沥青混凝土桥面铺装车辙问题的模拟与分析

论文摘要

钢筋混凝土公路桥梁在我国的交通运输事业中有着举足轻重的位置,是我国经济高速发展的重要保障之一。尤其是近年来高速公路的迅猛发展,使得钢筋混凝土公路桥梁得到了更加广泛的应用。但是在运营过程中,沥青混凝土桥面铺装层经常发生早期破坏,严重影响了桥梁的通行速度和服务质量。由于桥梁的特殊性和维修的复杂性,桥面铺装的车辙问题会带来严重的经济损失和不良的社会效应,是工程界亟待解决的问题之一。沥青混凝土桥面铺装层的工作环境非常复杂,既包括工作温度随时间和空间的动态分布,又包括受荷条件与沥青路面的巨大差别,同时还要受到其他各种环境因素的综合作用,这些都为从理论上分析桥面铺装的工作状态带来困难。本文将分析的重点集中在桥面铺装的车辙发展规律上,希望通过非线性有限元模拟、耗散能理论分析找出沥青混凝土桥面铺装发生车辙破坏的规律性,探索一种适合于工程应用的考虑永久变形的桥面铺装设计方法。本文首先分析了影响桥面铺装温度状态的诸多因素,从而建立有限元模型,模拟计算出桥面铺装体系随时间变化的温度分布情况；在此基础之上,选择合理的沥青混合料粘弹塑性模型,利用非线性有限元方法模拟了标准轴载作用下的桥面铺装车辙发展情况,并从车辙深度及构成等角度分析了车辙发展的规律,并探究了横向加载位置、车辆超载及行车速度等因素对车辙深度的影响；随后,从能量原理的角度入手,分析了车辙发展过程中桥面铺装体系内的能量流动,从而以耗散能为依据,分析验证了桥面铺装车辙发展的规律性；最后,结合国内外已有的沥青路面设计方法,兼顾桥面铺装的特殊性,将永久变形指标考虑到了桥面铺装的设计方法中。通过本文的研究发现,车辙发展前期沥青混凝土以竖向压密为主,后期则以水平流动变形为主；在双沥青层铺装体系中,车辙主要发生在下面层并与竖向蠕变应变保持良好的相关性；在车辙发展过程中,能量通过混合料的塑性流动和裂纹发展而耗散,通过耗散能原理分析可以得到与有限元法相类似的车辙发展规律。本文对沥青混凝土桥面铺装车辙问题的分析,进一步揭示了桥面铺装车辙破坏的过程和本质,更加深入地认识了沥青铺装层的高温特性,同时为利用耗散能原理分析车辙问题探索了一条新的途径。对考虑永久变形的桥面铺装设计方法,可作为桥面铺装结构设计方法的一种新的尝试。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内外对桥面铺装的研究现状
• 1.2.2 国内外对车辙问题的研究现状
• 1.3 本文研究的意义和主要内容
• 1.3.1 本文研究的意义
• 1.3.2 本文研究的内容
• 2 桥面铺装车辙问题的有限元模拟
• 2.1 有限元计算模型
• 2.1.1 T型梁截面尺寸及桥面铺装层结构
• 2.1.2 ABAQUS有限元模型
• 2.2 桥面温度场的计算
• 2.2.1 桥面温度场的主要影响因素
• 2.2.2 温度场计算参数
• 2.2.3 温度场计算结果与分析
• 2.3 桥面铺装层车辙计算的基本原理
• 2.3.1 沥青混合料的粘弹塑性性质
• 2.3.2 常用的蠕变模型
• 2.3.3 等参八节点四边形单元
• 2.3.4 ABAQUS软件中的非线性分析
• 2.3.5 沥青混凝土桥面铺装的车辙分析方法
• 2.4 车辙计算中的各种参数
• 2.4.1 荷载参数
• 2.4.2 材料参数
• 2.5 沥青混凝土桥面铺装车辙计算结果分析
• 2.5.1 常温下不同蠕变模型分析效果的比较
• 2.5.2 横向加载位置对车辙深度的影响
• 2.5.3 车辙发展历史分析
• 2.5.4 车辆超载对桥面铺装车辙的影响
• 2.5.5 车辆行驶速度对桥面铺装车辙发展的影响
• 2.6 本章小结
• 3 基于耗散能原理的桥面铺装车辙发展规律分析
• 3.1 基本理论
• 3.1.1 热力学基本定律
• 3.1.2 耗散函数
• 3.2 桥面铺装体系的能量流动
• 3.2.1 能量的输入
• 3.2.2 能量的转化
• 3.3 耗散能理论与基本方程
• 3.3.1 滞后回路方程
• 3.3.2 耗散能方程
• 3.3.3 蠕变应变的计算
• 3.4 沥青铺装层车辙发展规律分析
• 3.4.1 沥青混合料粘弹性性质对其蠕变性能的影响
• 3.4.2 裂纹产生和发展所耗散的能量
• 3.5 车辙发展过程中耗散能分布情况的有限元分析
• 3.5.1 有限元模拟中的基本参数
• 3.5.2 有限元计算结果及分析
• 3.6 本章小结
• 4 考虑永久变形的沥青混凝土铺装层设计方法
• 4.1 考虑永久变形的设计方法的基本思路
• 4.2 桥面铺装车辙变形限制值
• 4.3 永久变形等效的轴载换算
• 4.4 永久变形的有效温度
• 4.4.1 蠕变损伤累积定律
• 4.4.2 有效温度的计算
• 4.4.3 有效温度的推荐值
• 4.5 现有的沥青路面车辙预估方法
• 4.5.1 经验法
• 4.5.2 半经验半分析法
• 4.5.3 分析法
• 4.6 车辙预估结果的修正
• 4.7 考虑永久变形的桥面铺装设计的推荐方法
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢