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沥青路面力学响应分析与计算效率优化

王政  
【摘要】:沥青路面结构内部的各项力学响应在沥青路面设计和性能评价中起着至关重要的作用。主流的线黏弹性分析方法通过施加弹性-黏弹性对应原理能够获得沥青力学响应的在频域内的解析解,然而为了确定时域内的沥青路面力学响应的时程曲线需要进行大量多层体系一般解求解和拉普拉斯逆变换的数值运算。这就使得黏弹性分析方法的分析过程需要耗费大量的计算时间与计算机存储资源,本论文主要对沥青路面的力学响应的计算方法进行了研究,并尝试采用准弹性方法加快计算黏弹性路面力学响应的分析过程。本文首先回顾了沥青路面力学分析中常使用的弹性分析方法,并分别通过位移函数法和整体矩阵得到了弹性一般解和均布荷载下路面力学响应的计算方法。随后通过弹性-黏弹对应原理和Talbot逆变换方法确定了多层黏弹体系一般解和时域内力学响应的计算方法。其次,在本研究中使用Schapery准弹性方法,尝试优化沥青路面分析的计算效率。研究发现准弹性方法作为沥青路面黏弹性分析的一种近似方法,将层状黏弹性介质在任意时刻的单位响应可近似为用相应时刻的松弛模量作为弹性模量计算的弹性响应。由此,该方法通过近似原理避开了占用大量计算耗时的拉普拉斯数值逆变换,进而能够有效减少分析过程耗费的计算时间。最后,为了验证准弹性法分析沥青路面力学响应的精确性与计算效率,本文通过以线性黏弹性解作为评价指标验证对比准弹性近似解。首先为了保证比对结果的客观合理需要对研究中编制使用的计算程序进行验证,分别使用了BISAR和ABAQUS软件对准弹性法调用的弹性分析程序和线黏弹性方法调用的黏弹性分析程序进行了校核。在沥青层的黏弹性表征上使用了复数模量试验结果,得到MHN复数模型表征的沥青层黏弹参数复数模量与松弛模量,并将材料参数分别带入到线黏弹性方法和准弹性方法中分析典型路面关键位置响应。通过比较不同温度、不同荷载频率下、粒料基层与水泥稳定碎石基层沥青路面的各项力学响应,得到了以下结论:即准弹性方法能够有效提高沥青路面力学响应分析的计算效率,其耗时仅为线黏弹性方法的1/9,并且在中低温工况下能够取得较为准确的黏弹响应结果。


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