荷载和温度对沥青路面Top-Down开裂影响的有限元分析

论文摘要

本文针对沥青路面的Top-Down裂缝,结合筑路材料的材料参数和实际观测数据,对轮胎-路面交互作用下的沥青路面结构进行力学分析,研究结构的受力和温度场。揭示沥青路面Top-Down开裂的原因和影响因素,探讨延缓Top-Down开裂的措施与方法。首先,根据硬质胎壁轮胎的传力机制和实际的负载和胎压,将轮胎-路面的接触应力简化为二维垂直和横向的接触应力,同时结合筑路材料的阻尼性质,采用有限元软件ABAQUS,建立二维有限元模型进行显式动力学分析。计算及分析表明:由于路表的剪应力导致了Top-Down裂缝的产生;由于慢车速作用下产生的路表剪应力值大于快车速作用下的值,所以是导致Top-Down裂缝产生的外在因素之一;相同车速下,阻尼比高的筑路材料产生的路表剪应力小于阻尼比低的筑路材料,是Top-Down裂缝产生的内在因素之一;并用统计学方法,分析动荷载作用下不同因素对Top-Down开裂影响的显著性。在原有的有限元模型上考虑三个不同长度的初始微裂缝,结合实际观测的不同温度情况的沥青混合料的动态模量,研究动荷载作用下裂缝的发展规律。计算及分析表明:车速越慢,剪切型强度因子KⅡ也越大,即较慢的车速会加速Top-Down裂缝的扩展;同时随着温度的升高,沥青面层材料动态模量的降低,剪切型强度因子KⅡ随之减小;剪切型强度因子KⅡ随着裂缝长度的增加而增大;从整体上来说,在相同工况下采用半刚性基层可以降低Top-Down裂缝的剪切型强度因子KⅡ,而且在温度较低裂缝较长时候体现的更加明显;并用广义Paris公式,分析了不同工况下Top-Down裂缝的疲劳寿命。最后研究三个不同降温幅度对含裂缝沥青路面结构的温度场和力学的影响,计算及分析表明:经过反复作用后的存在微裂缝的沥青路面,在急剧降温过程中可能导致面层产生Top-Down裂缝;在降温过程中,路面结构不同深度处,路表的拉应力和变化幅度最大,随着深度的增加,拉应力和其变化幅度逐渐减小;初始微裂缝越长,降温过程中张开型应力强度因子KⅠ越大,也越容易开裂;随着降温幅度的增加,拉应力和张开型强度因子KⅠ迅速增加,Top-Down裂缝的发展速度也越快。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内研究现状
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.3 研究的主要内容、思路和技术
• 1.3.1 研究的主要内容和技术
• 1.3.2 研究方法和思路
• 第二章 动荷载下路表剪应力分析
• 2.1 动态分析理论和计算方法
• 2.1.1 线性动态分析
• 2.1.2 筑路材料的阻尼比
• 2.1.3 ABAQUS 中的阻尼的定义
• 2.2 二维路面动力学分析
• 2.2.1 轮胎接地压力
• 2.2.2 设置加载幅值曲线
• 2.2.3 有限元模型
• 2.2.4 材料参数
• 2.2.5 静荷载下路面应力响应
• 2.2.6 动荷载下柔性基层路面路表剪应力分析
• 2.3 动荷载作用下不同参数影响的显著性分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 动荷载作用下 TOP-DOWN 裂缝疲劳寿命分析
• 3.1 断裂力学的理论和计算方法
• 3.1.1 应力强度因子K
• 3.1.2 J 积分和应变能释放率
• 3.1.3 强度因子的数值计算方法
• 3.2 有限元模型
• 3.3 结果分析
• 3.3.1 动荷载作用下强度因子对比
• 3.3.2 基于Paris 公式的裂缝扩展分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 降温幅度对沥青路面 TOP—DOWN 开裂的影响
• 4.1 温度场
• 4.1.1 传热的三种方式
• 4.1.2 热平衡方程
• 4.1.3 建模及加载计算
• 4.2 热力耦合TOP-DOWN 开裂有限元分析
• 4.2.1 建模及材料参数设定
• 4.2.2 降温过程中沥青面层拉应力分析
• 4.2.3 降温过程中沥青面层断裂力学分析
• 4.2.4 不同降温幅度下的路面拉应力和KⅠ分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 主要结论和进一步建议
• 5.1 主要结论
• 5.2 进一步研究的建议
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读学位期间发表论文及参加的科研项目
• 详细摘要