大跨径钢桥面环氧沥青混凝土铺装裂缝行为研究

论文摘要

钢桥面铺装层作为一个功能层,必须具有足够的强度和良好的整体性,并应具有足够的抗裂、抗冲击、耐磨性能。在我国,多座钢桥面铺装层在使用过程中都出现裂缝类病害,有的甚至严重到不得不进行大面积翻修。大跨径钢桥面铺装层出现裂缝之后,一旦雨水渗入裂缝,浸蚀铺装层与钢桥面板之间的粘结层,那么在行车荷载作用下,铺装层会很快在更大面积上开裂恶化,不但会诱发更多其他类型病害的产生,还会引起钢桥面板的锈蚀。这不仅对高速行驶车辆的安全构成威胁,而且会降低钢桥面板的使用寿命,同时也会造成恶劣的社会影响。因此,对钢桥面铺装层裂缝行为进行研究是降低铺装层病害出现的概率、延长铺装层使用寿命的关键。本文是国家自然科学基金项目“钢桥面环氧沥青混凝土铺装层疲劳损伤与寿命预估研究”(基金编号:50578038)的一部分,主要对环氧沥青混凝土铺装层裂缝行为进行理论研究。论文首先对环氧沥青混凝土裂缝类病害现场调查结果进行令了分析和评述。根据裂缝的具体特征把铺装层上的裂缝分为三类。在此基础上通过对钢桥面铺装层荷载图式的研究以及不同条件下铺装层的力学分析,得出了不同类型裂缝产生的机理,并对钢桥面铺装各种病害之间的演化关系进行了分析。在对现有材料断裂判据优劣性分析的基础上,利用有限元方法对带切口的环氧沥青混凝土复合结构的断裂过程进行了模拟,发现在J积分vs.裂缝扩展长度曲线上存在两个拐点,由此提出用J积分作为环氧沥青混凝土复合结构的断裂判据,同时给出了描述环氧沥青混凝土复合结构中裂缝扩展过程的指标:iniJ I和J Iun。疲劳断裂是环氧沥青混凝土铺装层裂缝出现的主要原因。材料的疲劳断裂过程实际上是多次动荷载作用下裂缝扩展过程的简单迭加。鉴于此,论文利用有限元方法对带裂缝的铺装层的动荷载响应进行了分析。同时分析了不同铺装层不平整度、裂缝深度、铺装层模量、铺装层与钢板之间层间粘结情况等对裂缝顶端应力场的影响,结果表明,不同因素对铺装层裂缝顶端应力场的影响规律是不同的。其中,铺装层与钢板之间的粘结情况对铺装层使用性能的影响最为显著。通过对已有研究成果的对比分析,对环氧沥青混凝土复合结构疲劳裂缝扩展阻力曲线的形式进行了探讨,并提出了适合于环氧沥青混凝土复合结构的R曲线。在此基础上,利用MSC.Fatigue对复合梁的疲劳裂缝扩展进行了研究,提出了疲劳裂缝扩展的三个阶段:启裂阶段、稳定扩展阶段和失稳扩展阶段,并分别对其进行了拟合,得出了疲劳裂缝扩展与疲劳荷载作用次数之间的关系。同时还提出了当量裂缝长度的概念,以有效考虑环氧沥青混凝土中的微孔隙对疲劳裂缝扩展的影响。研究裂缝的目的是控制并消除裂缝的不利影响。因此,论文在最后对利用分布式光纤传感器对铺装层中的裂缝进行监测并预报的可行性进行了分析,提出了分布式光纤传感器在铺装层中的布设方式。同时,对环氧沥青混凝土铺装层养护方法进行了分类,并对预防性养护方法的实用性进行了分析。并且建立了铺装层使用性能评价指标BPCI模型。利用BPCI的衰减规律,可以方便地进行养护决策。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 钢桥面铺装层的裂缝类病害
• 1.1.2 铺装层裂缝的监测方法
• 1.2 疲劳裂缝问题的研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.1.1 沥青路面裂缝及疲劳扩展
• 1.2.1.2 桥面铺装层裂缝及疲劳扩展
• 1.2.1.3 裂缝监控方法
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.2.1 沥青混凝土等裂缝及疲劳扩展
• 1.2.2.2 桥面铺装层裂缝及疲劳扩展
• 1.2.2.3 混凝土结构裂缝监测
• 1.3 研究的目的和意义
• 1.4 主要研究内容及技术路线
• 1.4.1 本文主要研究内容
• 1.4.2 主要技术路线
• 1.4.3 主要预期成果
• 参考文献
• 第二章 环氧沥青混凝土铺装层起裂机理
• 2.1 铺装层病害调查分析
• 2.2 铺装层裂缝分类
• 2.2.1 第一类裂缝
• 2.2.2 第二类裂缝
• 2.2.3 第三类裂缝
• 2.3 铺装层裂缝分析的基本方法
• 2.4 有限元分析基本理论
• 2.5 钢桥面铺装层的荷载图式研究
• 2.5.1 轮胎与路面接触的基本理论
• 2.5.2 轮胎与铺装层的有限元模型及材料参数
• 2.5.3 轮胎作用位置
• 2.5.4 有限元计算结果及分析
• 2.5.5 车辆荷载图式的简化
• 2.6 钢桥面铺装裂缝机理分析
• 2.6.1 计算模型的简化
• 2.6.2 第一类裂缝机理分析
• 2.6.3 第二类裂缝机理分析
• 2.6.4 第三类裂缝机理分析
• 2.7 铺装层裂缝的演化规律
• 2.8 本章小结
• 参考文献
• 第三章 环氧沥青混凝土铺装层的断裂判据
• 3.1 常用的断裂判据
• 3.1.1 应力强度因子 K 判据
• 3.1.2 J 积分判据
• 3.1.3 能量释放率 G 判据
• 3.2 裂缝扩展的有限元理论
• 3.2.1 单元的奇异性
• 3.2.2 虚拟裂缝扩展
• 3.3 环氧沥青混凝土铺装层断裂判据研究
• 3.3.1 环氧沥青混凝土的低温特性
• 3.3.2 裂缝扩展的有限元实现
• 3.3.3 断裂扩展中的塑性区
• 3.3.4 ADINA 断裂过程验证实例
• 3.3.5 环氧沥青混凝土铺装层结构的 J 积分断裂判据
• 3.4 J 判据与 G 判据的转换
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 带裂缝铺装层的动荷载响应
• 4.1 铺装层平整度的模拟
• 4.1.1 国际不平整度指数（IRI）
• 4.1.2 功率谱密度（PSD）
• 4.1.3 IRI 与PSD 的转换关系
• 4.1.4 铺装层空间平整度的模拟
• 4.2 车辆动荷载的简化
• 4.3 动荷载作用下裂缝顶端的塑性区
• 4.4 动力学及应力强度因子基本理论
• 4.4.1 铺装层的动荷载响应
• 4.4.2 铺装层与钢板之间的接触
• 4.4.3 动荷载作用下的应力强度因子 K
• 4.5 计算模型及假设
• 4.6 计算结果及分析
• 4.6.1 不同裂缝位置对K 的影响
• 4.6.2 不同初始裂缝深度对K 的影响
• 4.6.3 不同IRI 对K 的影响
• 4.6.4 不同层间条件对K 的影响
• 4.6.5 不同铺装层弹性模量对K 的影响
• 4.7 本章小结
• 参考文献
• 第五章 环氧沥青混凝土铺装层疲劳裂缝扩展
• 5.1 沥青混凝土疲劳裂缝的力学分析方法
• 5.1.1 一阶段断裂力学方法
• 5.1.2 两阶段断裂力学方法
• 5.2 裂缝扩展阻力 R
• 5.3 疲劳裂缝扩展的数值模拟
• 5.3.1 复合梁的 S-N 曲线
• 5.3.2 疲劳荷载
• 5.3.3 疲劳裂缝扩展的数值模拟及分析
• 5.4 环氧沥青混凝土中微孔隙的考虑
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 环氧沥青混凝土铺装层裂缝的监测及控制方法
• 6.1 分布式光纤的基本原理
• 6.1.1 光纤的组成和特点
• 6.1.2 光纤的传光原理
• 6.1.3 光纤的散射损耗与微扰损耗
• 6.1.4 分布式光纤传感器基本原理
• 6.2 分布式光纤传感起对铺装层裂缝监测
• 6.2.1 分布式光纤测裂机理
• 6.2.2 环氧沥青混凝土铺装层裂缝监测的可行性
• 6.3 光纤在铺装层中的铺设方法
• 6.4 环氧沥青混凝土铺装层裂缝的控制措施
• 6.5 环氧沥青混凝土铺装层的养护方法
• 6.5.1 铺装层的预防性养护
• 6.5.2 铺装层的矫正性养护
• 6.5.3 铺装层的重建
• 6.5.4 铺装层使用性能评价模型 BPCI
• 6.6 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要研究结论
• 7.2 本文创新点
• 7.3 进一步研究的设想
• 致谢
• 作者攻读博士学位期间发表的论文