车辆荷载作用下沥青路面疲劳行为研究

论文摘要

由于具有一定弹性、寿命长、防水性好和舒适等特点,沥青混合料是当前道路面层的主要形式。行驶车辆是造成道路损伤和破坏,诸如疲劳损坏、车辙和裂缝等的最主要因素之一。因此,道路在车辆荷载作用下的行为一直是研究人员关注的焦点课题之一本文进行车辆荷载作用下沥青路面疲劳行为研究。轴载是车辆荷载的表现形式,是造成道路损伤的直接因素,胎压和车型与轴载密切相关。基于交通调查数据的统计与分析,本文得到了当前我国高等级公路运输车辆轴载、胎压和车流的分布模型。轴载和胎压模型服从正态分布；车流模型无明显的分布特征。高速化、重载化交通趋势使车辆作用在道路的动荷载受到更多关注。本文进行了车辆一道路系统动力学仿真研究,得到了车辆参数及运用对动荷载的影响规律,提出了进行道路受力分析考虑动荷载影响的方法,并给出了参数选择范围。应力场是解决工程问题的有效工具。采用数值方法,本文提出了车辆荷载作用下沥青路面应力场显式表述获取方法,并对其特征进行了研究。结果表明,车辆荷载作用下,沥青路面处于多轴应力状态,面层层底既有拉应力,又有量值及效应不可忽略的压应力；因此,目前道路疲劳寿命估算以层底最大拉应力为参数显得不够缜密,应以由拉应力和压应力构成的应力幅为损伤因子,才能反映疲劳损伤的实质。工程实践用载荷谱进行荷载作用下结构损伤分析和寿命估算。基于计算机仿真技术,本文建立了车辆荷载作用下沥青路面载荷谱编制方法,并编制了给定工况下的应变谱。疲劳强度是一门理论分析和试验研究相结合的学科。本文设计了基于应力幅度(拉—压荷载)作用的室内三分点加载弯曲疲劳试验方法,并进行了室内疲劳试验和断口分析。结果表明,拉—压荷载作用下沥青混合料的疲劳行为与拉一拉或压一压荷载作用下的疲劳行为存在较大不同。愈合功能对沥青路面在车辆荷载作用下的疲劳寿命有较大影响。基于此理论,本文分析了应力比对愈合效应的影响,指出压应力提升其愈合能力；讨论了应力比小于零荷载和愈合效应对道路疲劳寿命估算精度的影响。本文最后给出了基于应力幅度因子的沥青路面疲劳寿命估算方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出和工程背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 沥青路面的设计方法
• 1.2.2 沥青路面的损坏形式
• 1.2.3 沥青路面和沥青混合料的疲劳行为研究
• 1.2.4 车辆—道路相互影响研究
• 1.2.5 沥青路面应力场研究
• 1.2.6 沥青混合料疲劳性能的试验研究
• 1.2.7 沥青混合料愈合性能研究
• 1.3 研究内容与技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究技术路线
• 第二章 车辆荷载对路面动作用力研究
• 2.1 高等级公路运输车辆特点及分类
• 2.1.1 当前公路运输车辆分类方法
• 2.1.2 基于轴结构的公路运输车辆分类方法
• 2.2 当前高等级公路运输车辆轴载特征
• 2.2.1 轴载模型的建立方法
• 2.2.2 轴载模型的建模原理
• 2.2.3 现阶段高等级公路的轴载模型
• 2.2.4 讨论
• 2.3 当前高等级公路运输车辆轮胎胎压特征
• 2.3.1 当前高等级公路运输车辆轮胎胎压现状
• 2.3.2 讨论
• 2.4 当前高等级公路运输车辆轴型特征
• 2.5 行驶车辆荷载动态特性研究
• 2.5.1 路面随机不平度的时域模拟
• 2.5.2 单后桥双轮货车二分之一车辆模型
• 2.5.3 路面等级对路面动作用力的影响
• 2.5.4 行驶速度对路面动作用力的影响
• 2.5.5 载重量对路面动作用力的影响
• 2.5.6 轮胎刚度对二轴车系统响应的影响
• 2.5.7 后桥悬架刚度对二轴车系统响应的影响
• 2.5.8 后桥悬架阻尼对二轴车系统响应的影响
• 2.6 小结
• 第三章 标准轴载下沥青路面应力场显式表述
• 3.1 轴对称弹性空间问题的基本方程
• 3.2 车辆荷载作用下沥青路面应力隐式表述
• 3.2.1 轴对称弹性空间问题的通解
• 3.2.2 弹性层状体系问题的解
• 3.3 车辆荷载作用下柔性道路应力场显式表述
• 3.3.1 仿真模型的建立
• 3.3.2 车辆荷载作用下简易道路应力场显式表述
• 3.3.3 永久性沥青路面车辆荷载作用下应力场显式表述
• 3.3.4 简化道路模型车辆荷载作用下应力场显式表述
• 3.3.5 弹性层状体系应力场显式表述正确性验证
• 3.4 车辆荷载作用下沥青路面力学特征
• 3.4.1 车辆荷载作用下沥青路面的力学状态
• 3.4.2 车辆荷载作用下沥青路面层底水平应变特征
• 3.5 车辆单边双轮轮距对沥青路面响应影响研究
• 3.5.1 单边双轮组下沥青路面应变响应
• 3.5.2 仿真结果分析
• 3.6 小结
• 第四章 沥青路面载荷谱编制方法
• 4.1 车辆荷载作用下沥青路面载荷谱编制方法
• 4.1.1 编制车辆荷载作用下沥青路面载荷谱的几个问题
• 4.1.2 车辆荷载作用下沥青路面载荷谱编制方法
• 4.2 车辆荷载作用下沥青路面应力响应的仿真
• 4.2.1 车辆荷载下沥青路面中的应力响应
• 4.2.2 车辆动荷载作用下沥青路面应变响应野外现场测试
• 4.2.3 应变响应仿真正确性验证与讨论
• 4.3 车辆荷载作用下沥青路面层底载荷谱
• 4.3.1 各轴型作用下沥青路面应变响应
• 4.3.2 编制载荷谱道路响应仿真位置的选取
• 4.3.3 车辆荷载作用下沥青路面载荷谱编制步骤
• 4.3.4 车辆荷载作用下沥青路面载荷谱
• 4.4 小结
• 第五章 沥青混合料疲劳性能室内试验研究
• 5.1 沥青混合料疲劳试验方案
• 5.1.1 试验方法的确定
• 5.1.2 试件制备方法
• 5.2 试验准备
• 5.2.1 试件性能
• 5.2.2 试验参数
• 5.2.3 荷载施加装置及试件夹持装置
• 5.2.4 试验方案
• 5.3 室内试验疲劳寿命方程
• 5.3.1 试件疲劳寿命
• 5.3.2 实验数据处理的两个问题
• 5.4 基于拉—压荷载作用沥青混合料疲劳破断试件断口宏观分析
• 5.4.1 沥青混合料试样断口分析原则与内容
• 5.4.2 试件断口图
• 5.4.3 试件断口特征
• 5.5 试验结果分析
• 5.5.1 试验结果的断裂力学分析
• 5.5.2 临界应变对试验结果的影响
• 5.6 小结
• 第六章 沥青路面疲劳行为与基于应力（变）幅度的抗疲劳设计
• 6.1 拉—压应力作用下沥青混合料疲劳行为
• 6.1.1 单向应力（变）作用下沥青混合料疲劳行为
• 6.1.2 拉—压应力作用下沥青混合料疲劳行为
• 6.1.3 应力比对沥青混合料疲劳寿命影响
• 6.2 沥青路面室内与现场疲劳寿命差异分析
• 6.2.1 研究现状
• 6.2.2 沥青混合料室内疲劳试验
• 6.2.3 现场疲劳寿命估算
• 6.3 基于应力（变）幅度沥青路面疲劳寿命估算方法
• 6.4 疲劳寿命估算方法比较
• 6.4.1 计算参数
• 6.4.2 基于当量轴次的疲劳寿命估算
• 6.4.3 基于应变幅度的疲劳寿命估算
• 6.4.4 疲劳寿命估算结果比较
• 6.5 小结
• 结论与展望
• 1 研究结论
• 2 论文主要创新点
• 3 进行车辆荷载作用下沥青路面疲劳行为研究展望
• 3.1 车辆荷载作用下沥青路面应力场显式表述精度
• 3.2 试验数据的扩充
• 3.3 新研究方法的探索
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢