【正文】 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。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?lái)越多地應(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)。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。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)。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。（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(lái)是很困難的，并且求解過(guò)程中會(huì)涉及到許多參數(shù)的確定問(wèn)題，使得問(wèn)題求解過(guò)程中可能出現(xiàn)不收斂的情況。（2）完全按照彈性材料來(lái)定義結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能。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。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(guò)界面時(shí)無(wú)任何減損。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。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。 力學(xué)模型的建立根據(jù)國(guó)內(nèi)某機(jī)場(chǎng)場(chǎng)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(mǎn)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。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(guò)渡區(qū)的一種主要受力類(lèi)型來(lái)考慮。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。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。針對(duì)Solid65單元，混凝土材料可以通過(guò)選取非線(xiàn)性模型考慮塑形應(yīng)變和徐變，基本參數(shù)有開(kāi)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。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(lái)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。由于應(yīng)力應(yīng)變的非線(xiàn)性，使得有限元模擬的整體平衡方程成為非線(xiàn)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。 道面結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)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(xiàn)性特性，在小應(yīng)變時(shí)通常呈現(xiàn)線(xiàn)彈性性質(zhì)；而當(dāng)應(yīng)變較大時(shí)，非線(xiàn)性特性表現(xiàn)出更為明顯。 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(guò)在罩面層和舊道面間加設(shè)薄層實(shí)體單元，通過(guò)改變彈性模量和波松比等材料參數(shù)來(lái)模擬上下層間的粘結(jié)狀態(tài)，通過(guò)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(lái)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。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。 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。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)。但是，其主要基于薄板有限元理論，且做了層間光滑、無(wú)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)。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。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。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。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。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(guān)力學(xué)性能、微觀(guān)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。 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。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，我們所采取的措施是在舊混凝土表面預(yù)先涂抹上一層粘結(jié)劑，這樣，既可以使老混凝土表面充分浸潤(rùn)，又不至于由于減少了一部分水泥漿體而影響了新混凝土的充分凝結(jié)，且本課題研究中的相關(guān)試驗(yàn)研究表明，在舊混凝土表面狀態(tài)相同的情況下，采用界面劑處理后的新舊混凝土界面粘結(jié)效果優(yōu)于不用界面劑的粘結(jié)效果。本課題實(shí)驗(yàn)研究中的觀(guān)察結(jié)果表明，罩面新混凝土中的一部分水泥漿可以滲透到老混凝土中去，同時(shí)由于重力和機(jī)械震動(dòng)力的作用也可使新混凝土中的骨料下沉并擠壓在老混凝土的表面，使擠壓部分的粘結(jié)面上出現(xiàn)“缺膠”現(xiàn)象，表現(xiàn)為粘結(jié)界面處的水泥漿浸潤(rùn)不均勻，而新混凝土中失去一部分水泥漿。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。當(dāng)然，采用預(yù)鋪骨料混凝土需要具有相應(yīng)材料與匹配的工藝，在條件允許的情況下采用該方法可以獲得良好的效果，但在材料級(jí)配不良或施工環(huán)境不允許的情況下難以獲得較好的效果。因?yàn)樗酀{凝固緩慢，混合后存放2小時(shí)后仍可使用。由于預(yù)鋪骨料混凝土粗骨料含量高且緊密接觸，至少減小干縮50%，修補(bǔ)混凝土干縮的減小幾乎使粘結(jié)界面處不會(huì)產(chǎn)生干縮應(yīng)變，預(yù)鋪骨料混凝土通常具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）預(yù)鋪骨料混凝土可以采用與被修補(bǔ)結(jié)構(gòu)混凝土相同的配比，它們的強(qiáng)度、彈性模量及熱性能相同。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。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]。；另外[20]，有試驗(yàn)結(jié)果證明使用收縮補(bǔ)償砂漿效果很好，可以提高罩面結(jié)構(gòu)的耐久性。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。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。為保證新舊混凝土的良好粘結(jié)，所要求罩面材料最重要的性質(zhì)就是其與舊混凝土的粘結(jié)力。罩面后復(fù)合結(jié)構(gòu)的耐久性，主要取決于新舊混凝土粘結(jié)的耐久性和罩面材料的耐久性[17]。工程實(shí)踐表明，上述做法可以獲得比較好的效果，但進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用時(shí)難以控制操作質(zhì)量。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。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。Brickley. [14]等認(rèn)為在一定粗糙度范圍內(nèi)，舊道面表面粗糙度越大，其粘結(jié)效果越好，但過(guò)大的粗糙度反而會(huì)降低新舊混凝土的結(jié)性能；也有的研究認(rèn)為[15]界面處理的越粗糙，新舊混凝土粘結(jié)的越好；天津大學(xué)等單位的研究表明[16]，表面刷糙的界面粘結(jié)強(qiáng)度優(yōu)于表面鑿毛的情況。 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。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。新老混凝土界面的化學(xué)作用主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：（l）新混凝土的水泥組分與老混凝土的水化物發(fā)生反應(yīng)而形成新的水化產(chǎn)物；（2）老混凝土中未水化的部分與新混凝土的水泥組分反應(yīng)而形成新的水化產(chǎn)物；（3）新老混凝土中的水泥或其水化物與界面處理劑反應(yīng)而形成新的化學(xué)產(chǎn)物。新老混凝土界面間的范德華力，主要是指由水泥石中的晶體與晶體之間，以及晶體與集料之間分子的相互作用而形成的結(jié)合力。機(jī)械咬合力是指當(dāng)有粘性的水泥漿滲透到老混凝土的表面空隙中，硬化后新老混凝土相互交錯(cuò)嚙合而形成相互約束的聯(lián)結(jié)體。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]。 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。眾多的研究結(jié)果顯示[11]，在常溫條件下，新舊混凝土粘結(jié)面的軸心抗拉強(qiáng)度可達(dá)到整體新混凝土軸心抗拉強(qiáng)度的67%84%；粘結(jié)劈裂抗拉強(qiáng)度可達(dá)新混凝土相應(yīng)強(qiáng)度的62%75%；粘結(jié)抗折(彎)強(qiáng)度可達(dá)整體新混凝土抗折強(qiáng)度的47%53%；%%；200℃高溫后的新舊混凝土粘結(jié)劈裂抗拉強(qiáng)度較常溫下降低26%左右，700℃時(shí)下降約92%；新舊混凝土粘結(jié)面在復(fù)合應(yīng)力作用下的粘結(jié)性能隨應(yīng)力作用的類(lèi)型不同而有所變化。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。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(guān)力學(xué)性能與微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析方面。厚大混凝土構(gòu)筑物，諸如大型基礎(chǔ)工程、大型水利設(shè)施、大跨度的橋梁以及超高建筑結(jié)構(gòu)等由于工期較長(zhǎng)，新澆筑的混凝土能否與己經(jīng)硬化的混凝土很好地粘結(jié)，這關(guān)系到混凝土結(jié)構(gòu)物的整體性使用性能狀況。同時(shí)，這也是本研究工作進(jìn)行的重點(diǎn)任務(wù)和提高復(fù)合結(jié)構(gòu)性能的理論依據(jù)。也就是說(shuō)，整體結(jié)構(gòu)的破壞總是從最薄弱環(huán)節(jié)—界面層結(jié)構(gòu)處開(kāi)始。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。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)。這樣，導(dǎo)致界面處水泥漿不能充分浸潤(rùn)骨料和水泥石，而罩面混凝土失去一部分水泥漿，使得粘結(jié)界面處的罩面混凝土中出現(xiàn)空隙，這種界面空隙結(jié)構(gòu)也影響了新舊混凝土的粘結(jié)性能。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]。這就需要了解新舊混凝土間界面的結(jié)構(gòu)及其形成過(guò)程，以充分認(rèn)識(shí)新舊混凝土結(jié)合薄弱的問(wèn)題。圖21 界面粘結(jié)模型示意圖 界面特性分析 在舊混凝土道面上澆筑罩面混凝土?xí)r，新舊混凝土結(jié)構(gòu)之間必然形成界面。當(dāng)遇到界面上的阻力元時(shí)，又折回到界面層上面的發(fā)展過(guò)程，在界面上和界面層中交替地呈臺(tái)階狀發(fā)展；（3）當(dāng)界面粘結(jié)較差，其粘結(jié)強(qiáng)度小于界面層材料的抗剪強(qiáng)度時(shí)，擴(kuò)散到界面處的裂縫將沿跡線(xiàn)發(fā)展。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。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。以往工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，通過(guò)增加粘結(jié)材料可以提高界面的粘結(jié)力，從而增強(qiáng)上下層間的協(xié)同變形能力。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(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。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。第二章 UTW復(fù)合結(jié)構(gòu)體系分析 復(fù)合結(jié)構(gòu)體系概述無(wú)論是在已有結(jié)構(gòu)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(huì)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(huì)涉及到上下層新老混凝土能否結(jié)合成為整體而協(xié)同工作的問(wèn)題。為客觀(guān)反映和系統(tǒng)研究剛性機(jī)場(chǎng)道面上加鋪超薄水泥混凝土罩面后復(fù)合結(jié)構(gòu)的協(xié)同變形工作機(jī)制，本文針對(duì)適