水泥混凝土修補(bǔ)道面結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析

楊永剛

(貴州大學(xué) 明德學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

1 引言

水泥混凝土道面在長(zhǎng)期荷載和環(huán)境的共同作用下容易產(chǎn)生多種損壞，常見(jiàn)的混凝土損壞現(xiàn)象主要包括裂縫、板邊角的剝落、接縫的損壞和板面的破壞等，這些損壞降低了跑道的使用性能，減小了道面結(jié)構(gòu)承載能力，嚴(yán)重影響了機(jī)場(chǎng)跑道正常使用和起降飛行安全。實(shí)際情況表明：水泥混凝土道面的嚴(yán)重?fù)p壞都是由局部病害造成，如孔洞坑槽、邊角斷裂、表層剝落等。小范圍的局部損壞如果得不到及時(shí)有效的修復(fù)，則會(huì)導(dǎo)致破壞范圍進(jìn)一步增大，最終形成更嚴(yán)重的破壞。因此，在道面破壞早期對(duì)混凝土的局部病害進(jìn)行修補(bǔ)可以有效保持混凝土道面完整性、承載力，并延長(zhǎng)道面使用壽命。

在道面的實(shí)際修補(bǔ)工程中，道面修補(bǔ)的尺寸、厚度、混凝土材料的彈性模量和膨脹系數(shù)都對(duì)修補(bǔ)道面的承載性能和黏結(jié)效果有較大的影響，為研究尺寸和厚度等因素對(duì)修補(bǔ)效果的影響，可以對(duì)足尺道面進(jìn)行修補(bǔ)研究，但在相關(guān)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)需要重新進(jìn)行鋪筑，這樣會(huì)造成大量的資源浪費(fèi)并導(dǎo)致試驗(yàn)周期過(guò)長(zhǎng)；另一方面，修補(bǔ)的新混凝土在外界溫度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，由溫度應(yīng)力導(dǎo)致的道面的受力變化在試驗(yàn)研究中測(cè)定難度較大，不利于對(duì)修補(bǔ)道面特性進(jìn)行系統(tǒng)、有效的研究。利用Ansys有限元分析軟件建立修補(bǔ)道面的模型，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)修補(bǔ)道面的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析可以比較真實(shí)地反映道面受力情況，探究各種因素對(duì)修補(bǔ)道面性能的影響，減少資源消耗并可以得到較多的分析數(shù)據(jù)。

2 水泥混凝土修補(bǔ)道面結(jié)構(gòu)模型建立

2.1 有限元計(jì)算單元及力學(xué)計(jì)算模型

以彈性半空間地基上的彈性道面板為理論基礎(chǔ)，Ansys建模中主要使用以下單元類(lèi)型：① Solid70單元；② Solid45單元；③ Targe170目標(biāo)單元；④ Conta173接觸單元。

采用Ansys有限元分析軟件建立修補(bǔ)道面結(jié)構(gòu)的模型，以彈性半空間理論為基礎(chǔ)進(jìn)行應(yīng)力分析，為使計(jì)算簡(jiǎn)單易行，對(duì)模型的結(jié)構(gòu)作出以下假設(shè)：① 基礎(chǔ)、道面板等材料是均勻、連續(xù)、各向同性的彈性體，使用彈性模量和泊松比表征其材料性質(zhì)；②基礎(chǔ)底面采用固定約束，各向位移都為零，混凝土舊道面和基礎(chǔ)側(cè)面水平方向不發(fā)生位移；③修補(bǔ)道面和舊道面之間的接觸設(shè)置為閉合黏結(jié)狀態(tài)，接觸單元可以實(shí)現(xiàn)材料之間的熱傳導(dǎo)，基層和道面板之間的界面完全接觸并連續(xù)；④道面結(jié)構(gòu)不計(jì)自重。

根據(jù)以上假設(shè)，建立機(jī)場(chǎng)道面單塊板修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，根據(jù)彈性半空間地基的要求采取擴(kuò)大尺寸模型，選取基礎(chǔ)尺寸為10 m×10 m×5 m，舊水泥混凝土道面板的尺寸為5 m×5 m，厚度為0.3 m，修補(bǔ)位置位于道面板板角，新舊混凝土道面之間設(shè)置1個(gè)水平、2個(gè)豎向接觸面，機(jī)輪荷載作用在道面修補(bǔ)的位置。機(jī)場(chǎng)混凝土單塊修補(bǔ)道面板的有限元模型和網(wǎng)格劃分如圖1所示，修補(bǔ)位置示意圖如圖2所示。

圖1 機(jī)場(chǎng)混凝土修補(bǔ)道面板的有限元模型

圖2 修補(bǔ)位置示意圖

2.2 主要計(jì)算參數(shù)

2.2.1 道面材料和尺寸參數(shù)

修補(bǔ)道面有限元模型主要由基礎(chǔ)、舊道面和修補(bǔ)道面3部分組成，基礎(chǔ)的彈性模量指水泥混凝土道面板下基層、墊層和壓實(shí)土基彈性模量的當(dāng)量值。由于水泥混凝土的線(xiàn)膨脹系數(shù)主要與粗集料類(lèi)型有關(guān)，故將粗集料的膨脹系數(shù)作為道面混凝土膨脹系數(shù)，其值參考表1。該文選取的水泥混凝土修補(bǔ)道面結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)如表2所示。

表1 粗集料類(lèi)型的線(xiàn)膨脹系數(shù)

表2 水泥混凝土修補(bǔ)道面結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2.2 機(jī)輪荷載參數(shù)

將單輪機(jī)輪荷載作為計(jì)算荷載，將輪印面積轉(zhuǎn)換成矩形均布荷載，胎壓為1.53 MPa，單輪輪印長(zhǎng)度為0.43 m，單輪輪印寬度為0.3 m。

(1)比較兩組患者急救效果。(2)干預(yù)前后通過(guò)患者SAS和SDS來(lái)評(píng)價(jià)兩組患者的心理狀況。(3)采用問(wèn)卷調(diào)查的方法記錄患者家屬的滿(mǎn)意度。

2.2.3 新舊混凝土接觸的參數(shù)

建立板角修補(bǔ)道面的三維有限元模型時(shí)，用面-面接觸單元表征新舊混凝土3個(gè)接觸面之間的黏結(jié)作用，Conta173單元中接觸狀態(tài)參數(shù)0、1、2、3分別表示分開(kāi)沒(méi)有接觸、分開(kāi)接近接觸、閉合滑動(dòng)、閉合黏結(jié)4種狀態(tài)，該文選定新舊混凝土之間的接觸關(guān)系為閉合黏結(jié)狀態(tài)，對(duì)新舊道面的黏結(jié)面受力狀態(tài)進(jìn)行分析。

3 修補(bǔ)道面結(jié)構(gòu)的參數(shù)敏感性分析

3.1 道面板修補(bǔ)尺寸的影響

以道面的板角修補(bǔ)為例，選定道面修補(bǔ)厚度為0.07 m，取新舊道面混凝土的彈性模量分別為39 000、36 000 MPa，對(duì)修補(bǔ)后的道面板板角施加單輪荷載作用，研究不同修補(bǔ)尺寸下應(yīng)力的變化規(guī)律。修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的豎直黏結(jié)面A的長(zhǎng)度LA為0.7 m，豎直黏結(jié)面B的長(zhǎng)度LB變化范圍為0.4～1.0 m，表3為部分尺寸組合情況下的黏結(jié)面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，各黏結(jié)面的應(yīng)力分布云圖如圖3所示(以修補(bǔ)尺寸0.7 m×0.7 m為例)，各黏結(jié)面的應(yīng)力隨修補(bǔ)混凝土邊長(zhǎng)比的變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4可以看出：水平黏結(jié)面的最大剪切應(yīng)力和豎直黏結(jié)面的最大拉應(yīng)力隨著修補(bǔ)板邊長(zhǎng)的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，在修補(bǔ)板邊長(zhǎng)比為1時(shí)達(dá)到最小值，水平黏結(jié)面應(yīng)力的最大減小幅度為9.1%，豎直黏結(jié)面應(yīng)力的最大減小幅度為13.3%。由此可以看出：黏結(jié)應(yīng)力對(duì)修補(bǔ)板的邊長(zhǎng)比變化有較小的敏感性，在邊長(zhǎng)比過(guò)大和過(guò)小時(shí)，黏結(jié)面的剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力會(huì)有一定幅度的增大，在一定程度上影響了新舊混凝土的黏結(jié)效果。因此，在實(shí)際工程中可以通過(guò)控制修補(bǔ)的尺寸來(lái)達(dá)到控制剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力的目的。

表3 黏結(jié)面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖3 單輪作用下新舊混凝土黏結(jié)面應(yīng)力分布(單位：Pa)

3.2 道面板修補(bǔ)厚度的影響

在道面修補(bǔ)中，修補(bǔ)厚度一般根據(jù)道面板的破壞類(lèi)型和特征來(lái)確定，修補(bǔ)厚度較薄時(shí)，在荷載作用下容易再次發(fā)生剝落和斷裂等病害，修補(bǔ)過(guò)厚會(huì)導(dǎo)致施工量的加大和材料的浪費(fèi)。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，一般道面修補(bǔ)的厚度范圍為60～80 mm。建模時(shí)改變修補(bǔ)厚度參數(shù)，其余參數(shù)同前述，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖4 黏結(jié)應(yīng)力隨修補(bǔ)混凝土邊長(zhǎng)比的變化

圖5 新舊混凝土黏結(jié)面應(yīng)力隨修補(bǔ)厚度的變化

由圖5可以看出：隨著修補(bǔ)厚度的增加，水平黏結(jié)面的剪切應(yīng)力呈增大的變化趨勢(shì)，修補(bǔ)厚度從0.02 m增加到0.1 m時(shí)，剪切應(yīng)力的增大幅度為24.6%；另一方面，隨著板底剪切應(yīng)力的增大，兩個(gè)黏結(jié)面的拉應(yīng)力相應(yīng)有所減小，修補(bǔ)厚度從0.02 m增加到0.1 m時(shí)，黏結(jié)面A和黏結(jié)面B的拉應(yīng)力減幅分別為18.5%和18.2%。由此可以看出：新舊混凝土黏結(jié)應(yīng)力對(duì)修補(bǔ)厚度有較強(qiáng)的敏感性，對(duì)于豎直黏結(jié)面而言，修補(bǔ)厚度的增加對(duì)黏結(jié)面的拉應(yīng)力有減小作用，這使得新舊混凝土豎直黏結(jié)面的受力情況更加合理，不易發(fā)生開(kāi)裂破壞。同時(shí)，對(duì)于水平黏結(jié)面而言，修補(bǔ)厚度的增加會(huì)導(dǎo)致水平剪切力的增大，不利于修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的受力。因此，根據(jù)圖中曲線(xiàn)的變化特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合實(shí)際修補(bǔ)工程中對(duì)骨料等方面的要求，0.06～0.08 m的修補(bǔ)厚度為最佳修補(bǔ)厚度。

3.3 溫度的影響

修補(bǔ)道面結(jié)構(gòu)能夠保持良好使用性能的關(guān)鍵是保持較好的黏結(jié)性能，外界溫度變化時(shí)，新舊混凝土黏結(jié)面會(huì)產(chǎn)生剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力，一旦超出黏結(jié)面的黏結(jié)強(qiáng)度，修補(bǔ)結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生裂縫，甚至發(fā)生更嚴(yán)重的破壞，影響道面的修補(bǔ)質(zhì)量和使用壽命。建模時(shí)將道面初始溫度擬定為20 ℃，考慮道面板的翹曲應(yīng)力以及道面板和空氣的對(duì)流，從-40 ℃到50 ℃依次改變道面表面的溫度，通過(guò)熱分析求出道面溫度場(chǎng)的分布如圖6所示(以表面溫度下降到10 ℃為例)。然后將節(jié)點(diǎn)溫度施加到結(jié)構(gòu)單元節(jié)點(diǎn)上求解出修補(bǔ)部分道面的黏結(jié)面應(yīng)力如圖7所示。

圖6 道面溫度分布(單位：℃)

圖7 新混凝土板黏結(jié)面黏結(jié)應(yīng)力分布(單位：Pa)

從圖7(a)可以看出：水平黏結(jié)面的剪切應(yīng)力最大值出現(xiàn)在板角，且表現(xiàn)出由板角向板中遞減的趨勢(shì)，這是由于板內(nèi)溫度沿深度方向的不均勻分布導(dǎo)致了板角的翹曲，新舊混凝土之間的黏結(jié)剪應(yīng)力因此而變化；圖7(b)為豎直黏結(jié)面A的正應(yīng)力分布，豎直黏結(jié)面B的應(yīng)力分布與其相似?？梢钥闯觯涸跍囟认陆禃r(shí)，豎直黏結(jié)面出現(xiàn)拉應(yīng)力，這是由于溫度下降使修補(bǔ)混凝土板產(chǎn)生收縮導(dǎo)致，拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在靠近板邊一側(cè)則是由于板邊翹曲導(dǎo)致。

改變道面板表面的溫度，針對(duì)溫度進(jìn)行敏感性分析的計(jì)算結(jié)果如圖8所示，圖8(b)中正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力。

圖8 黏結(jié)面應(yīng)力與溫度的關(guān)系

由圖8可以看出：新舊混凝土水平黏結(jié)面的最大剪應(yīng)力和豎直黏結(jié)面的最大正應(yīng)力隨著溫度的上升和下降呈現(xiàn)出線(xiàn)性增大的變化規(guī)律。進(jìn)行計(jì)算時(shí)板的初始溫度設(shè)置為20 ℃，因此在頂面溫度為20 ℃時(shí)水平黏結(jié)面剪應(yīng)力和豎直黏結(jié)面正應(yīng)力都接近于0。頂面溫度上升時(shí)混凝土發(fā)生膨脹，導(dǎo)致水平黏結(jié)面產(chǎn)生剪切力，豎直黏結(jié)面產(chǎn)生壓力；頂面溫度下降時(shí)混凝土產(chǎn)生收縮，導(dǎo)致水平黏結(jié)面產(chǎn)生與膨脹時(shí)相反方向的剪切力，豎直黏結(jié)面產(chǎn)生拉力，并且隨著溫度變化幅度的增大而增大。在-40 ℃時(shí)，由溫度引起的水平黏結(jié)面最大剪應(yīng)力可以達(dá)到4.26 MPa，豎直黏結(jié)面的拉應(yīng)力達(dá)到2.99 MPa，與20 ℃時(shí)的應(yīng)力差別非常明顯，這說(shuō)明修補(bǔ)道面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)對(duì)溫度的變化十分敏感。

3.4 混凝土彈性模量的影響

修補(bǔ)道面板的新舊混凝土彈性模量往往存在一定的差異性，為探究修補(bǔ)混凝土的彈性模量對(duì)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，對(duì)僅在溫度作用下的修補(bǔ)道面進(jìn)行有限元分析。建模新舊道面的線(xiàn)膨脹系數(shù)分別為0.86×10-5、0.68×10-5/℃，溫度變化設(shè)置為道面頂面溫度從初始溫度20 ℃降至10 ℃。通過(guò)改變新修補(bǔ)混凝土的彈性模量，計(jì)算新舊混凝土在不同彈性模量比值情況下各黏結(jié)面的最大黏結(jié)應(yīng)力，探究新舊混凝土黏結(jié)應(yīng)力對(duì)混凝土彈性模量參數(shù)變化的敏感程度。各黏結(jié)面應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 新舊混凝土黏結(jié)面應(yīng)力隨彈性模量比的變化規(guī)律

由圖9可以看出：在溫度荷載作用下，水平黏結(jié)面的剪切應(yīng)力和豎直黏結(jié)面的拉應(yīng)力都隨著新舊混凝土彈性模量比值的增大呈現(xiàn)出近似線(xiàn)性增大的規(guī)律，由于豎直黏結(jié)面A和豎直黏結(jié)面B的受力情況相同，兩者的變化曲線(xiàn)呈現(xiàn)出重合的現(xiàn)象。當(dāng)新舊混凝土的彈性模量比由1.02增加到1.17時(shí)，新舊道面水平黏結(jié)面剪應(yīng)力的增加幅度為4.2%，豎直黏結(jié)面A和豎直黏結(jié)面B的拉應(yīng)力增加幅度分別為4.5%和4.7%，由以上計(jì)算結(jié)果可以看出：新舊道面的黏結(jié)應(yīng)力對(duì)修補(bǔ)混凝土的彈性模量變化有較弱的敏感性，采用彈性模量接近于舊混凝土的修補(bǔ)混凝土在一定程度上有助于增強(qiáng)新舊混凝土的黏結(jié)性能。

3.5 混凝土膨脹系數(shù)的影響

混凝土在溫度下降時(shí)會(huì)發(fā)生收縮現(xiàn)象，使新舊混凝土的黏結(jié)面產(chǎn)生拉應(yīng)力作用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致黏結(jié)面開(kāi)裂破壞，這往往是由新舊混凝土膨脹系數(shù)的差異引起。為探究修補(bǔ)混凝土膨脹系數(shù)對(duì)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響作用，對(duì)僅在溫度作用下的修補(bǔ)道面進(jìn)行有限元分析。建模時(shí)選定舊道面混凝土的線(xiàn)膨脹系數(shù)為0.86×10-5/℃，新混凝土的線(xiàn)膨脹系數(shù)根據(jù)表1中的參數(shù)選用，溫度變化設(shè)置為道面頂面溫度從初始溫度20 ℃降至10 ℃。各黏結(jié)面應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

由圖10可以看出：在溫度荷載作用下，水平黏結(jié)面剪應(yīng)力和豎直黏結(jié)面拉應(yīng)力都隨新舊混凝土膨脹系數(shù)比值的增大呈近似線(xiàn)性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，且增長(zhǎng)幅度較大，說(shuō)明新舊混凝土膨脹系數(shù)的差異顯著影響了新舊混凝土黏結(jié)面的應(yīng)力，由于兩豎直黏結(jié)面位于對(duì)稱(chēng)位置，故受力情況相同，應(yīng)力變化曲線(xiàn)出現(xiàn)重合的現(xiàn)象。膨脹系數(shù)比值從1.26增加到1.73時(shí)，新舊混凝土水平黏結(jié)面剪應(yīng)力的增加幅度為71%，豎直黏結(jié)面A和豎直黏結(jié)面B的拉應(yīng)力增加幅度分別為114.8%和114.6%，由計(jì)算結(jié)果可以看出：新舊道面的黏結(jié)應(yīng)力對(duì)新混凝土膨脹系數(shù)變化具有十分顯著的敏感性，在進(jìn)行道面修補(bǔ)時(shí)，減小新舊混凝土材料的膨脹系數(shù)差異可以有效減小黏結(jié)面的應(yīng)力，可以通過(guò)合理選用修補(bǔ)混凝土粗骨料類(lèi)型來(lái)達(dá)到目的，優(yōu)先選用和舊混凝土類(lèi)型相同或者膨脹系數(shù)相近的石料作為修補(bǔ)混凝土粗骨料。

4 結(jié)論

(1)新舊混凝土黏結(jié)面的應(yīng)力響應(yīng)對(duì)修補(bǔ)板的尺寸參數(shù)有較弱的敏感性，在修補(bǔ)混凝土的長(zhǎng)寬比接近于1時(shí)，水平黏結(jié)面的剪切應(yīng)力和豎直黏結(jié)面的拉應(yīng)力都達(dá)到最小值。

(2)新舊混凝土黏結(jié)面的力學(xué)響應(yīng)對(duì)厚度的變化有較強(qiáng)的敏感性。隨著修補(bǔ)厚度的增加，水平黏結(jié)面剪切應(yīng)力呈線(xiàn)性增大的趨勢(shì)，豎直黏結(jié)面拉應(yīng)力呈線(xiàn)性減小的趨勢(shì)。修補(bǔ)厚度的變化范圍為0.06～0.08 m，可保證修補(bǔ)結(jié)構(gòu)具有合理的受力狀態(tài)。

(3)新舊混凝土黏結(jié)面的應(yīng)力響應(yīng)對(duì)溫度的變化十分敏感。當(dāng)外界溫度上升時(shí)，修補(bǔ)混凝土發(fā)生膨脹，水平黏結(jié)面產(chǎn)生剪切應(yīng)力，豎直黏結(jié)面產(chǎn)生壓應(yīng)力，當(dāng)外界溫度下降時(shí)，修補(bǔ)混凝土發(fā)生收縮，水平黏結(jié)面產(chǎn)生相反方向的剪切應(yīng)力，豎直黏結(jié)面產(chǎn)生拉應(yīng)力。

(4)新舊混凝土的黏結(jié)面應(yīng)力響應(yīng)對(duì)新混凝土彈性模量變化有較弱的敏感性，新舊混凝土彈性模量比值從1.03增大到1.17時(shí)，修補(bǔ)道面的水平黏結(jié)面剪應(yīng)力和豎直黏結(jié)面的拉應(yīng)力的增幅分別為4.5%和4.7%。

(5)新舊混凝土的黏結(jié)面應(yīng)力響應(yīng)對(duì)新舊混凝土膨脹系數(shù)變化有很強(qiáng)的敏感性，新舊混凝土膨脹系數(shù)比值從1.26增大到1.73時(shí)，修補(bǔ)道面的水平黏結(jié)面剪應(yīng)力和豎直黏結(jié)面的拉應(yīng)力都有大幅度的增加，增幅分別達(dá)到74%和114.8%。