机场水泥道面接缝随机接触应力及损伤模型

Joint damage has become the dominant damage type in airfield concrete pavement, and stochastic characteristic of joint contacting status conduces to the complexity of joint damage problem. Relying on “the intelligent sensing system platform of deep layer monitoring and pavement performance of No.4 runway of Pudong Airport”, based on the MMLS3 indoor accelerated pavement fatigue damage test platform, and combining methods of study on parameters of interfacial contact, damage detection and expression using industrial CT, the project will be carried out according to the technical ideas of “macro-influence stochastic factors(environmental factors or aircraft load)” →“micro-influence stochastic factors(contact state of interface)” →“micro structural response(interfacial stress)” →“micro damage(interfacial damage) →“macro damage(joint damage)”. By applying empirical analysis on stochastic characteristics of airport concrete pavement joint interface contact state, exquisite numerical simulations of contact stress on joint interface (aggregate interlock interface, concrete-steel bar interface, interlaminar interface ) under the stochastic contact state, and damage detection technology based on industrial CT three-dimension scanning, the damage constitutive model and damage evolution equation will be studied, thus to establish the joint damage model considering influential factor of dowel loosening, discontinuous base contact, and joint interface stochastic contact. This project will implement elaborate simulation, effective expression and reasonable prediction of the structure behavior of airfield concrete pavement joint, and provide theoretical reference for the optimization of the design of airfield concrete pavement structure in China.

机场水泥道面接缝损坏已成为主导损坏，而且接缝接触状态的随机特性导致了接缝损伤问题的复杂性。本项目按照“宏观影响随机因素（环境因素/飞机荷载）”→“细观影响随机因素（界面接触状态）”→“细观结构响应（界面应力）”→“细观损伤（界面损伤）”→“宏观损伤（接缝损伤）”的思路，依托浦东机场四跑道深层监测及道面性能智能感知系统平台和基于MMLS3室内加速加载疲劳损伤实验平台，结合界面接触参数试验、工业CT损伤探测等手段，通过接缝接触状态随机特性实证分析，接缝界面（集料嵌锁界面、混凝土-钢筋界面、层间界面）在随机接触状态下接触应力的精细模拟，以及基于工业CT三维扫描的接缝界面损伤探测，研究接缝损伤本构模型及损伤演变方程，建立传力杆松动-基层不连续接触-接缝界面随机接触三因素影响的接缝损伤模型。实现机场水泥道面接缝结构行为的精细模拟、有效表达和合理预估，可为我国机场水泥道面结构设计方法优化提供理论参考。

摘要：目前对于机场水泥道面接缝损伤问题的认知尚不明晰。研究忽视了在环境温度和飞机荷载等外部因素作用下，水泥道面接缝构造的三个用于传递结构响应的界面(接缝集料嵌锁界面、混凝土-钢筋界面、板块-基层层间界面)的界面损伤问题。. 本项目建立了基于实测混凝土-传力杆接触参数的传力杆接缝道面的三维有限元分析精细模型，计算了接缝传力杆-混凝土界面的力学响应情况。采用基于数值模拟的正交设计，首先通过方差分析影响因素对接缝力学行为的影响及显著性，进而主要针对杆周混凝土力学响应指标和其显著影响的因素进行多元非线性回归，拟合出合适的经验关系式。. 进一步地，使用数值模拟分析了温度和荷载叠加作用条件下的机场道面接缝处传力杆裹附混凝土的应力响应。考虑极限受荷时，结构从弹性段-弹塑性段-破坏的整个过程进行研究，进行了纯弹性段的应力理论推导，结构承载力-位移曲线分析，传力杆的支承模量计算，塑性段的模拟，以及破坏阶段的应力分析。通过疲劳试验得到了传力杆疲劳受荷时裹附混凝土的损伤规律和破坏规律，混凝土疲劳损伤的影响因素。通过三个不同维度的损伤分析，提出损伤回归公式，优选了疲劳破坏失稳的指标，进行了开裂模式分析。使用有限元模型和室内试验研究了传力杆发生偏位时，传力杆裹附混凝土产生的应力分布和应力集中的规律。.本项目对传力杆杆周界面混凝土的力学行为和参数关联性研究为机场水泥道面传力杆接缝的力学特性研究、完善我国水泥道面设计规范及工程实际应用提供了参考。对传力杆界面混凝土的极限破坏进行了数值模拟-理论分析-试验验证结合的机理分析，更深刻地解释了破坏机理；对于传力杆裹附混凝土的疲劳损伤过程，得到了三维的混凝土损伤计算的表达方法和疲劳破坏失稳指标，弥补了前人在混凝土损伤量评估方法中的不足。对传力杆偏位的特殊工况的研究对于施工风险评价都有很好的实际效果。