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基于移动荷载和连续变温条件下沥青路面结构力学响应研究

张兰峰  
【摘要】:沥青路面高温车辙、低温开裂、疲劳裂缝等病害与温度、荷载的作用密切相关。深入分析沥青路面在温度场变化及动态荷载作用下的受力变形特征对揭示病害形成机理有意义重大。采用ABAQUS有限元软件建立三维半刚性基层沥青路面模型,从连续变温、移动荷载角度,计算沥青路面连续变化的温度场、温度应力及动态荷载作用下的路面结构层的应力和变形,进而揭示车辙、裂缝扩展的规律与机理,主要内容总结如下:(1)为了研究沥青路面温度场随环境温度变化规律,选择常规夏季高温一天24h温度和三种冬季低温1天24h温度,计算路面结构层连续变化的温度场及温度应力。通过变化面层沥青混合料的热物理参数(太阳辐射吸收率、热传导系数、热容量、发射率),分析了各热物理参数变化对高温温度场的变化规律以及弹性模量、收缩系数与低温温度应力的关系。研究表明减小路面热传导率、增加热容量、降低路面材料吸收率、增加路面发射率均可减小白天高温时段沥青路面结构的温度。(2)在半刚性基层沥青路面模型荷载带上施加移动荷载,重点分析了制动力系数、温度场、车速、接地应力等因素对变形、应力的影响规律。研究表明:制动力的施加明显改变了沥青路面结构内部纵向应力S13、S23、S33,纵向变形U3的时程变化,且随着制动力的增加而增大。在移动荷载作用下,路面结构内各应力均随车速增加而线性减小、随接地压力的增大而线性增大。(3)通过“以静待动”的加载方式,将1天24小时连续变化的高温温度场计算结果导入到半刚性基层沥青路面三维模型中,选取沥青面层各层位的竖向变形、剪切蠕变、压蠕变作为车辙评价指标。分析了行车速度、环境温度、接地应力等因素对车辙指标影响规律,研究表明:在沥青面层4-10cm范围内(中面层)压缩蠕变、剪切蠕变值最大。正交分析表明温度是影响沥青路面车辙最显著因素,其次为接地应力、速度。从沥青面层材料热物理参数角度,分析其对车辙评价指标的影响,研究表明减小路面热传导率、增加热容量、降低路面材料吸收率、增加路面发射率均可减小沥青路面结构车辙。太阳辐射吸收率、热传导系数、热容量对车辙指标影响显著。在沥青混合料设计时应重视选择太阳辐射吸收率与热传导率小的材料。提出了若沥青路面材料热传导系数在5000 J/m?h?℃以内减小,或者热容量在500 J/kg·℃到1500 J/kg·℃之间增加,或者太阳辐射吸收率在0.9到0.5之间减小都有助于减小沥青面层车辙的结论,可在沥青路面设计时,指导沥青路面材料的热物理参数选取。(4)开裂后的沥青路面在温度-荷载的共同作用下裂缝加深扩展,从而削弱路面的使用寿命。分别在轮载的内侧边缘设置纵向表面裂缝,在模型中截面设置横向表面裂缝,采用应力外推法计算了动态荷载作用下的裂尖应力强度因子,进而计算了裂尖的等效应力强度因子。分析了纵向、横向表面裂缝的应力强度因子和等效应力强度因子与制动力、温度场、接地应力的关系。采用Paris公式预测已开裂路面的疲劳寿命,比较了不同因素对已开裂路面疲劳寿命的影响。结果表明:制动力不同对轮迹内侧边缘纵向top-down裂缝的K_I、K_(II)影响较小,但K_(III)随着制动力系数增加而显著增加。轮迹内侧边缘纵向top-down裂纹的K_I、K_(II)、K_(II) _I、K_(eff-max),横向top-down裂纹的K_I、K_(II)、K_(eff-max)都随着温度降低而增大,随着接地应力增加而增加。温度对裂尖应力强度因子有更显著影响。无论是纵向还是横向top-down裂缝的疲劳寿命都随着制动力增加、接地应力增加、温度场温度降低而减小。冬季低温对裂缝疲劳寿命损伤最大,其次为接地应力,制动力。沥青路面厚度小于15cm时,可导致沥青路面疲劳寿命显著减小,增加沥青路面厚度有助于提高路面的疲劳寿命。


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