機場水泥混凝土道面損傷的空間效應及其表達

基于累積損傷原理的設計方法逐漸成為國際上水泥混凝土道面結構設計方法的主流。水泥道面累積損傷在空間上具有顯著非均勻性，而現行設計方法中僅在最不利荷載位置或最大通行位置上作粗略估算，使結果過于保守。 本項目根據現行設計方法中存在的問題，自主研發(fā)了非接觸式激光輪跡橫向分布測試系統(tǒng)一套，對上海虹橋國際機場西跑道進行了現場測試，歸納了其輪跡橫向偏移規(guī)律，建立了輪跡橫向偏移的分布模型；借助大型有限元軟件ABAQUS，建立了考慮接縫傳荷行為的“水泥板－接縫－基礎” 的九塊板道面結構三維有限元模型，并使用接縫傳荷模型Crovetti和Zollinger模型、FAA物理微縮試驗以及DIA實測數據進行模型驗證；開發(fā)出基于Matlab 2014a版本的機場剛性道面九塊板三維inp模型自動生成軟件ARPNS和面向ABAQUS的自動提交工況軟件Autosubmit，實現了考慮接縫傳荷的機場剛性道面九塊板三維有限元模型的自動生成和自動提交求解器計算。 綜合考慮道面設計和分析的需要，最終選擇四種道面結構參數，生成并計算三種典型起落架構型下的112320種工況的道面結構響應；進一步應用結構影響面法，繪制出不同機型下典型機場道面結構的影響面圖形，分析并比較了B737-800、B767-200、B777-200三種機型下橫縫中點和縱縫中點的影響面特征，揭示了道面結構響應量隨荷載作用位置變化的規(guī)律；利用多次降維的思路，將三次多項式插值算法應用于影響面分析中，實現了數據庫中未包含工況的多維插值計算。 從疲勞損傷的角度出發(fā)結合Miner定律，在虹橋輪跡橫向分布測試成果的基礎上，研究了正態(tài)分布和極值分布及上述三種機型作用下，道面的損傷曲面的異同。利用python和flask編程語言，完成“基于Web端的機場剛性道面損傷曲面自動生成軟件”，為后續(xù)的道面損傷研究提供了極大的便利；以華東某4E機場的航空量數據為例，分別研究了正態(tài)分布和極值分布的混合交通條件下，道面板在設計壽命期內的累積損傷因子CDF，系統(tǒng)揭示了道面板損傷的空間分布規(guī)律。 研究成果對于改進機場水泥混凝土道面結構設計方法和評價技術，具有重要學術意義和應用價值。 2100433B

基于累積損傷原理的設計方法逐漸成為國際上水泥混凝土道面結構設計方法的主流。該方法核心是多機種荷載作用下道面累積損傷的計算。由于受飛機起落架構型、輪跡偏移以及接縫影響，水泥道面累積損傷在空間上具有顯著非均勻性，與道面上各機型荷載應力及作用次數峰值出現的位置、大小和數量有關。對此現行設計方法中僅在最不利荷載位置或最大通行位置上作粗略估算，使結果過于保守。改進的基礎是對輪跡分布的詳細測試、道面結構空間響應的分析及損傷效應的合理表達。本項目擬研發(fā)非接觸式輪跡分布測試儀，實現飛機輪跡空間分布的現場測試與分析；建立水泥道面結構響應有限元分析模型，對多工況結構響應進行模擬，進一步應用結構影響面法，揭示道面結構響應量隨荷載作用位置變化的規(guī)律；在此基礎上，計算混合交通條件下道面累積損傷量，構建水泥道面損傷曲面及其函數模型。預期成果對于改進機場水泥混凝土道面結構設計方法和評價技術，具有重要學術意義和應用價值。

混凝土結構在施工和服役過程中都會產生損傷。目前，在對結構的安全性分析時，大多因初始損傷難以確定而予以忽略，這將直接影響結構損傷分析的結果，而涉及混凝土初始損傷的文獻甚少。此外，損傷參數的確定大多基于實驗室的小尺寸試件試驗，而實際工程中需要用損傷參數對結構的安全性進行分析的又多是大體積混凝土結構，尺寸效應對損傷參數的影響不可忽略。本項目將研究混凝土初始損傷問題，并進行損傷參數及其尺寸效應研究。通過對混凝土試件的試驗，建立描述混凝土初始損傷的分析模型，提出一種確定初始損傷值的方法；通過不同尺寸混凝土試件的試驗，研究損傷參數及其與尺寸的關系，建立實驗室小尺寸試件損傷參數與工程結構損傷參數的轉換關系式。應用所確定的初始損傷及損傷參數進行混凝土結構的損傷場分析，驗證研究成果的合理性。為建立適用于工程結構的損傷分析模型奠定基礎，為大型工程結構的安全性評價提供科學依據。 2100433B