8.1.4 修补道面结构的参数敏感性分析
根据以上选定的建模参数，对修补道面板进行建模和数值分析，以新旧混凝土道面的水平黏结面的黏结剪切力和竖直黏结面的黏结正应力为指标，研究和评价新旧道面的黏结效果。通过改变道面结构参数和环境参数对道面板受力状态产生影响的变化规律称为结构参数的敏感性分析，分析了修补道面力学响应对修补尺寸和厚度、环境温度、弹性模量、线膨胀系数等参数的敏感性。
1）道面板修补尺寸的影响
为研究道面修补尺寸对新旧道面黏结面应力的影响程度，建立了不同修补尺寸的道面结构有限元模型，计算时以道面的板角修补为例，选定道面修补厚度为0.07m，取新旧道面混凝土的弹性模量分别为39000MPa和36000MPa，对修补后的道面板板角施加单轮荷载作用，研究不同修补尺寸情况下应力的变化规律。修补尺寸的参数根据道面修补实际需要和机轮尺寸选用，修补结构的长宽比不宜过大，修补面积也应保持在合理范围之内。在计算时拟定修补结构的竖直黏结面A的长度LA为0.7m，竖直黏结面B的长度LB变化范围为0.4～1.0m。各黏结面的应力分布云图如图8-6所示（以修补尺寸0.7m×0.7m为例），各黏结面的应力随修补混凝土边长比的变化规律如图8-7所示。
图8-6 单轮作用下新旧混凝土黏结面应力分布情况
图8-7 黏结应力随修补混凝土边长比的变化
由图8-7可以看出，水平黏结面的最大剪切应力和竖直黏结面的最大拉应力随着修补板边长的增大呈现出先减小后增大的趋势，在修补板边长比为1时达到最小值，水平黏结面应力的最大减小幅度为9.1%，竖直黏结面应力的最大减小幅度为13.3%。由此可以看出，黏结应力对修补板的边长比变化有较小的敏感性，在边长比过大和过小时，黏结面的剪切应力和拉应力会有一定幅度的增大，在一定程度上影响了新旧混凝土的黏结效果。因此，在实际工程中可以通过控制修补的尺寸来达到控制剪切应力和拉应力的目的。
2）道面板修补厚度的影响
在道面修补中，修补厚度一般根据道面板的破坏类型和特征来确定，修补厚度较薄时，在荷载作用下容易再次发生剥落和断裂等病害，修补过厚会导致施工量的加大和材料的浪费。根据施工经验，一般道面修补的厚度范围为60～80mm。通过建立修补道面的有限元模型，对道面修补厚度的参数敏感性进行分析，探究修补厚度对新旧混凝土道面黏结性能的影响作用。建模时选用修补尺寸为0.7m×0.7m，取新旧道面的弹性模量为39000MPa和36000MPa，对修补后的道面板板角施加单轮荷载作用，探究新旧混凝土黏结应力对修补厚度参数变化的敏感程度。计算结果见图8-8。
图8-8 新旧混凝土黏结面应力随修补厚度的变化
由图8-8可以看出，随着修补厚度的增加，水平黏结面的剪切应力呈增大的变化趋势，修补厚度从0.02m增加到0.10m时，剪切应力的增大幅度为24.6%。另一方面，随着板底剪切应力的增大，两个竖向黏结面A和B的拉应力相应有所减小，修补厚度从0.02m增加到0.10m时，黏结面A和黏结面B的拉应力减幅分别为18.5%和18.2%。由此可以看出，新旧混凝土黏结应力对修补厚度有较强的敏感性，对于竖向黏结面而言，修补厚度的增加对黏结面的拉应力有减小作用，这使得新旧混凝土竖直黏结面的受力情况更加合理，不易发生开裂破坏。同时，对于水平黏结面而言，修补厚度的增加会导致水平剪切力的增大，不利于修补结构的受力。因此，根据图中曲线的变化特点，选取中间段曲线对应的厚度就可以保证水平黏结面的剪切力和竖直黏结面的拉应力在合理的范围之内，同时结合实际修补工程中对骨料等方面的要求，选取0.06～0.08m范围的修补厚度较为合理。
3）温度的影响
修补道面结构能够保持良好的使用性能的关键是保持较好的黏结性能，外界温度变化时，新旧混凝土黏结面会产生剪切应力和拉应力，一旦超出黏结面的黏结强度，修补结构就会产生裂缝，甚至发生更严重的破坏，影响道面的修补质量和使用寿命。采用有限元分析方法分析了修补道面在温度变化时黏结面应力的变化规律，建模时以板角修补为例，修补尺寸为0.7m×0.7m，厚度为0.07m，将道面初始温度拟定为20℃，考虑道面板的翘曲应力以及道面板和空气的对流，取新旧道面的弹性模量为39000MPa和36000MPa，线膨胀系数分别为0.86×10-5/℃和0.68×10-5/℃，从-40℃到50℃依次改变道面表面的温度，通过热分析求出道面温度场的分布如图8-9所示（以表面温度下降到10℃为例）。然后将节点温度施加到结构单元节点上求解出修补部分道面的黏结面应力如图8-10所示。
图8-9 道面结构温度分布
图8-10 新混凝土板黏结面黏结应力分布
为研究新旧道面的黏结应力随温度的变化情况，对3个黏结面的应力分布进行了计算分析。从图8-10a可以看出，水平黏结面的剪切应力最大值出现在板角，且表现出由板角向板中递减的趋势，这是由于板内温度沿深度方向的不均匀分布导致了板角的翘曲，新旧混凝土之间的黏结剪应力因此而变化。图8-10b为竖向黏结面A的正应力分布，竖向黏结面B的应力分布与其相似。可以看出，在温度下降时，竖向黏结面出现拉应力，这是由于温度下降使修补混凝土板产生收缩导致，拉应力最大值出现在靠近板边一侧则是由于板边翘曲导致。应力随温度变化的曲线如图8-11所示。
图8-11 黏结面应力与温度的关系
由图8-11可以看出，新旧混凝土水平黏结面的最大剪应力和竖向黏结面的最大正应力随着温度的上升和下降呈现出线性增大的变化规律。进行计算时板的初始温度设置为20℃，因此在顶面温度为20℃时水平黏结面剪应力和竖向黏结面正应力都接近于0。顶面温度上升时混凝土发生膨胀，导致水平黏结面产生剪切力，竖向黏结面产生压力；顶面温度下降时混凝土产生收缩，导致水平黏结面产生与膨胀时相反方向的剪切力，竖向黏结面产生拉力，并且随着温度变化幅度的增大而增大。在-40℃时，由温度引起的水平黏结面最大剪应力可以达到4.26MPa，竖直黏结面的拉应力达到2.99MPa，与20℃时的应力差别非常明显，这说明修补道面结构的力学响应对温度的变化十分敏感。
4）混凝土弹性模量的影响
修补道面板的新旧混凝土弹性模量往往存在一定的差异性，为探究修补混凝土的弹性模量对修补结构力学性能的影响作用，对仅在温度作用下的修补道面进行有限元分析。建模时取修补尺寸为0.7m×0.7m，新旧道面的线膨胀系数分别为0.86×10-5/℃和0.68×10-5/℃，选定旧道面混凝土的弹性模量为36000MPa，新混凝土弹性模量变化范围为36000MPa～42000MPa，温度变化设置为道面顶面温度从初始温度20℃降至10℃。通过改变新修补混凝土的弹性模量，计算新旧混凝土在不同弹性模量比值情况下各黏结面的最大黏结应力，探究新旧混凝土黏结应力对混凝土弹性模量参数变化的敏感程度。各黏结面应力的计算结果见图8-12。
图8-12 新旧混凝土黏结面应力随弹性模量比的变化规律
由图8-12可以看出，在温度荷载作用下，水平黏结面的剪切应力和竖直黏结面的拉应力都随着新旧混凝土弹性模量比值的增大呈现出近似线性增大的规律，由于竖直黏结面A和竖直黏结面B的受力情况相同，两者的变化曲线呈现出重合的现象。当新旧混凝土的弹性模量比由1.02增加到1.17时，新旧道面水平黏结面剪应力的增加幅度为4.2%，竖直黏结面A和竖直黏结面B的拉应力增加幅度分别为4.5%和4.7%，由以上计算结果可以看出，新旧道面的黏结应力对修补混凝土的弹性模量变化的有较弱的敏感性，采用弹性模量接近于旧混凝土的修补混凝土在一定程度上有助于增强新旧混凝土的黏结性能。
5）混凝土膨胀系数的影响
混凝土在温度下降时会发生收缩现象，使新旧混凝土的黏结面产生拉应力作用，严重时会导致黏结面开裂破坏，这往往是由新旧混凝土膨胀系数的差异引起。为探究修补混凝土膨胀系数对修补结构力学响应的影响作用，对仅在温度作用下的修补道面进行有限元分析。建模时取修补尺寸为0.7m×0.7m，新旧道面混凝土的弹性模量分别为39000MPa和36000MPa，选定旧道面混凝土的线膨胀系数为0.86×10-5/℃，新混凝土的线膨胀系数主要由粗骨料的类型决定，因此根据表5.2中的参数选用，温度变化设置为道面顶面温度从初始温度20℃降至10℃。通过改变新修补混凝土的线膨胀系数，计算新旧混凝土在不同线膨胀系数比值情况下各黏结面之间的最大黏结应力，探究新旧混凝土黏结应力对混凝土线膨胀系数参数变化的敏感程度。各黏结面应力的计算结果见图8-13。
图8-13 新旧混凝土黏结面应力随膨胀系数比的变化规律
由图8-13可以看出，在温度荷载作用下，水平黏结面剪应力和竖向黏结面拉应力都随新旧混凝土膨胀系数比值的增大呈近似线性增长的趋势，且增长幅度较大，说明新旧混凝土膨胀系数的差异显著影响了新旧混凝土黏结面的应力，由于两竖向黏结面位于对称位置，故受力情况相同，应力变化曲线出现重合的现象。膨胀系数比值从1.26增加到1.73时，新旧混凝土水平黏结面剪应力的增加幅度为71%，竖向黏结面A和竖向黏结面B的拉应力增加幅度分别为114.8%和114.6%，由计算结果可以看出，新旧道面的黏结应力对新混凝土膨胀系数变化具有十分显著的敏感性，在进行道面修补时，减小新旧混凝土材料的膨胀系数差异可以有效减小黏结面的应力，可以通过合理选用修补混凝土粗骨料类型来达到目的，优先选用和旧混凝土类型相同或者膨胀系数相近的石料作为修补混凝土粗骨料。