含裂缝沥青路面结构有限元分析

论文摘要

随着交通量和载重汽车数量的迅速增长,基层开裂成为沥青路面早期破坏的主要形式之一。在交通荷载和温度荷载的反复作用下,基层中的微裂纹不断扩展、增密形成宏观可见的连通裂缝,严重影响路面结构的连续性和整体性,因此有必要对含裂缝的沥青路面结构进行理论研究。断裂力学理论的引入,为含裂纹路面结构裂缝尖端区域应力集中问题的理论分析提供了理论支持,结合有限元等数值分析方法,为模拟沥青路面结构的开裂问题提供了有效研究途径。本文结合断裂力学理论与有限元分析方法,开展了含裂纹沥青路面结构的理论分析研究。采用有限元软件ABAQUS建立了含裂纹基层沥青路面结构的力学分析模型,分别进行了交通荷载作用下沥青路面结构静力特性和动力特性的理论研究。对于静态荷载作用下的路面结构,建立了计算模型,考虑行车荷载对称作用于裂缝上端和作用于裂缝上方一侧两种不利荷载模式,分析了面层厚度、模量,基层和底基层厚度、模量以及裂缝深度等结构参数对应力强度因子KⅠ、KⅡ的影响规律。建立了动荷载作用下路面结构的分析模型,研究了路面结构参数与结构固有频率的关系,分析了动荷载作用下车辆速度、载重和结构几何参数对裂缝尖端应力强度因子的影响规律,对比了含裂缝沥青路面和完好沥青路面动力响应的差异。通过上述研究工作得到的结论,可为含裂纹沥青路面的进一步研究提供有益参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 2 断裂力学基本理论
• 2.1 裂纹类型
• 2.2 线弹性断裂力学理论
• 2.2.1 裂纹尖端应力场和位移场
• 2.2.2 裂纹失稳扩展的应力强度因子准则
• 2.2.3 复合型裂纹的脆性断裂准则
• 2.3 断裂问题的有限元法
• 2.3.1 有限元基本理论
• 2.3.2 裂纹尖端奇异单元
• 3 含裂缝沥青路面结构静力特性分析
• 3.1 有限元模型的建立
• 3.1.1 基本假设
• 3.1.2 路面结构层参数
• 3.1.3 行车荷载
• 3.1.4 有限元模型
• 3.2 面层参数对裂缝尖端应力强度因子的影响
• 3.2.1 面层厚度的影响
• 3.2.2 面层模量的影响
• 3.3 基层参数对裂缝尖端应力强度因子的影响
• 3.3.1 基层厚度的影响
• 3.3.2 基层模量的影响
• 3.4 底基层参数对裂缝尖端应力强度因子的影响
• 3.4.1 底基层厚度的影响
• 3.4.2 底基层模量的影响
• 3.5 裂缝长度对应力强度因子的影响
• 3.6 本章小结
• 4 含裂缝路面结构动态特性分析
• 4.1 路面结构动力响应
• 4.2 结构动力分析基本理论
• 4.2.1 弹性动力学有限元基本理论
• 4.3 质量矩阵和阻尼矩阵
• 4.3.1 质量矩阵
• 4.3.2 阻尼矩阵
• 4.4 结构固有频率分析
• 4.5 有限元模型建立
• 4.5.1 行车荷载
• 4.5.2 路面结构组成及材料参数
• 4.6 路面结构模态分析
• 4.6.1 模态分析
• 4.6.2 面层参数对路面结构固有频率的影响
• 4.6.3 基层参数对路面结构固有频率的影响
• 4.6.4 底基层参数对路面结构固有频率的影响
• 4.7 行车荷载下含裂缝沥青路面结构分析
• 4.7.1 行车荷载下动应力强度因子的确定
• 4.7.2 行车速度对裂缝尖端动应力强度因子的影响
• 4.7.3 车辆荷载对裂缝尖端动应力强度因子的影响
• 4.7.4 阻尼比对裂缝尖端动应力强度因子的影响
• 4.8 本章小结
• 5. 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢