机场复合道面的层间力学性状及其演变中文摘要

复合道面的力学行为和使用寿命对层间性状非常敏感。飞机加减速、转弯和掉头产生的显著水平力，加剧了层间性状的非线性及其对道面的影响。沥青面层和水泥混凝土板的层间是复合道面中的最薄弱环节，受荷载、环境、结构、材料、工艺等的影响，行为复杂。传统结构分析中简单的层间状态假定与实际不符，易导致结构设计与评价失效，其改进的核心是掌握层间力学性状和演变规律。本项目围绕复合道面中沥青面层与混凝土板的层间问题，以沥青粘结类处理为重点，研发层间力学性状多尺度试验方法和精细化模拟技术；系统分析复合道面层间对飞机作用的力学响应，明确温度等外部因素的影响程度，全面揭示层间力学性状的非线性特征；试验分析重复荷载和冻融循环作用下的层间力学性能与状态，揭示层间性状随荷载累积和环境变化的演变规律；面向结构设计、评价与寿命预估，提出复合道面层间力学性状的表征模型和演变方程。从而为构建复合道面结构设计与评价新方法提供理论和数据。

机场复合道面具有优秀的承载能力和功能性能，是跑道加铺的主流形式，但其力学行为和使用寿命对层间性状非常敏感。飞机加减速、转弯和掉头产生的水平力会加剧了层间性状的非线性及其对道面的影响。沥青面层和水泥混凝土板的层间是复合道面中的最薄弱环节，受荷载、环境、结构、材料、工艺等的影响，行为复杂。传统结构分析中简单的层间状态假定与实际不符，易导致结构设计与评价失效，其改进的核心是掌握层间力学性状和演变规律。 本项目围绕复合道面中沥青面层与混凝土板的层间问题，以沥青粘结类的层间处理方法为重点，提出以剪切破坏模式为核心的层间力学状态实验方法，研发了复合道面结构层间实验装置并完成了适用于现场工况模拟的多因素影响实验，得到了典型工况下的复合道面层间剪应力-位移曲线，确定了层间力学性能和状态的表征指标并进行了敏感性分析，提出了层间性能的表达模型； 通过精细化模拟技术建立了考虑层间接触的复合道面结构的三维有限元模型，由力学试验和有限元计算结果，研究了沥青粘接类层间在飞机和环境因素作用下的力学响应规律，全面揭示层间力学性状的非线性特征，研究结果表明：在单轮荷载下，层间是道面结构相对纵向变形最大的地方，是结构最薄弱处，在多轮荷载下，叠加效应增大了结构响应值，对于纵向剪应力提升幅度达81.2%； 通过直接剪切和疲劳剪切试验分别分析了冻融循环和重复荷载作用下的层间力学性能与状态，揭示层间性状随荷载累积和环境变化的演变规律，实验结果表明层间在多周期冻融循环下抗剪强度和残余强度不断衰减，且趋势缓和，冻融循环会造成部分粘结层与水泥脱粘；面向结构设计、评价与寿命预估，提出复合道面层间力学性状的三阶段层间状态演变模型和表征方程。 本项目综合考虑飞机荷载、环境作用和层间结构三类影响的作用，系统的分析了各因素，从而为构建复合道面结构设计与评价新方法提供理论和数据。

机场复合道面是近年来机场工程领域研究的重要课题，而反射裂缝是机场复合道面的主要破坏形式之一，因而研究机场复合道面反射裂缝的形成和演变的机理对机场复合道面的合理设计是非常必要的。本项目将引入弹塑性断裂力学和无网格方法研究机场复合道面反射裂缝，首先研究弹塑性断裂力学的扩展的无单元Galerkin方法，并对含反射裂缝、层间裂缝和基层裂缝的机场复合道面进行实验研究；利用弹塑性断裂力学的扩展的无单元Galerkin方法对含反射裂缝、层间裂缝和基层裂缝的机场复合道面进行数值分析，研究其裂缝扩展路径。最后根据实验和数值分析结果，分析机场复合道面反射裂缝形成和演变的机理。本项目研究将促进机场复合道面和半刚性基层沥青路面反射裂缝的研究进展，为机场复合道面设计提供参考，也将促进非线性问题和断裂力学无网格方法的研究进展。

机场复合道面是近年来机场工程领域研究的重要课题，而反射裂缝是机场复合道面的主要破坏形式之一，因而研究机场复合道面反射裂缝的形成和演变的机理对机场复合道面的合理设计是非常必要的。本项目引入弹塑性断裂力学和无网格方法研究机场复合道面反射裂缝，首先研究了断裂力学和弹塑性断裂力学的扩展的无单Galerkin方法、弹性动力学和弹塑性大变形问题的改进的无单元Galerkin方法、弹性地基板的无网格方法、以及三维问题的维数分裂无网格方法，并对含反射裂缝、层间裂缝和基层裂缝的机场复合道面进行了实验研究；利用断裂力学和弹塑性断裂力学的扩展的无单元Galerkin方法对含反射裂缝、层间裂缝和基层裂缝的机场复合道面进行了数值分析，研究其裂缝扩展路径。最后根据实验和数值分析结果，分析了机场复合道面反射裂缝形成和演变的机理。本项目现已发表期刊论文14篇(其中SCI收录8篇)，会议论文4篇，另外还有5篇期刊论文已录用；国际会议邀请报告4人次；培养硕士生6名(已毕业)。本项目研究将促进机场复合道面和半刚性基层沥青路面反射裂缝的研究进展，为机场复合道面设计提供参考，也将促进非线性问题和断裂力学无网格方法的研究进展。 2100433B

机场复合道面兼具优秀的承载能力和功能性能，是刚性跑道加铺改造的主流形式。为解决“经验法”存在的不足，推进复合道面“力学-经验法”的发展，急需研究复合道面结构行为及其相关理论。为此，本课题修建了复合道面足尺试验场，在国内首次开展了复合道面足尺加速加载试验，结合成都双流机场现场试验段，实测了复合道面在不同温度、不同层间粘结强度以及不同荷载级位下的结构响应，并揭示了复合道面的轮辙起因和发展规律。随后，基于足尺试验的实测数据建立和验证了复合道面三维有限元精细化模型，分析了飞机匀速滑行、减速制动、转弯、降落着陆等多运动状态下典型复合道面的结构空间响应规律。研制了复合道面反射裂缝试验仪，建立并验证了一套全新的反射裂缝试验方法。系统总结了复合道面的损坏模式，基于现场和数值仿真计算结果，建立了复合道面结构行为的即时表达模型，构建或标定了复合道面结构行为的演变方程。在此基础上，提出了复合道面结构设计多指标体系的指导原则，确定了复合道面“力学-经验法”的指标体系。最后，提出了复合道面结构损伤非线性分时叠加原理，建立了机场复合道面“力学-经验法”的设计流程。 2100433B