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大跨径钢桥面环氧沥青混凝土铺装裂缝行为研究

陈团结  
【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。


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