【正文】 失去一部分水泥漿。相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明[19]，在罩面混凝土中加入一定量的纖維可以改善新舊混凝土之間的粘結(jié)性。 各結(jié)構(gòu)層對(duì)粘結(jié)狀態(tài)的影響研究 舊道面表面性狀對(duì)粘結(jié)性能的影響作為整體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，舊道面的材料和結(jié)構(gòu)性態(tài)對(duì)界面粘結(jié)性能的影響非常關(guān)鍵，特別是表面的處理狀態(tài)直接影響著舊道面與罩面間粘結(jié)強(qiáng)度的高低。目前，對(duì)新舊混凝土粘結(jié)的研究主要集中在以下幾個(gè)方面。這是物質(zhì)結(jié)構(gòu)在化學(xué)方面的原因，是影響新舊混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的本質(zhì)內(nèi)因。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(jié)，才能與舊道面形成協(xié)同工作的復(fù)合結(jié)構(gòu)，從而最大限度地發(fā)揮舊道面的剩余承載力。此外，圣路易斯機(jī)場(chǎng)停機(jī)坪的項(xiàng)目中嘗試應(yīng)用了UTW罩面技術(shù)，在道面翻新過(guò)程中，在混凝土中安裝了儀器以監(jiān)測(cè)混凝土面層在外載條件下不同位置的應(yīng)力變形情況，通過(guò)比較現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)與模型分析結(jié)果證實(shí)UTW的復(fù)合作用。截止2000年底，美國(guó)已修筑UTW總面積約220萬(wàn)平方米。與常規(guī)水泥混凝土道面蓋被不同的是，該技術(shù)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(xué)反應(yīng)機(jī)制也存在著根本差異，主要表現(xiàn)為荷載作用下結(jié)構(gòu)層的物理力學(xué)反應(yīng)狀態(tài)的本質(zhì)差別。基于這些研究的結(jié)果，取得了不少可供借鑒的有益結(jié)論：1）對(duì)舊路面進(jìn)行銑刨、清潔處理，使UTW與舊道面層層間界面充分粘結(jié)，可以減小UTW罩面板的荷載應(yīng)力，是影響UTW路面長(zhǎng)期使用性能的關(guān)鍵因素；2）UTW路面使用的混凝土應(yīng)是高早強(qiáng)混凝土，且宜根據(jù)配合比設(shè)計(jì)摻入聚丙烯纖維、鋼纖維等增強(qiáng)材料；3）銑刨后路面層剩余厚度對(duì)UTW路面的荷載應(yīng)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(jié)等是UTW路面的主要影響因素。然而，由于場(chǎng)道使用條件的特殊要求，對(duì)超薄罩面在場(chǎng)道修復(fù)中的應(yīng)用提出了更高的要求。但是，由于粘結(jié)材料與下層混凝土之間的粘結(jié)力不足以抵抗各種因素，而可能在新老混凝土結(jié)合面處產(chǎn)生的附加應(yīng)力而導(dǎo)致失敗[5]。（3）新舊混凝土界面處的骨料和硬化水泥石對(duì)罩面混凝土而言猶如是一個(gè)面，整個(gè)舊道面像一塊表面比較平坦的“大骨料”，而這塊“大骨料”與整體澆筑混凝土中的骨料相比不但體積大且只有一個(gè)“面”，并且這個(gè)“面”相對(duì)較平坦?？偟脕?lái)說(shuō)，壓剪作用下的粘結(jié)面剪切強(qiáng)度隨壓應(yīng)力的增大而提高。而對(duì)于此結(jié)論的研究主要集中在舊道面表面粗糙度的評(píng)價(jià)方面，而粗糙度的定量評(píng)估是一個(gè)非常重要的因素，但各種處理方法中還沒(méi)有明確定義粗糙度的方法。目前，一種新型的混凝土（預(yù)鋪骨料混凝土）正引起大家的廣泛關(guān)注。圖23新舊混凝土粘結(jié)面的處理方法基于以往研究的結(jié)果，人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了各種類(lèi)型的界面粘結(jié)劑，由于不同界面劑分別具有不同的增強(qiáng)機(jī)理和性能特點(diǎn)，為道面罩面結(jié)構(gòu)的界面處理也提供了較寬的可供選擇的范圍[22]。因此，上述假定與超薄罩面結(jié)構(gòu)的界面粘結(jié)特征差別太大，利用該薄板有限元理論的方法難以正確描述該復(fù)合結(jié)構(gòu)的性能。通過(guò)適當(dāng)選取這些參數(shù)（見(jiàn)第五章有限元建模分析），可以獲得不同道面結(jié)構(gòu)中混凝土的非線(xiàn)性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，如圖32和圖33所示。上部荷載能完全按照力的傳遞規(guī)律傳遞到下部舊道面，舊道面的剩余承載力能得到充分發(fā)揮，能夠最大程度地利用舊道面的作用，而使得罩面承受的荷載相對(duì)減小。ANSYS在工程上的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛，在機(jī)械、電機(jī)、土木、點(diǎn)子及航空等領(lǐng)域的使用，都能達(dá)到某種程度的可信度，頗獲各界好評(píng)，已成為現(xiàn)代工程學(xué)必不可少的有力工具[26]。 （）式中：為單元總數(shù)，為單元矩陣總體矩陣總裝的集成關(guān)系矩陣。車(chē)輪傳給道面的荷載分布在一定的面積上，稱(chēng)接觸面積，規(guī)范假定為矩形，接觸面積上的荷載集度稱(chēng)為接觸壓力，通常認(rèn)為等于輪胎壓力，它們的關(guān)系為： （）式中：A—接觸面積，m2；P—單輪上的荷載（考慮動(dòng)力影響），KN；—輪胎壓力，KPa。 材料模型 根據(jù)國(guó)內(nèi)某機(jī)場(chǎng)道面資料，模型中基層為兩層200mm厚度的水泥穩(wěn)定碎石；墊層為500mm厚度的塘渣；在不考慮土基固結(jié)的情況下，按照影響線(xiàn)理論，取2m厚的土基層；而舊道面為銑刨除去50mm厚上表面的350mm厚度的設(shè)計(jì)水泥混凝土道面；罩面取50mm厚度高早強(qiáng)C40水泥混凝土層，其中摻入一定比例的纖維。忽略溫度、濕度作用的影響，最終，考慮荷載及邊界約束條件后所建立的罩面復(fù)合結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖44所示。這就要求在實(shí)際工程中，需要最大限度地增強(qiáng)罩面與舊道面的粘結(jié)強(qiáng)度，以降低罩面結(jié)構(gòu)的中性軸，提高復(fù)合結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作能力[39]。 圖414節(jié)點(diǎn)水平應(yīng)力響應(yīng)時(shí)程圖 圖415節(jié)點(diǎn)水平應(yīng)變時(shí)程響應(yīng)圖由圖414節(jié)點(diǎn)的水平應(yīng)力時(shí)程曲線(xiàn)可以看出，各層的水平應(yīng)力都是交變的，既有壓應(yīng)力又有拉應(yīng)力，罩面層上部、界面層和舊道面中部主要承受拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力發(fā)生在罩面層上部；舊道面結(jié)構(gòu)層與基層交界面也是主要承受水平的拉應(yīng)力，但相對(duì)較?。欢鶎优c土基層交界面主要承受的壓應(yīng)力；由圖415節(jié)點(diǎn)的水平應(yīng)變時(shí)程響應(yīng)曲線(xiàn)可以看出，由上向下節(jié)點(diǎn)的水平應(yīng)變呈現(xiàn)了壓、拉的轉(zhuǎn)變，且同一節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)刻也是拉壓交變的，表現(xiàn)出了載荷的擴(kuò)散效應(yīng)；罩面層表面和底面開(kāi)始承受了較大的水平拉應(yīng)力，而復(fù)合道面底面與基層結(jié)合處基本上拉壓平衡，基層與土基層結(jié)合處發(fā)生水平的壓應(yīng)變。因此，在工程實(shí)際中，罩面材料的彈性變形能力應(yīng)得到足夠的保證，以便將荷載傳遞給舊道面而形成良好的協(xié)同工作狀態(tài)。圖425板中位置節(jié)點(diǎn)豎向位移、應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程曲線(xiàn)圖426板中位置節(jié)點(diǎn)橫向位移、應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程曲線(xiàn) 圖427板中位置節(jié)點(diǎn)水平位移、剪應(yīng)力、剪應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程曲線(xiàn)板中（c）位置處節(jié)點(diǎn)的豎向位移及應(yīng)力應(yīng)變時(shí)程響應(yīng)曲線(xiàn)顯示，道面各結(jié)構(gòu)層在外荷載作用下的變形情況基本一致，說(shuō)明各結(jié)構(gòu)層間能夠較有效地傳遞豎向荷載；機(jī)輪經(jīng)過(guò)的位置附近豎向受壓顯著，而其它時(shí)間主要承受拉應(yīng)力，與以往研究結(jié)果相一致。如圖423所示，板邊（b）位置節(jié)點(diǎn)的豎向位移及應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程曲線(xiàn)顯示，各結(jié)構(gòu)層對(duì)荷載的響應(yīng)較一致；應(yīng)力應(yīng)變拉、壓交變顯著；當(dāng)機(jī)輪靠近時(shí)位移、應(yīng)力、應(yīng)變達(dá)到最大值，且仍以基層和土基層的響應(yīng)最為明顯。 圖418節(jié)點(diǎn)縱向應(yīng)變響應(yīng)時(shí)程圖由節(jié)點(diǎn)縱向應(yīng)變時(shí)程響應(yīng)曲線(xiàn)可以看出，罩面層及舊道面上部面層結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)變很小，向下基層和土基層縱向應(yīng)變逐漸增大。與橫向應(yīng)力時(shí)程響應(yīng)規(guī)律相對(duì)應(yīng)，節(jié)點(diǎn)的橫向應(yīng)變時(shí)程響應(yīng)曲線(xiàn)顯示，罩面及舊道面層主要發(fā)生橫向壓應(yīng)變，而道面層以下的基層和土基層主要發(fā)生橫向拉應(yīng)變。 不同界面模量對(duì)節(jié)點(diǎn)豎向及水平剪應(yīng)力的影響情況對(duì)比表彈性模量E（MPa）102103103104104豎向應(yīng)力（MPa）靜載動(dòng)載水平剪應(yīng)力（*E2MPa）靜載動(dòng)載圖47 界面彈性模量對(duì)節(jié)點(diǎn)豎向應(yīng)力的影響圖48 界面彈性模量對(duì)節(jié)點(diǎn)水平剪應(yīng)力的影響由上圖對(duì)比說(shuō)明，不管是在靜載還是動(dòng)載作用下，隨著界面層彈性模量的增加，罩面層底部界面節(jié)點(diǎn)的豎向及水平方向的應(yīng)力值響應(yīng)情況有一個(gè)共同點(diǎn)，就是隨著模量增加，響應(yīng)值都有一定程度的降低；且相對(duì)而言，模量對(duì)于水平剪應(yīng)力響應(yīng)的變化情況較豎向應(yīng)力響應(yīng)要大一些，104MPa時(shí)，%，%；另外，隨著模量值的增大，節(jié)點(diǎn)的豎向應(yīng)力以及水平剪應(yīng)力的降低速率也逐漸降低，104時(shí)，%%，104時(shí)，%%。圖43 有限元幾何模型圖 外部荷載及邊界條件的確定 土基底部的約束可視為豎向的定向約束，與底面垂直的各面施加法向位移約束，不考慮土基的抗剪切能力，耦合層間相應(yīng)節(jié)點(diǎn)豎直方向（Y方向）的自由度[32]。圖41 道面板機(jī)輪的臨界荷位布置當(dāng)主起落架為復(fù)合式時(shí)，其臨界荷位的機(jī)輪位置應(yīng)通過(guò)計(jì)算來(lái)確定[34]。停放在道面上的飛機(jī)，其主輪上每個(gè)機(jī)輪的靜荷載P按下式計(jì)算[28]： （）式中：G－飛機(jī)總質(zhì)量，單位KN；－主起落架荷載分配系數(shù)，可從飛機(jī)手冊(cè)[29]中查得，～；M為主起落架個(gè)數(shù)；N－每個(gè)主起落架上的機(jī)輪數(shù)。選擇這樣一種函數(shù)的主要有缺點(diǎn)在于[27]：（1）因?yàn)橥?lèi)單元位移模式是相同的，計(jì)算程序十分簡(jiǎn)單；（2）因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)位移僅影響其臨近的單元，所以這個(gè)方法所得的方程大部分是非耦合的，因此易于計(jì)算機(jī)數(shù)值求解；（3）廣義坐標(biāo)具有明顯的物理意義，這是不同于一般廣義坐標(biāo)發(fā)的地方，直接給出了節(jié)點(diǎn)的位移或力；（4）解的精度可以通過(guò)在結(jié)構(gòu)離散化時(shí)增加有限單元的數(shù)目來(lái)提高； 基本分析過(guò)程對(duì)于一個(gè)結(jié)構(gòu)，采用有限元法建立體系運(yùn)動(dòng)方程的基本步驟可以總結(jié)如下：（1）采用有限元法將結(jié)構(gòu)離散化，即將結(jié)構(gòu)理想化為有限單元的集合。隨著有限元理論基礎(chǔ)的日益完善，出現(xiàn)了很多通用和專(zhuān)用的有限元計(jì)算軟件。按照彈性力學(xué)，可以得到板的內(nèi)力與三個(gè)廣義位移之間的關(guān)系，再將其帶入到板的動(dòng)力平衡方程式中，得到以三個(gè)廣義位移表示的基本方程式。本課題研究選擇采用增量迭代法解決，首先將總荷載分為若干級(jí)，并對(duì)每級(jí)荷載增量進(jìn)行若干級(jí)迭代，使其收斂于真實(shí)解。文獻(xiàn)（《帶柔性?shī)A層的雙層彈性板模型與實(shí)驗(yàn)研究—科研課題報(bào)告 》 1996）提出了將上下板考慮成中厚板，采用Reissner中厚板理論，同時(shí)考慮隔離層影響的設(shè)計(jì)理論。具體處理方法如圖23所示。其具體表現(xiàn)就是，開(kāi)始時(shí)新舊混凝土之間有較好的粘結(jié)性，但由于新澆筑混凝土的后期收縮與舊混凝土不一致，而導(dǎo)致在新舊混凝土粘結(jié)面上產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，該應(yīng)力足以能使原有的粘結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，為此所選罩面材料的物理收縮性應(yīng)盡可能小。從微觀(guān)角度來(lái)看，該作用力對(duì)界面的早期粘結(jié)強(qiáng)度影響較大。但比較完善的處理方法和粘結(jié)機(jī)理尚不清楚，尤其對(duì)于超薄層的粘結(jié)失效機(jī)理研究還很少。同時(shí)，由于舊混凝土的阻礙，罩面混凝土中的泌水和氣泡積聚在舊混凝土表面，不僅使罩面混凝土與舊道面結(jié)合處局部的水灰比更高，而且使得氣孔和微裂縫在該區(qū)富集，這樣就顯著地降低了界面的強(qiáng)度。例如，UTW翻新后的場(chǎng)道，在飛機(jī)荷載下，其道面的復(fù)合結(jié)構(gòu)將承受很大的豎向壓力和橫向剪切力。英國(guó)的Norbert J. Delette等通過(guò)對(duì)新舊混凝土道面的界面粘結(jié)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究了界面粘結(jié)強(qiáng)度發(fā)展的過(guò)程，探討了混凝土罩面的時(shí)機(jī)及不同改進(jìn)方法對(duì)界面粘結(jié)性能的影響，提出了一些測(cè)試界面粘結(jié)強(qiáng)度的方法和利用復(fù)合材料改進(jìn)界面粘結(jié)能力的措施。連續(xù)加載60000次后，道路使用狀況良好。具體體現(xiàn)為常規(guī)厚度蓋被是作為獨(dú)立的面層結(jié)構(gòu)承受各種外部荷載的作用，而下層的舊道面結(jié)構(gòu)這時(shí)僅僅起到基層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中，通過(guò)適當(dāng)?shù)慕缑嬲辰Y(jié)處理，使罩面與舊道面間形成良好的粘結(jié)狀態(tài)，并以復(fù)合結(jié)構(gòu)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(shí)，也能夠更好地與下層舊道面協(xié)調(diào)變形。國(guó)內(nèi)對(duì)UTW的研究起步較晚，有關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的成果也相對(duì)較少。同時(shí)，眾多研究和理論成果均未形成一個(gè)完整的體系，使得該項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和推廣受到一定的限制。因此，針對(duì)新老混凝土結(jié)構(gòu)加固中的薄弱環(huán)節(jié)——粘結(jié)界面的特點(diǎn)和性狀進(jìn)行研究，對(duì)影響界面粘結(jié)失效的原因進(jìn)行探討，顯得極為重要。這樣，罩面新拌混凝土就如同僅與這塊“大骨料”的一個(gè)平“面”粘結(jié)。 新舊粘結(jié)界面的微觀(guān)力學(xué)機(jī)理分析實(shí)際上，新老混凝土粘結(jié)結(jié)構(gòu)的整體宏觀(guān)力學(xué)性能是其界面處微觀(guān)結(jié)構(gòu)的具體表現(xiàn)，要從本質(zhì)上揭示新老混凝土的粘結(jié)性能，則必須深入研究其微觀(guān)機(jī)理。通常，為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性能，需要提高界面的粘結(jié)程度。預(yù)鋪骨料混凝土具有良好的粘結(jié)性，而且收縮非常小[21]。目前，工程中比較常用的界面劑主要有抗收縮類(lèi)界面劑、高滲透性界面劑、增韌性界面劑、緩凝性界面劑等。為此，本課題研究擬考慮基于多層彈性理論、多層有限元理論的形式來(lái)描述該復(fù)合結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)狀態(tài)。 圖32罩面混凝土應(yīng)力應(yīng)變非線(xiàn)性關(guān)系 圖33舊道面混凝土應(yīng)力應(yīng)變非線(xiàn)性關(guān)系 反預(yù)應(yīng)力作用理論預(yù)應(yīng)力通常是指可以提高結(jié)構(gòu)承載能力，在結(jié)構(gòu)承受荷載之前而施加的內(nèi)部應(yīng)力。而實(shí)際上，由于罩面、舊道面本身材料性能的不同以及施工處理技術(shù)上的不足等，都會(huì)使得界面處成為復(fù)合結(jié)構(gòu)的最薄弱位置，因而其強(qiáng)度和剛度均低于上下道面材料，這就造成界面處荷載傳遞的不連續(xù)，荷載傳遞能力降低，上部荷載不能有效地傳遞給下部舊道面，而使得罩面層承受了更多的外部作用。 有限元分析的基本原理有限元法是將連續(xù)體離散化的一種近似方法，其理論基礎(chǔ)是變分原理、連續(xù)體剖分與分片插值[27]。（5）形成總體結(jié)構(gòu)有限元模型的運(yùn)動(dòng)方程 （）其中：為單元節(jié)點(diǎn)系位移向量。本課題研究采用設(shè)計(jì)機(jī)型為B747400型飛機(jī)，其最大起飛重量為3781KN，雙輪雙軸，主輪間距，CBR=，全面通過(guò)系數(shù)C取5368次。參考已有的相關(guān)研究的基礎(chǔ)參數(shù)，確定本研究相關(guān)的模型參數(shù)。 復(fù)合結(jié)構(gòu)有限元分析型圖 有限元模型結(jié)果分析 界面狀態(tài)對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)整體性能的影響分析模型建立后即可對(duì)模型進(jìn)行后處理分析，主要包括通用后處理和時(shí)間歷程后處理分析。 應(yīng)力應(yīng)變時(shí)程響應(yīng)分析假定界面層與舊道面混凝土粘結(jié)情況良好，各結(jié)構(gòu)層間通過(guò)MERGE命令粘結(jié)?？傮w上來(lái)說(shuō)，各節(jié)點(diǎn)的水平應(yīng)變時(shí)間歷程變化較明顯，水平拉、壓應(yīng)變交變情況較突出。同時(shí)，機(jī)輪荷載經(jīng)過(guò)時(shí)，節(jié)點(diǎn)的縱向應(yīng)變響應(yīng)明顯，應(yīng)變值達(dá)到最大其主要產(chǎn)生縱向壓應(yīng)變，基層與土基層結(jié)合處，節(jié)點(diǎn)的縱向應(yīng)變也相對(duì)較大，；其他結(jié)構(gòu)層和層間結(jié)合處縱向應(yīng)變不明顯。水平及橫向響應(yīng)亦是拉壓交變，罩面與舊道面變形較一致；而地基及基層應(yīng)變?nèi)匀惠^明顯地體現(xiàn)了模量的影響