机场复合道面结构行为理论及其应用研究

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

机场复合道面兼具优秀的承载能力和功能性能，是跑道加铺的主流形式，也是长寿命道面的研发方向。传统“经验法”难以控制复合道面的多种损坏，无法适应大型飞机的多轮动态、高胎压、大水平力荷载作用，“力学—经验”设计法正成为研究热点和发展趋势，其核心是复合道面结构行为及其相关理论。本项目面向机场复合道面，研究包括微观损伤、中/小尺度变形与开裂、足尺结构响应的多尺度试验方法；考虑复合道面几何、材料和接触非线性以及大型飞机多轮动态荷载与温度的耦合作用，构建复合道面三维有限元精细模型，并实证校验；实施多尺度试验和精细化仿真，揭示飞机荷载与温度耦合作用下复合道面的空间结构响应规律，分析建立其结构行为的即时表达模型和演变方程；以此为基础，研究道面损伤非线性分时叠加原理，提出复合道面结构多指标“力学—经验”设计方法。从而解决复合道面结构行为模拟、解析、表达和预估等科学问题，并为大规模机场复合道面建设提供技术支持。

机场刚性道面的力学行为和使用寿命对疲劳应力水平十分敏感。新一代大型飞机的复杂起落架构型和荷载强化了对道面的动力作用，道面不平整度的激振效应增强了道面的动力响应，从而使现有基于静力学的刚性道面结构设计与评价方法面临挑战，其改进的基础则是对道面动力行为的准确掌握和科学表达。项目依托浦东国际机场四跑道工程，研发不停航条件下道面结构动力响应综合感知系统，现场感知不同条件下刚性道面真实的力学响应量。运用虚拟样机技术构建高精度飞机整机仿真模型，以提取作用于道面的动态荷载激励函数；进一步考虑道面接缝条件和地基阻尼特性，建立并利用现场感知数据验证刚性道面结构动力分析三维数值模型；系统模拟典型刚性道面结构对各种飞机作用的力学响应，揭示机场刚性道面结构动力行为的特征和规律。面向道面结构设计、评价与寿命预估，提出道面结构动力行为的多模态表达方式与参数。从而为构建刚性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。

飞机滑跑、降落、转弯和刹车过程中产生的地面动力荷载必然引发道面板的复杂应力状态，进而导致不同部位道面疲劳损伤的差异，而新一代大型飞机的高速跑滑特性和复杂操控状态进一步加剧了问题的复杂性。课题依托浦东国际机场四跑道工程，提出了机场刚性道面结构动力行为现场感知方法，构建了不停航条件下道面结构动力响应综合感知系统。利用现场感知数据，对弯沉测试荷载和飞机荷载作用下的道面结构响应规律进行了分析。此外，通过对轮迹偏移实测数据的统计分析，给出了飞机轮迹空间概率分布函数和参数。利用虚拟样机技术，借助ADAMS/aircraft建立了A320、A330和A380全机模型，并且利用虚拟试验台和Fortran子程序对飞机滑跑、降落、转弯和刹车4种运动状态进行了仿真分析和规律表达，明确了飞机地面动力荷载谱和动载系数。利用ABAQUS建立了机场刚性道面结构动力响应分析三维有限元模型，并利用现场原位测试数据对模型进行了验证。在此基础上，利用虚拟样机仿真结果和有限元模型对飞机地面运动状态效应、接缝传荷效应、多轮叠加效应进行了分析和表达。最后，利用有限元模型，构建了道面结构响应基础数据库并给出了多维差值算法，通过编程实现了道面结构响应影响面的构建，该影响面可广泛用于道面板应力响应谱及响应峰值的计算。课题共计发表论文7篇，申请发明专利1项，申请软件著作权1项，培养博士后1名，博士研究生2名，硕士研究生4名。