【文章內(nèi)容簡介】 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]。目前，工程中比較常用的界面劑主要有抗收縮類界面劑、高滲透性界面劑、增韌性界面劑、緩凝性界面劑等?？紤]UTW罩面在剛性機(jī)場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)性能的影響分析見第四章。 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。首先，對(duì)該復(fù)合結(jié)構(gòu)的整體體系的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)進(jìn)行了綜合性描述，闡明了該結(jié)構(gòu)體系的主要工作性能，以及影響該體系性能的主要因素和指標(biāo)；其次，針對(duì)影響整體協(xié)同工作性能的關(guān)鍵因素界面進(jìn)行進(jìn)一步的探討和研究。其中，針對(duì)超薄罩面這一特殊結(jié)構(gòu)形式，參考已有實(shí)驗(yàn)和理論研究成果以及工程實(shí)際資料，對(duì)界面的主要特性進(jìn)行了介紹總結(jié)；對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)中界面處新舊混凝土的物理力學(xué)性能形成機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)分析，主要包括宏觀力學(xué)性能、微觀力學(xué)機(jī)理、各結(jié)構(gòu)層對(duì)界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響等做了詳細(xì)的分析、研究。其中，又包括了舊道面可粘結(jié)性能的分析、罩面材料性能以及不同的界面處理方式對(duì)粘結(jié)程度的影響，針對(duì)后兩部分內(nèi)容，進(jìn)行了一系列室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)合本課題研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，探討了采用舊混凝土表面粗糙性處理、界面劑處理、界面粘結(jié)材料處理、新澆筑混凝土材料的科學(xué)選擇與改進(jìn)等方面對(duì)界面性能以及整體復(fù)合結(jié)構(gòu)性能的影響規(guī)律。第三章 UTW復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)模型分析 相關(guān)基本理論概述與普通的水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)不同，對(duì)舊道面進(jìn)行罩面層處理后的復(fù)合結(jié)構(gòu)屬于雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)體系，從基本物理力學(xué)的理論原理來看，該復(fù)合結(jié)構(gòu)與通常的整體結(jié)構(gòu)在物理力學(xué)性能等方面可能表現(xiàn)出很大的差別；特別是超薄罩面后的復(fù)合結(jié)構(gòu)使得新澆筑超薄層成為附著在舊道面上的加強(qiáng)層，該結(jié)構(gòu)體系又與普通復(fù)合結(jié)構(gòu)具有較大的差別。因此，需要在了解與掌握一般復(fù)合結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上，充分認(rèn)識(shí)超薄罩面結(jié)構(gòu)體系的物理力學(xué)特性，以便對(duì)其復(fù)合結(jié)構(gòu)的綜合物理力學(xué)性能進(jìn)行深入研究。 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)體系來說，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。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。文獻(xiàn)（《帶柔性夾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。針對(duì)有夾層的雙層剛性道面的力學(xué)分析，已有很多研究。其中，姚炳卿[23]等人在他人研究的基礎(chǔ)上給出了經(jīng)典的層間光滑接觸有夾層的雙層剛性道面板的完整的有限元分析方法。但是，其主要基于薄板有限元理論，且做了層間光滑、無摩擦的假定；而工程實(shí)際情況是板與夾層、板與基層間的接觸不可能是完全光滑、而是部分或完全連續(xù)性接觸狀態(tài)。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。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描述該復(fù)合結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)狀態(tài)。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限，其上各層厚度均為有限，但水平方向仍為無限；（3）上層表面作用軸對(duì)稱圓形均布垂直荷載，同時(shí)在下層無限深度處及水平無限遠(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)。 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。變形連續(xù)方程又稱相容條件，它是由B. DesaintVenant于1864年提出的理論模型, 該模型的變形必須滿足變形連續(xù)方程才能保證位移分量的存在，否則由幾何方程求出的位移分量將相互不相容，這表示形變以后的物體將發(fā)生相互脫離或侵入的情況。本課題研究中，由于罩面、舊道面以及基層結(jié)構(gòu)混凝土剛度相近，且相對(duì)于土基較大，作為層狀體系考慮，將其視為位于彈性地基上的梁進(jìn)行模型的建立和計(jì)算。其中，按照Winker彈性地基梁的基本性狀和計(jì)算原理如下：圖31 彈性地基梁模型示意圖 （）式中，為地基機(jī)床系數(shù)，；—上部結(jié)構(gòu)彈性模量；—上部結(jié)構(gòu)界面慣性矩；—作用在結(jié)構(gòu)上的壓力。 對(duì)于剛性多層道面板體系，可以假定是在超薄層罩面的底層與舊道面上表面之間增設(shè)了一個(gè)彈簧支撐體系，并以此建立響應(yīng)的力學(xué)模型，從超薄層罩面層的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分析結(jié)構(gòu)的性能特征；對(duì)于罩面—舊道面復(fù)合結(jié)構(gòu)，還可以通過在罩面層和舊道面間加設(shè)薄層實(shí)體單元，通過改變彈性模量和波松比等材料參數(shù)來模擬上下層間的粘結(jié)狀態(tài)，通過分析罩面層底表面和舊道面上表面的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，來表征和描述界面狀態(tài)對(duì)上下層協(xié)同變形能力的影響。利用該模型有利于有限元建模參數(shù)的選擇和計(jì)算。 道面結(jié)構(gòu)的非線性分析原理作為道面材料的混凝土具有應(yīng)力應(yīng)變的非線性特性，在小應(yīng)變時(shí)通常呈現(xiàn)線彈性性質(zhì)；而當(dāng)應(yīng)變較大時(shí)，非線性特性表現(xiàn)出更為明顯。因此，在層狀體系中僅用彈性模量來表示土的承載能力還不完善。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)上求解該問題比較困難，可采用近似方法處理。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。在進(jìn)行有限元模擬分析時(shí)，需要選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算軟件來完成該任務(wù)，本課題研究采用ANSYS軟件對(duì)該復(fù)合結(jié)構(gòu)的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了分析。由于ANSYS軟件中提供了許多模擬混凝土復(fù)雜本構(gòu)關(guān)系的材料模型。針對(duì)Solid65單元，混凝土材料可以通過選取非線性模型考慮塑形應(yīng)變和徐變，基本參數(shù)有開裂截面和裂縫閉合截面的剪切傳遞參數(shù)，單軸和多軸的抗拉、抗壓強(qiáng)度等。通過適當(dāng)選取這些參數(shù)（見第五章有限元建模分析），可以獲得不同道面結(jié)構(gòu)中混凝土的非線性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，如圖32和圖33所示。 圖32罩面混凝土應(yīng)力應(yīng)變非線性關(guān)系 圖33舊道面混凝土應(yīng)力應(yīng)變非線性關(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。在一般混凝土結(jié)構(gòu)中，通過預(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)混凝土過早開裂的要求，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。對(duì)于罩面結(jié)構(gòu)來說，由于舊道面混凝土在既往已經(jīng)承受過的各種物理、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。在進(jìn)行罩面澆筑后，由于上層罩面混凝土的在溫度、濕度變化等作用下的自收縮，使得罩面層與舊道面結(jié)合的界面處會(huì)形成一定的變形不均勻情況而產(chǎn)生應(yīng)力重新分布問題，這也容易導(dǎo)致在罩面層內(nèi)部形成張緊應(yīng)力的同時(shí)，舊道面表層必然承受對(duì)應(yīng)的收縮壓應(yīng)力作用。罩面層所遭受的張拉應(yīng)力成為危害其結(jié)構(gòu)本身，以及與舊道面之間粘結(jié)能力的不良因素。在施工工藝良好的情況下，盡管所形成的這種張緊應(yīng)力可能在數(shù)值上并不很高，但相對(duì)于混凝土早期的承受能力，特別是界面的粘結(jié)能力來說已經(jīng)足夠大。因此，這種預(yù)應(yīng)力對(duì)于罩面與舊道面間界面的力學(xué)特性和性能狀態(tài)會(huì)起到主導(dǎo)的控制作用，必須將該預(yù)應(yīng)力的作用作為界面過渡區(qū)的一種主要受力類型來考慮。 力學(xué)結(jié)構(gòu)模型特征分析 鑒于超薄水泥混凝土罩面技術(shù)理論和技術(shù)應(yīng)用研究尚不成熟的情況，本課題研究中在已有的相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，需要結(jié)合典型機(jī)場的道面實(shí)際狀況進(jìn)行實(shí)例分析；在課題研究過程中，在實(shí)地調(diào)研和理論分析的基礎(chǔ)上，收集了國內(nèi)某機(jī)場的場道設(shè)計(jì)和使用參數(shù)等，對(duì)其道面翻新所需的各項(xiàng)參數(shù)，以便建立其力學(xué)結(jié)構(gòu)分析模型，并進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行有限元模型分析，以便獲得該復(fù)合結(jié)構(gòu)的受力和變形響應(yīng)效應(yīng)分析結(jié)果，為該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用和理論分析提供參考。 力學(xué)模型的建立根據(jù)國內(nèi)某機(jī)場場道破損的特征統(tǒng)計(jì)，道面的主要破壞形式表現(xiàn)為飛機(jī)荷載及其他外力作用下的表面裂紋、裂縫、坑槽等，其破損影響深度不大、道面整體結(jié)構(gòu)尚處于較完整狀態(tài)，殘余承載力較高，滿足UTW翻新設(shè)計(jì)的適應(yīng)性條件，可以依照這些數(shù)據(jù)建立其力學(xué)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，以便分析其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變條件方程。在研究分析過程中，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。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處理。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。其中，罩面板的平衡微分方程表達(dá)式為： （）式中：分別為罩面剪切模量、厚度、柏松比；為飛機(jī)在罩面上的荷載；為舊道面對(duì)罩面的反作用力。其底部舊道面的平衡微分方程表達(dá)式為： （）式中：分別為舊道面剪切模量、厚度、柏松比；為罩面對(duì)舊道面的反作用力；為舊道面的地基反力，且有： （）為舊道面下彈性地基模型中的獨(dú)立彈性常數(shù)。上述（1）和（2）方程式中，為板的抗彎剛度； 為剪切變形修正因子； 為罩面和舊道面板的撓度；分別為繞y軸和繞x軸的轉(zhuǎn)角；可表示為： （） 考慮上述方程式的推演，主要建立在一系列假設(shè)條件的基礎(chǔ)上，可能使其模擬結(jié)果與實(shí)際情況產(chǎn)生某些差異，這些情況主要體現(xiàn)在以下方面：（1）假設(shè)罩面和舊道面間界面處于完全粘結(jié)狀態(tài)，荷載傳遞通過界面時(shí)無任何減損。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。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。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。（2）完全按照彈性材料來定義結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能。實(shí)際情況是，無論罩面還是舊道面均為非均質(zhì)的混凝土結(jié)構(gòu)，屬于彈塑性材料，這里為了計(jì)算表示方便，故假設(shè)成彈性材料。（3）在上述假設(shè)條件下，得到的理論計(jì)算公式僅能表征復(fù)合罩面的受力作用原理，但卻不能準(zhǔn)確反映實(shí)際的工作狀態(tài)和應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)；同時(shí)，上述方程式求解起來是很困難的，并且求解過程中會(huì)涉及到許多參數(shù)的確定問題，使得問題求解過程中可能出現(xiàn)不收斂的情況。因此，為獲得較為精確可靠的結(jié)果，需要研究復(fù)合結(jié)構(gòu)的有限元建模，將復(fù)雜的計(jì)算問題交給計(jì)算機(jī)處理；并借助軟件分析的結(jié)果，力求做到更為直觀、準(zhǔn)確地表征罩面和舊道面間的協(xié)同工作變形情況，為UTW罩面設(shè)計(jì)計(jì)算和實(shí)際應(yīng)用提供理論數(shù)據(jù)支撐。第四章 復(fù)合層狀道面結(jié)構(gòu)有限元模擬基于實(shí)驗(yàn)室小試件實(shí)驗(yàn)與模擬分析的結(jié)果，以及由此確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，針對(duì)飛機(jī)荷載作用下罩面后道面的層狀體系結(jié)構(gòu)建立有限元模型，并進(jìn)行模擬分析。分別對(duì)罩面底層表面、舊道面底層表面以及基層底表面的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析，并與實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的UTW相關(guān)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，超薄水泥混凝土罩面結(jié)構(gòu)能有效地適應(yīng)飛機(jī)荷載等作用，能有效地利用下層舊道面的剩余承載力以共同協(xié)調(diào)變形；而影響其協(xié)調(diào)變形能力的關(guān)鍵因素則為上下層間的粘結(jié)狀態(tài)。 有限元模型簡介近年來，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。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。隨著有限元理論基礎(chǔ)的日益完善，出現(xiàn)了很多通用和專用的有限元計(jì)算軟件。由于其提供了更快捷和低成本的方式評(píng)估設(shè)計(jì)的概念和細(xì)節(jié)，所以人們?cè)絹碓蕉嗟貞?yīng)用有限元仿真的方法代替模型實(shí)驗(yàn)甚至足尺試驗(yàn)。ANSYS程序即是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種商業(yè)套裝工程分析軟件。通過它，可以讓我們知道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)收到外力負(fù)荷時(shí)所出現(xiàn)的反應(yīng)，例如應(yīng)力、位移、溫度等，根據(jù)該反應(yīng)可知道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載后的狀態(tài)，進(jìn)而判斷是否符合設(shè)計(jì)使用要求。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]。 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]。即首先找到欲求解的數(shù)學(xué)物理問題，用變分表示，寫出其總能量表達(dá)式，然后將問題的求解區(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。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。在每個(gè)單元體上選擇有限的節(jié)點(diǎn)，并在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上選定有限待求的廣義節(jié)點(diǎn)位移，然后在每個(gè)單元上以選定的全部節(jié)點(diǎn)上的節(jié)點(diǎn)廣義位移為參數(shù)近似地插值整個(gè)單元