機場復合道面結(jié)構(gòu)行為理論及其應用研究

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。在此基礎上，提出了復合道面結(jié)構(gòu)設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”的設計流程。 2100433B

機場復合道面兼具優(yōu)秀的承載能力和功能性能，是跑道加鋪的主流形式，也是長壽命道面的研發(fā)方向。傳統(tǒng)“經(jīng)驗法”難以控制復合道面的多種損壞，無法適應大型飛機的多輪動態(tài)、高胎壓、大水平力荷載作用，“力學—經(jīng)驗”設計法正成為研究熱點和發(fā)展趨勢，其核心是復合道面結(jié)構(gòu)行為及其相關(guān)理論。本項目面向機場復合道面，研究包括微觀損傷、中/小尺度變形與開裂、足尺結(jié)構(gòu)響應的多尺度試驗方法；考慮復合道面幾何、材料和接觸非線性以及大型飛機多輪動態(tài)荷載與溫度的耦合作用，構(gòu)建復合道面三維有限元精細模型，并實證校驗；實施多尺度試驗和精細化仿真，揭示飛機荷載與溫度耦合作用下復合道面的空間結(jié)構(gòu)響應規(guī)律，分析建立其結(jié)構(gòu)行為的即時表達模型和演變方程；以此為基礎，研究道面損傷非線性分時疊加原理，提出復合道面結(jié)構(gòu)多指標“力學—經(jīng)驗”設計方法。從而解決復合道面結(jié)構(gòu)行為模擬、解析、表達和預估等科學問題，并為大規(guī)模機場復合道面建設提供技術(shù)支持。

機場剛性道面的力學行為和使用壽命對疲勞應力水平十分敏感。新一代大型飛機的復雜起落架構(gòu)型和荷載強化了對道面的動力作用，道面不平整度的激振效應增強了道面的動力響應，從而使現(xiàn)有基于靜力學的剛性道面結(jié)構(gòu)設計與評價方法面臨挑戰(zhàn)，其改進的基礎則是對道面動力行為的準確掌握和科學表達。項目依托浦東國際機場四跑道工程，研發(fā)不停航條件下道面結(jié)構(gòu)動力響應綜合感知系統(tǒng)，現(xiàn)場感知不同條件下剛性道面真實的力學響應量。運用虛擬樣機技術(shù)構(gòu)建高精度飛機整機仿真模型，以提取作用于道面的動態(tài)荷載激勵函數(shù)；進一步考慮道面接縫條件和地基阻尼特性，建立并利用現(xiàn)場感知數(shù)據(jù)驗證剛性道面結(jié)構(gòu)動力分析三維數(shù)值模型；系統(tǒng)模擬典型剛性道面結(jié)構(gòu)對各種飛機作用的力學響應，揭示機場剛性道面結(jié)構(gòu)動力行為的特征和規(guī)律。面向道面結(jié)構(gòu)設計、評價與壽命預估，提出道面結(jié)構(gòu)動力行為的多模態(tài)表達方式與參數(shù)。從而為構(gòu)建剛性道面結(jié)構(gòu)設計與評價新方法提供理論和數(shù)據(jù)。

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)設計與評價新方法提供理論和數(shù)據(jù)。

飛機滑跑、降落、轉(zhuǎn)彎和剎車過程中產(chǎn)生的地面動力荷載必然引發(fā)道面板的復雜應力狀態(tài)，進而導致不同部位道面疲勞損傷的差異，而新一代大型飛機的高速跑滑特性和復雜操控狀態(tài)進一步加劇了問題的復雜性。課題依托浦東國際機場四跑道工程，提出了機場剛性道面結(jié)構(gòu)動力行為現(xiàn)場感知方法，構(gòu)建了不停航條件下道面結(jié)構(gòu)動力響應綜合感知系統(tǒng)。利用現(xiàn)場感知數(shù)據(jù)，對彎沉測試荷載和飛機荷載作用下的道面結(jié)構(gòu)響應規(guī)律進行了分析。此外，通過對輪跡偏移實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，給出了飛機輪跡空間概率分布函數(shù)和參數(shù)。利用虛擬樣機技術(shù)，借助ADAMS/aircraft建立了A320、A330和A380全機模型，并且利用虛擬試驗臺和Fortran子程序?qū)︼w機滑跑、降落、轉(zhuǎn)彎和剎車4種運動狀態(tài)進行了仿真分析和規(guī)律表達，明確了飛機地面動力荷載譜和動載系數(shù)。利用ABAQUS建立了機場剛性道面結(jié)構(gòu)動力響應分析三維有限元模型，并利用現(xiàn)場原位測試數(shù)據(jù)對模型進行了驗證。在此基礎上，利用虛擬樣機仿真結(jié)果和有限元模型對飛機地面運動狀態(tài)效應、接縫傳荷效應、多輪疊加效應進行了分析和表達。最后，利用有限元模型，構(gòu)建了道面結(jié)構(gòu)響應基礎數(shù)據(jù)庫并給出了多維差值算法，通過編程實現(xiàn)了道面結(jié)構(gòu)響應影響面的構(gòu)建，該影響面可廣泛用于道面板應力響應譜及響應峰值的計算。課題共計發(fā)表論文7篇，申請發(fā)明專利1項，申請軟件著作權(quán)1項，培養(yǎng)博士后1名，博士研究生2名，碩士研究生4名。