機場復合道面的層間力學性狀及其演變

機場復合道面具有優(yōu)秀的承載能力和功能性能，是跑道加鋪的主流形式，但其力學行為和使用壽命對層間性狀非常敏感。飛機加減速、轉(zhuǎn)彎和掉頭產(chǎn)生的水平力會加劇了層間性狀的非線性及其對道面的影響。瀝青面層和水泥混凝土板的層間是復合道面中的最薄弱環(huán)節(jié)，受荷載、環(huán)境、結(jié)構(gòu)、材料、工藝等的影響，行為復雜。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析中簡單的層間狀態(tài)假定與實際不符，易導致結(jié)構(gòu)設(shè)計與評價失效，其改進的核心是掌握層間力學性狀和演變規(guī)律。 本項目圍繞復合道面中瀝青面層與混凝土板的層間問題，以瀝青粘結(jié)類的層間處理方法為重點，提出以剪切破壞模式為核心的層間力學狀態(tài)實驗方法，研發(fā)了復合道面結(jié)構(gòu)層間實驗裝置并完成了適用于現(xiàn)場工況模擬的多因素影響實驗，得到了典型工況下的復合道面層間剪應力-位移曲線，確定了層間力學性能和狀態(tài)的表征指標并進行了敏感性分析，提出了層間性能的表達模型； 通過精細化模擬技術(shù)建立了考慮層間接觸的復合道面結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，由力學試驗和有限元計算結(jié)果，研究了瀝青粘接類層間在飛機和環(huán)境因素作用下的力學響應規(guī)律，全面揭示層間力學性狀的非線性特征，研究結(jié)果表明：在單輪荷載下，層間是道面結(jié)構(gòu)相對縱向變形最大的地方，是結(jié)構(gòu)最薄弱處，在多輪荷載下，疊加效應增大了結(jié)構(gòu)響應值，對于縱向剪應力提升幅度達81.2%； 通過直接剪切和疲勞剪切試驗分別分析了凍融循環(huán)和重復荷載作用下的層間力學性能與狀態(tài)，揭示層間性狀隨荷載累積和環(huán)境變化的演變規(guī)律，實驗結(jié)果表明層間在多周期凍融循環(huán)下抗剪強度和殘余強度不斷衰減，且趨勢緩和，凍融循環(huán)會造成部分粘結(jié)層與水泥脫粘；面向結(jié)構(gòu)設(shè)計、評價與壽命預估，提出復合道面層間力學性狀的三階段層間狀態(tài)演變模型和表征方程。 本項目綜合考慮飛機荷載、環(huán)境作用和層間結(jié)構(gòu)三類影響的作用，系統(tǒng)的分析了各因素，從而為構(gòu)建復合道面結(jié)構(gòu)設(shè)計與評價新方法提供理論和數(shù)據(jù)。

復合道面的力學行為和使用壽命對層間性狀非常敏感。飛機加減速、轉(zhuǎn)彎和掉頭產(chǎn)生的顯著水平力，加劇了層間性狀的非線性及其對道面的影響。瀝青面層和水泥混凝土板的層間是復合道面中的最薄弱環(huán)節(jié)，受荷載、環(huán)境、結(jié)構(gòu)、材料、工藝等的影響，行為復雜。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析中簡單的層間狀態(tài)假定與實際不符，易導致結(jié)構(gòu)設(shè)計與評價失效，其改進的核心是掌握層間力學性狀和演變規(guī)律。本項目圍繞復合道面中瀝青面層與混凝土板的層間問題，以瀝青粘結(jié)類處理為重點，研發(fā)層間力學性狀多尺度試驗方法和精細化模擬技術(shù)；系統(tǒng)分析復合道面層間對飛機作用的力學響應，明確溫度等外部因素的影響程度，全面揭示層間力學性狀的非線性特征；試驗分析重復荷載和凍融循環(huán)作用下的層間力學性能與狀態(tài)，揭示層間性狀隨荷載累積和環(huán)境變化的演變規(guī)律；面向結(jié)構(gòu)設(shè)計、評價與壽命預估，提出復合道面層間力學性狀的表征模型和演變方程。從而為構(gòu)建復合道面結(jié)構(gòu)設(shè)計與評價新方法提供理論和數(shù)據(jù)。

機場復合道面是近年來機場工程領(lǐng)域研究的重要課題，而反射裂縫是機場復合道面的主要破壞形式之一，因而研究機場復合道面反射裂縫的形成和演變的機理對機場復合道面的合理設(shè)計是非常必要的。本項目將引入彈塑性斷裂力學和無網(wǎng)格方法研究機場復合道面反射裂縫，首先研究彈塑性斷裂力學的擴展的無單元Galerkin方法，并對含反射裂縫、層間裂縫和基層裂縫的機場復合道面進行實驗研究；利用彈塑性斷裂力學的擴展的無單元Galerkin方法對含反射裂縫、層間裂縫和基層裂縫的機場復合道面進行數(shù)值分析，研究其裂縫擴展路徑。最后根據(jù)實驗和數(shù)值分析結(jié)果，分析機場復合道面反射裂縫形成和演變的機理。本項目研究將促進機場復合道面和半剛性基層瀝青路面反射裂縫的研究進展，為機場復合道面設(shè)計提供參考，也將促進非線性問題和斷裂力學無網(wǎng)格方法的研究進展。

機場復合道面是近年來機場工程領(lǐng)域研究的重要課題，而反射裂縫是機場復合道面的主要破壞形式之一，因而研究機場復合道面反射裂縫的形成和演變的機理對機場復合道面的合理設(shè)計是非常必要的。本項目引入彈塑性斷裂力學和無網(wǎng)格方法研究機場復合道面反射裂縫，首先研究了斷裂力學和彈塑性斷裂力學的擴展的無單Galerkin方法、彈性動力學和彈塑性大變形問題的改進的無單元Galerkin方法、彈性地基板的無網(wǎng)格方法、以及三維問題的維數(shù)分裂無網(wǎng)格方法，并對含反射裂縫、層間裂縫和基層裂縫的機場復合道面進行了實驗研究；利用斷裂力學和彈塑性斷裂力學的擴展的無單元Galerkin方法對含反射裂縫、層間裂縫和基層裂縫的機場復合道面進行了數(shù)值分析，研究其裂縫擴展路徑。最后根據(jù)實驗和數(shù)值分析結(jié)果，分析了機場復合道面反射裂縫形成和演變的機理。本項目現(xiàn)已發(fā)表期刊論文14篇(其中SCI收錄8篇)，會議論文4篇，另外還有5篇期刊論文已錄用；國際會議邀請報告4人次；培養(yǎng)碩士生6名(已畢業(yè))。本項目研究將促進機場復合道面和半剛性基層瀝青路面反射裂縫的研究進展，為機場復合道面設(shè)計提供參考，也將促進非線性問題和斷裂力學無網(wǎng)格方法的研究進展。 2100433B

機場復合道面兼具優(yōu)秀的承載能力和功能性能，是剛性跑道加鋪改造的主流形式。為解決“經(jīng)驗法”存在的不足，推進復合道面“力學-經(jīng)驗法”的發(fā)展，急需研究復合道面結(jié)構(gòu)行為及其相關(guān)理論。為此，本課題修建了復合道面足尺試驗場，在國內(nèi)首次開展了復合道面足尺加速加載試驗，結(jié)合成都雙流機場現(xiàn)場試驗段，實測了復合道面在不同溫度、不同層間粘結(jié)強度以及不同荷載級位下的結(jié)構(gòu)響應，并揭示了復合道面的輪轍起因和發(fā)展規(guī)律。隨后，基于足尺試驗的實測數(shù)據(jù)建立和驗證了復合道面三維有限元精細化模型，分析了飛機勻速滑行、減速制動、轉(zhuǎn)彎、降落著陸等多運動狀態(tài)下典型復合道面的結(jié)構(gòu)空間響應規(guī)律。研制了復合道面反射裂縫試驗儀，建立并驗證了一套全新的反射裂縫試驗方法。系統(tǒng)總結(jié)了復合道面的損壞模式，基于現(xiàn)場和數(shù)值仿真計算結(jié)果，建立了復合道面結(jié)構(gòu)行為的即時表達模型，構(gòu)建或標定了復合道面結(jié)構(gòu)行為的演變方程。在此基礎(chǔ)上，提出了復合道面結(jié)構(gòu)設(shè)計多指標體系的指導原則，確定了復合道面“力學-經(jīng)驗法”的指標體系。最后，提出了復合道面結(jié)構(gòu)損傷非線性分時疊加原理，建立了機場復合道面“力學-經(jīng)驗法”的設(shè)計流程。 2100433B