機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面的層間力學(xué)性狀及其演變結(jié)題摘要

機(jī)場(chǎng)復(fù)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(xué)行為和使用壽命對(duì)層間性狀非常敏感。飛機(jī)加減速、轉(zhuǎn)彎和掉頭產(chǎn)生的水平力會(huì)加劇了層間性狀的非線性及其對(duì)道面的影響。瀝青面層和水泥混凝土板的層間是復(fù)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(fù)雜。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析中簡(jiǎn)單的層間狀態(tài)假定與實(shí)際不符，易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)失效，其改進(jìn)的核心是掌握層間力學(xué)性狀和演變規(guī)律。 本項(xiàng)目圍繞復(fù)合道面中瀝青面層與混凝土板的層間問(wèn)題，以瀝青粘結(jié)類的層間處理方法為重點(diǎn)，提出以剪切破壞模式為核心的層間力學(xué)狀態(tài)實(shí)驗(yàn)方法，研發(fā)了復(fù)合道面結(jié)構(gòu)層間實(shí)驗(yàn)裝置并完成了適用于現(xiàn)場(chǎng)工況模擬的多因素影響實(shí)驗(yàn)，得到了典型工況下的復(fù)合道面層間剪應(yīng)力-位移曲線，確定了層間力學(xué)性能和狀態(tài)的表征指標(biāo)并進(jìn)行了敏感性分析，提出了層間性能的表達(dá)模型； 通過(guò)精細(xì)化模擬技術(shù)建立了考慮層間接觸的復(fù)合道面結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，由力學(xué)試驗(yàn)和有限元計(jì)算結(jié)果，研究了瀝青粘接類層間在飛機(jī)和環(huán)境因素作用下的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，全面揭示層間力學(xué)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(duì)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(yīng)增大了結(jié)構(gòu)響應(yīng)值，對(duì)于縱向剪應(yīng)力提升幅度達(dá)81.2%； 通過(guò)直接剪切和疲勞剪切試驗(yàn)分別分析了凍融循環(huán)和重復(fù)荷載作用下的層間力學(xué)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明層間在多周期凍融循環(huán)下抗剪強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度不斷衰減，且趨勢(shì)緩和，凍融循環(huán)會(huì)造成部分粘結(jié)層與水泥脫粘；面向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)與壽命預(yù)估，提出復(fù)合道面層間力學(xué)性狀的三階段層間狀態(tài)演變模型和表征方程。 本項(xiàng)目綜合考慮飛機(jī)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(fù)合道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)新方法提供理論和數(shù)據(jù)。

復(fù)合道面的力學(xué)行為和使用壽命對(duì)層間性狀非常敏感。飛機(jī)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(duì)道面的影響。瀝青面層和水泥混凝土板的層間是復(fù)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(fù)雜。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析中簡(jiǎn)單的層間狀態(tài)假定與實(shí)際不符，易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)失效，其改進(jìn)的核心是掌握層間力學(xué)性狀和演變規(guī)律。本項(xiàng)目圍繞復(fù)合道面中瀝青面層與混凝土板的層間問(wèn)題，以瀝青粘結(jié)類處理為重點(diǎn)，研發(fā)層間力學(xué)性狀多尺度試驗(yàn)方法和精細(xì)化模擬技術(shù)；系統(tǒng)分析復(fù)合道面層間對(duì)飛機(jī)作用的力學(xué)響應(yīng)，明確溫度等外部因素的影響程度，全面揭示層間力學(xué)性狀的非線性特征；試驗(yàn)分析重復(fù)荷載和凍融循環(huán)作用下的層間力學(xué)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(jì)、評(píng)價(jià)與壽命預(yù)估，提出復(fù)合道面層間力學(xué)性狀的表征模型和演變方程。從而為構(gòu)建復(fù)合道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)新方法提供理論和數(shù)據(jù)。

機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面是近年來(lái)機(jī)場(chǎng)工程領(lǐng)域研究的重要課題，而反射裂縫是機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面的主要破壞形式之一，因而研究機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面反射裂縫的形成和演變的機(jī)理對(duì)機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面的合理設(shè)計(jì)是非常必要的。本項(xiàng)目將引入彈塑性斷裂力學(xué)和無(wú)網(wǎng)格方法研究機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面反射裂縫，首先研究彈塑性斷裂力學(xué)的擴(kuò)展的無(wú)單元Galerkin方法，并對(duì)含反射裂縫、層間裂縫和基層裂縫的機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究；利用彈塑性斷裂力學(xué)的擴(kuò)展的無(wú)單元Galerkin方法對(duì)含反射裂縫、層間裂縫和基層裂縫的機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面進(jìn)行數(shù)值分析，研究其裂縫擴(kuò)展路徑。最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析結(jié)果，分析機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面反射裂縫形成和演變的機(jī)理。本項(xiàng)目研究將促進(jìn)機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面和半剛性基層瀝青路面反射裂縫的研究進(jìn)展，為機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面設(shè)計(jì)提供參考，也將促進(jìn)非線性問(wèn)題和斷裂力學(xué)無(wú)網(wǎng)格方法的研究進(jìn)展。

機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面是近年來(lái)機(jī)場(chǎng)工程領(lǐng)域研究的重要課題，而反射裂縫是機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面的主要破壞形式之一，因而研究機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面反射裂縫的形成和演變的機(jī)理對(duì)機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面的合理設(shè)計(jì)是非常必要的。本項(xiàng)目引入彈塑性斷裂力學(xué)和無(wú)網(wǎng)格方法研究機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面反射裂縫，首先研究了斷裂力學(xué)和彈塑性斷裂力學(xué)的擴(kuò)展的無(wú)單Galerkin方法、彈性動(dòng)力學(xué)和彈塑性大變形問(wèn)題的改進(jìn)的無(wú)單元Galerkin方法、彈性地基板的無(wú)網(wǎng)格方法、以及三維問(wèn)題的維數(shù)分裂無(wú)網(wǎng)格方法，并對(duì)含反射裂縫、層間裂縫和基層裂縫的機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；利用斷裂力學(xué)和彈塑性斷裂力學(xué)的擴(kuò)展的無(wú)單元Galerkin方法對(duì)含反射裂縫、層間裂縫和基層裂縫的機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面進(jìn)行了數(shù)值分析，研究其裂縫擴(kuò)展路徑。最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析結(jié)果，分析了機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面反射裂縫形成和演變的機(jī)理。本項(xiàng)目現(xiàn)已發(fā)表期刊論文14篇(其中SCI收錄8篇)，會(huì)議論文4篇，另外還有5篇期刊論文已錄用；國(guó)際會(huì)議邀請(qǐng)報(bào)告4人次；培養(yǎng)碩士生6名(已畢業(yè))。本項(xiàng)目研究將促進(jìn)機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面和半剛性基層瀝青路面反射裂縫的研究進(jìn)展，為機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面設(shè)計(jì)提供參考，也將促進(jìn)非線性問(wèn)題和斷裂力學(xué)無(wú)網(wǎng)格方法的研究進(jìn)展。 2100433B

機(jī)場(chǎng)復(fù)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(yàn)法”存在的不足，推進(jìn)復(fù)合道面“力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法”的發(fā)展，急需研究復(fù)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(fù)合道面足尺試驗(yàn)場(chǎng)，在國(guó)內(nèi)首次開(kāi)展了復(fù)合道面足尺加速加載試驗(yàn)，結(jié)合成都雙流機(jī)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段，實(shí)測(cè)了復(fù)合道面在不同溫度、不同層間粘結(jié)強(qiáng)度以及不同荷載級(jí)位下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并揭示了復(fù)合道面的輪轍起因和發(fā)展規(guī)律。隨后，基于足尺試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立和驗(yàn)證了復(fù)合道面三維有限元精細(xì)化模型，分析了飛機(jī)勻速滑行、減速制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、降落著陸等多運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下典型復(fù)合道面的結(jié)構(gòu)空間響應(yīng)規(guī)律。研制了復(fù)合道面反射裂縫試驗(yàn)儀，建立并驗(yàn)證了一套全新的反射裂縫試驗(yàn)方法。系統(tǒng)總結(jié)了復(fù)合道面的損壞模式，基于現(xiàn)場(chǎng)和數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果，建立了復(fù)合道面結(jié)構(gòu)行為的即時(shí)表達(dá)模型，構(gòu)建或標(biāo)定了復(fù)合道面結(jié)構(gòu)行為的演變方程。在此基礎(chǔ)上，提出了復(fù)合道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多指標(biāo)體系的指導(dǎo)原則，確定了復(fù)合道面“力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法”的指標(biāo)體系。最后，提出了復(fù)合道面結(jié)構(gòu)損傷非線性分時(shí)疊加原理，建立了機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面“力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法”的設(shè)計(jì)流程。 2100433B