机场水泥混凝土道面开裂机理理论研究

论文摘要

机场水泥混凝土道面从早期施工阶段到服役期使用阶段,全过程均可能有裂缝产生。一旦开裂破坏,道面的维修将耗费大量的人力和物力。研究水泥混凝土道面的开裂破坏机理,确定水泥混凝土道面全过程开裂风险的影响因素意义重大。本文通用有限元分析软件对水泥混凝土道面的全过程开裂趋势进行建模分析。在早期施工阶段,为计算温度场,同时考虑了温度和龄期对水泥水化反应速率的影响,并运用水化度理论弥补了传统水泥水化热公式的不足;为计算温度应力,运用成熟度理论,考虑了温度和龄期对水泥混凝土强度和弹性模量发展的影响;为计算早期综合应力场,运用了松弛系数法和当量温差法,并考虑了徐变和收缩的影响。在服役期,通过计算多轮静载及冲击荷载作用下水泥混凝土道面的力学响应,揭示了各道面结构参数等多种因素引起道面开裂的敏感性。本文建立了以温度场和应力场理论为基础的道面结构模型、以弹性层状半空间地基为基础的道面结构模型。利用有限元计算模型,对水泥稳定碎石基层上水泥混凝土道面开裂趋势的影响因素进行了数值模拟。在早期施工阶段本文分别考虑了水泥水化热、水泥用量、浇筑温度、环境温度、面层厚度、最终收缩值、徐变、弹性模量和热膨胀系数等影响因素;在服役期使用阶段本文分别考虑了面层厚度、面层弹模、基层回弹模量、土基回弹模量以及基层脱空等影响因素。通过分析最大主拉应力,讨论了各因素对开裂的影响程度。本文的研究内容和结论为今后机场水泥混凝土道面的设计提供了参考。最后,指出了本文研究的不足,并提出了今后进一步研究方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 我国机场建设的发展现状
• 1.1.2 机场水泥混凝土道面在使用及设计中存在的问题
• 1.1.3 本文的研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 道面结构裂缝及其形成机理的研究
• 1.2.2 道面材料及板底脱空的研究
• 1.2.3 混凝土结构应力场计算方法的研究
• 1.3 研究内容
• 第二章 道面结构及有限元基本理论
• 2.1 道面的结构特征与受力特征
• 2.1.1 道面结构特征
• 2.1.2 道面受力特征
• 2.2 地基假定及有限元基础
• 2.2.1 地基假定
• 2.2.2 有限元基础
• 2.3 混凝土热力学基本理论
• 2.3.1 热传导方程及定解条件
• 2.3.2 瞬态温度场有限元计算理论
• 2.3.3 水泥水化热和混凝土绝热温升计算
• 第三章 道面结构飞机荷载作用下的有限元分析
• 3.1 概述
• 3.2 计算参数的确定
• 3.2.1 飞机荷载参数
• 3.2.2 道面结构材料参数
• 3.2.3 临界荷位及机轮布置
• 3.3 有限元模型及其收敛性分析
• 3.3.1 ANSYS 三维有限元模型
• 3.3.2 有限元模型收敛性分析
• 3.3.3 有限元计算模型的验证
• 3.4 道面结构参数对无脱空道面荷载裂缝形成的影响
• 3.4.1 道面板厚度敏感性分析
• 3.4.2 道面板弹性模量敏感性分析
• 3.4.3 基层回弹模量敏感性分析
• 3.4.4 土基回弹模量敏感性分析
• 3.5 道面结构参数对板底脱空道面荷载裂缝形成的影响
• 3.5.1 板底脱空形态特征及有限元模型
• 3.5.2 道面板厚度敏感性分析
• 3.5.3 道面板弹性模量敏感性分析
• 3.5.4 基层回弹模量敏感性分析
• 3.5.5 土基反应模量敏感性分析
• 3.6 疲劳荷载作用下的道面寿命预测
• 3.7 本章小节
• 第四章 道面结构温度应力有限元分析
• 4.1 概述
• 4.2 早期温度场和应力场计算的确定
• 4.2.1 有限元模型及计算参数
• 4.2.2 瞬态温度场计算
• 4.2.3 温度应力场计算
• 4.3 道面混凝土各项参数对道面早期裂缝形成的影响
• 4.3.1 水泥放热量及水泥含量敏感性分析
• 4.3.2 浇筑温度和环境温度敏感性分析
• 4.3.3 道面板厚度敏感性分析
• 4.3.4 道面混凝土收缩敏感性分析
• 4.3.5 道面混凝土徐变敏感性分析
• 4.3.6 道面混凝土模量敏感性分析
• 4.3.7 道面混凝土热膨胀系数敏感性分析
• 4.4 服役期温度应力分析
• 4.4.1 有限元模型及计算参数
• 4.4.2 道面结构参数对道面服役期温度裂缝形成的影响
• 4.5 本章小节
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究生期间发表的论文