù)雜的求解域。因此，從實(shí)質(zhì)上講，有限元法是變分直接法或加權(quán)殘值法中的一種特殊形式。有限元模型的節(jié)點(diǎn)系運(yùn)動(dòng)方程與框架結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程在形式上完全相同，兩種方法的不同之處僅在于單元?jiǎng)偠染仃嚭唾|(zhì)量矩陣的形成上。在進(jìn)行道面設(shè)計(jì)時(shí)，需要知道主輪軸上每個(gè)車(chē)輪傳遞荷載的大小。研究中，將上述飛機(jī)荷載強(qiáng)度計(jì)算數(shù)據(jù)，帶入公式（）得：，取。根據(jù)規(guī)范，當(dāng)主起落架為單輪、雙輪或雙軸雙輪時(shí)，其臨界荷位的機(jī)輪布置如圖41所示[33]。表 有限元模型材料參數(shù)參數(shù) 罩面層 舊道面層 基層 墊層 天然土基 等效地基層彈性模量E/ 104 104 103 220 150 200泊松比 密度 2415 2415 2375 2100 1840 1892粘聚力C/ —— —— —— 10內(nèi)摩擦角θ（176。本課題研究中，橫向統(tǒng)一采用500