【正文】 應(yīng)整體工作需求的界面結(jié)構(gòu)狀態(tài)及相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)和滿足承載力要求的超薄罩面層的結(jié)構(gòu)特征及力學(xué)參數(shù)進行了研究，對復(fù)合結(jié)構(gòu)整體受力狀態(tài)下各結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)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(jié)果提出了一些符合工程實際的技術(shù)方法和措施。例如，對于影響其上下層協(xié)同變形等工作性能的關(guān)鍵因素—界面層的物理力學(xué)特性的研究仍處于初步探索階段。 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(fù)技術(shù)近20年的研究，國內(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。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(shù)的進一步發(fā)展和推廣受到一定的限制。工程實踐表明，超薄混凝土罩面在大大降低成本的基礎(chǔ)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(wù)質(zhì)量，改善道面的綜合使用性能，提高道路翻修技術(shù)、經(jīng)濟效益等方面都具有良好的促進作用。此外，圣路易斯機場停機坪的項目中嘗試應(yīng)用了UTW罩面技術(shù)，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(yīng)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(jié)果證實UTW的復(fù)合作用。顯然，這些研究成果為深入探索界面對改善道面結(jié)構(gòu)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(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。Dempsey, ，界面層設(shè)置可吸能復(fù)合材料層，對于道面抗開裂能力有非常顯著的提高[4]。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(chǔ)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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]。為此，有必要在以往理論與實驗研究的基礎(chǔ)上，借鑒該技術(shù)在其他領(lǐng)域的研究成果，對UTW在機場道面翻新中的應(yīng)用進行系統(tǒng)性研究。 UTW在場道修復(fù)研究和應(yīng)用中的現(xiàn)狀與存在的問題 關(guān)于超薄混凝土罩面的研究逐漸清晰和深入，但大多是針對高速公路、城市道路以及十字路口等。國內(nèi)對UTW的研究起步較晚，有關(guān)實驗研究的成果也相對較少。超薄白色罩面技術(shù)發(fā)展10多年來，在公路和城市道路翻新修復(fù)領(lǐng)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(shù)研究，如施工技術(shù)、路用性能評價和維修技術(shù)；足尺試驗對層間粘結(jié)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(yīng)力應(yīng)變反應(yīng)；芯樣抗壓強度的相關(guān)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(guān)的試驗性質(zhì)等。截止2000年底，美國已修筑UTW總面積約220萬平方米。在開展超薄水泥混凝土罩面結(jié)構(gòu)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(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)，佛羅里達州交通廳主持修筑了3條UTW試驗環(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。自此，UTW隨之開始得到重視，相關(guān)的實驗研究等也開始廣泛開展。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(guān)的試驗工作。 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(fù)的新技術(shù)，盡管其在快速恢復(fù)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(shè)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(dǎo)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(jié)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?；谝陨蟽?yōu)點，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越多的關(guān)注，相關(guān)研究也成為當前道面翻新技術(shù)研究的熱點。具體體現(xiàn)為常規(guī)厚度蓋被是作為獨立的面層結(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，通過適當?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，也能夠更好地與下層舊道面協(xié)調(diào)變形。場道加鋪UTW罩面的結(jié)構(gòu)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(fù)研究和應(yīng)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(fù)合結(jié)構(gòu)體系分析 5 復(fù)合結(jié)構(gòu)體系概述 5 界面粘結(jié)模型的分析 5 界面特性分析 6 新舊混凝土粘結(jié)狀態(tài)的力學(xué)機理分析 7 新舊混凝土粘結(jié)的宏觀力學(xué)性能 7 新舊粘結(jié)界面的微觀力學(xué)機理分析 8 各結(jié)構(gòu)層對粘結(jié)狀態(tài)的影響研究 9 舊道面表面性狀對粘結(jié)性能的影響 9 罩面材料性能對粘結(jié)強度的影響 9 界面處理方式對粘結(jié)強度的影響 10 本章小結(jié) 11第三章 UTW復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)模型分析 12 相關(guān)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(jié)構(gòu)的非線性分析原理 14 反預(yù)應(yīng)力作用理論 14 力學(xué)結(jié)構(gòu)模型特征分析 15 力學(xué)模型的建立 15 力學(xué)模型理論分析 16第四章 復(fù)合層狀道面結(jié)構(gòu)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(fù)合結(jié)構(gòu)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(jié)果分析 28 界面狀態(tài)對復(fù)合結(jié)構(gòu)整體性能的影響分析 28 應(yīng)力應(yīng)變時程響應(yīng)分析 31 復(fù)合結(jié)構(gòu)在理想狀態(tài)下的性能響應(yīng)模擬分析 37 本章小結(jié) 44第五章 結(jié)論與展望 46 論文的主要結(jié)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(fù)其使用功能的一種道面翻新修復(fù)的技術(shù)措施。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。該結(jié)構(gòu)的技術(shù)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(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。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(shù)在機場改造升級過程中將會發(fā)揮更重要的作用。20世紀90年代初[2]，美國肯塔基州預(yù)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(shù)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?？纤囼灺帆@得了成功，實驗結(jié)果表明，該路面性能比用普通設(shè)計方法預(yù)計的翻新效果要好得多，從而引起了業(yè)界的廣泛興趣。1994年，由依阿華州交通廳、標志著該技術(shù)在工程中開始得以應(yīng)用。連續(xù)加載60000次后，道路使用狀況良好。自1995年開始，加拿大也開始引進UTW技術(shù)，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?；谶@些研究的結(jié)果，取得了不少可供借鑒的有益結(jié)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(jié)，可以減小UTW罩面板的荷載應(yīng)力，是影響UTW路面長期使用性能的關(guān)鍵因素；2）UTW路面使用的混凝土應(yīng)是高早強混凝土，且宜根據(jù)配合比設(shè)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(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?；趪庠诖思夹g(shù)領(lǐng)域取得的研究成果和工程試驗的經(jīng)驗，長安大學(xué)胡長順教授領(lǐng)導(dǎo)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(shù)、使用性能和在我國特殊使用條件下的適應(yīng)性進行了研究和論證；同時，長安大學(xué)馬骉教授等針對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行計算分析的基礎(chǔ)上，提出了一系列UTW路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法；2002年，長沙理工大學(xué)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]。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(yīng)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(xué)行為表現(xiàn)尚缺乏研究成果支撐，對該技術(shù)直接在機場道面上應(yīng)用還不讓人放心。關(guān)于機場道面翻新中采用UTW技術(shù)的相關(guān)研究，國外已經(jīng)開展了一些探索性研究工作。這說明界面對于在疲勞荷載作用下，裂縫的擴張及結(jié)構(gòu)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。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(jié)構(gòu)體系也具有一定的增韌效果。英國的Norbert J. Delette等通過對新舊混凝土道面的界面粘結(jié)實驗室試驗和現(xiàn)場試驗，研究了界面粘結(jié)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(jié)性能的影響，提出了一些測試界面粘結(jié)強度的方法和利用復(fù)合材料改進界面粘結(jié)能力的措施。進入21世紀后，超薄水泥混凝土罩面技術(shù)在場道工程的試應(yīng)用逐漸增多。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(fù)中的應(yīng)用提出了更高的要求。特別是針對機場剛性道面進行罩面后所形成的“白+白”復(fù)合結(jié)構(gòu)的相關(guān)技術(shù)和理論研究，尚有待進一步的探討。但是，針對UTW在剛性機場道面上的應(yīng)用，特別是針對超薄罩面—舊道面復(fù)合結(jié)構(gòu)的作用機理以及特殊荷載作用下的物理力學(xué)行為特征的研究尚不明確。因此，需要從理論技術(shù)層次上解決新舊混凝土間界面的粘結(jié)問題，以便就其對復(fù)合結(jié)構(gòu)的整體性能的影響做出相應(yīng)的評價，這將對超薄水泥混凝土罩面技術(shù)的發(fā)展和機場舊道面的翻新與升級改造提供科學(xué)與可行的理論和技術(shù)支撐。本論文主要研究內(nèi)容如下：建立適應(yīng)舊場道物理力學(xué)性能的超薄水泥混凝土罩面—舊水泥混凝土道面復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，在對相關(guān)理論依據(jù)和方法分析總結(jié)的基礎(chǔ)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(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，分析研究了適應(yīng)復(fù)合結(jié)構(gòu)協(xié)同工作機制需求的界面層物理力學(xué)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(jié)構(gòu)整體性能的影響進行了量化對比研究； 參考工程實例的結(jié)構(gòu)和力學(xué)參數(shù)，建立了復(fù)合結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，并利用軟件模擬其實際條件下復(fù)合結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作狀態(tài)；根據(jù)模擬分析結(jié)果，確定了特定飛機荷載作用下復(fù)合結(jié)構(gòu)界面層的應(yīng)力應(yīng)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(fù)合結(jié)構(gòu)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(jié)果進行對比，深入分析了界面粘結(jié)狀況對復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響規(guī)律。特別是對于結(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)。例如，UTW翻新后的場道，在飛機荷載下，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。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(jié)強度提出了很高的要求。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]。 界面粘結(jié)模型的分析對于新舊混凝土粘結(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。它分為三種斷裂形式：（1）當界面粘結(jié)很好，其粘結(jié)強度高于界面層抗裂強度時，擴展到界面處的裂縫受阻而折回到界面層中，并在界面層中沿微裂縫貫通方向隨機地呈波浪狀發(fā)展；（2）當界面粘結(jié)較好，其粘結(jié)強度接近于界面層抗裂強度時，擴展到界面處的裂縫雖然受阻不能沿原來方向進入界面層兩側(cè)的新老混凝土本體中，但可與界面上的微裂縫相連通而沿界面發(fā)展。結(jié)合粘結(jié)界面的微觀機理分析，認為超薄罩面層—舊混凝土層間的界面粘結(jié)更符合上述模型。界面的出現(xiàn)是新舊混凝土結(jié)合的薄弱環(huán)節(jié)，它大大降低了復(fù)合結(jié)構(gòu)整體的抗拉、抗剪強度以及耐久性能。罩面與舊道面混凝土間界面結(jié)構(gòu)的特點及其形成過程，可概述如下：（1）與一般工程施工縫處理過程中新舊混凝土的結(jié)合類似，超薄罩面與舊混凝土間接觸界面處也