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考虑温度变化时沥青路面结构的疲劳寿命研究

作　者: 陈诚诚
导　师: 刘俊卿
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 工程力学
关键词: 沥青路面温度场耦合分析断裂分析疲劳寿命
分类号: U416.217
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

沥青路面的低温开裂始终是道路结构破坏的主要形式，即使在气候温和的地区，通常也在降温速率过快时导致面层产生温度应力而导致开裂。目前我国公路沥青路面现行设计规范缺少相应指标和参数予以控制。因此开展变温时沥青路面结构疲劳开裂研究，具有一定的工程实际意义。本文在断裂力学理论的基础上，采用耦合热应力分析的方法借助三维有限元模型，研究分析了大温差作用下基层带裂缝半刚性基层沥青路面结构与面层带裂缝的柔性基层沥青路面结构的应力强度因子，以及分析行车荷载作用下，温度荷载作用下半刚性基层与柔性基层沥青路面面层裂缝尖端应力强度因子。研究沥青路面结构的开裂机理并运用Pairs公式对路面结构疲劳寿命进行预估。本文对以下主要内容展开研究：(1)建立路面结构体系三维有限元计算模型，并在加载时考虑垂直荷载作用，分析了带裂缝不同沥青路面结构裂缝尖端应力强度因子的影响，分别计算考虑正荷载作用与偏荷载作用下不同沥青路面结构裂缝尖端的应力强度因子，及不同裂缝深度下考虑正荷载与垂直偏荷载作用时的应力强度因子变化规律，分析各因素对于裂缝尖端应力强度因子的影响。(2)考虑不同温度荷载作用下不同沥青路面结构裂缝扩展深度与应力强度因子的关系；同时考虑温度荷载与行车荷载共同作用下不同沥青路面结构裂缝扩展深度与应力强度因子的关系。(3)根据计算得到的应力强度因子，并运用Paris公式对路面裂缝的疲劳扩展寿命进行预估，分析出温度荷载与行车荷载耦合作用下沥青路面结构的疲劳扩展寿命。(4)根据分析结果得出结论，以相关分析研究进行比较。然后结合本文的研究情况，有针对性地提出合理的建议，并指出进一步完善本课题需要继续进行的研究工作。主要研究成果如下：两种沥青路面结构初始裂缝深度越长，降温过程中应力强度因子K越大，也就越容易开裂。随着降温幅度的增加，应力强度因子K均迅速增加，两种形式裂缝的发展速度也就越快。柔性基层沥青路面结构、半刚性基层沥青路面结构在相同荷载作用下的沥青响应明显不同，柔性基层沥青路面张开型应力强度因子较高，半刚性基层沥青路面剪切型应力强度因子远大于前者，故两种结构的破坏模式存在较大差异，加之半刚性材料特有的干缩和温缩现象，柔性基层沥青路面以自上而下开裂为主，而后者多为反射裂缝。对考虑温度作用下沥青路面的疲劳寿命进行预测的方法更接近实际，符合现行规范，具有一定的实际意义。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
1. 绪论  10-18
  1.1 课题的提出与研究意义  10-13
  1.2 国内外研究现状  13-16
    1.2.1 国外研究现状  13-15
    1.2.2 国内研究现状  15-16
  1.3 本文研究内容  16-18
2. 沥青路面数值计算基本理论  18-32
  2.1 路面结构断裂力学的基本理论  18-28
    2.1.1 裂缝尖端区域变形特征  18-19
    2.1.2 裂缝尖端的应力场  19-22
    2.1.3 应力奇异性和应力强度因子  22-25
    2.1.4 断裂准则  25-26
    2.1.5 J积分  26-27
    2.1.6 复合型裂纹的线弹性断裂  27-28
  2.2 裂缝的疲劳扩展理论  28-30
    2.2.1 裂缝的疲劳扩展速率  28-29
    2.2.2 疲劳扩展寿命  29-30
  2.3 热力学基本理论  30-32
    2.3.1 热传导理论基础  30-31
    2.3.2 热/力耦合基本原理  31-32
3.沥青路面考虑温度变化作用时有限元模型  32-40
  3.1 沥青路面结构模型  32-34
    3.1.1 基本假定  32
    3.1.2 沥青路面结构类型  32-33
    3.1.3 模型几何尺寸  33
    3.1.4 单元选取及裂缝尖端的模拟  33-34
  3.2 基于节点位移外推法的计算精度验证  34-35
  3.3 沥青路面结构类型与荷载形式  35-36
    3.3.1 交通荷载的接地模式  35
    3.3.2 交通荷载的作用形式及模型参数  35-36
  3.4 沥青路面结构温度场有限元分析  36-38
    3.4.1 温度应力分析方法  36-38
    3.4.2 温度场分析模型参数  38
  3.5 沥青路面结构模型的合理性验证  38-40
4.半刚性基层沥青路面结构疲劳寿命分析  40-50
  4.1 数值分析模型和基本参数  40-41
    4.1.1 数值分析模型基本假定  40
    4.1.2 数值分析模型材料参数  40-41
  4.2 荷载作用下半刚性基层沥青路面断裂应力、应变的分析  41-44
    4.2.1 交通荷载作用下面层裂缝尖端应力、应变与裂缝深度的关系  41-42
    4.2.2 温度荷载作用下面层裂缝应力、应变与裂缝深度的关系  42-43
    4.2.3 考虑温度荷载作用下面层裂缝应力、应变与裂缝深度的关系  43-44
  4.3 荷载对沥青路面结构裂缝尖端处应力强度因子的影响  44-46
    4.3.1 交通荷载作用下面层裂缝开裂深度对应力强度因子的影响  44-45
    4.3.2 温度荷载作用下面层裂缝开裂深度对应力强度因子的影响  45-46
    4.3.3 考虑温度荷载作用下面层裂缝开裂深度对应力强度因子的影响  46
  4.4 沥青路面结构的疲劳寿命分析  46-50
5.柔性基层沥青路面结构疲劳寿命分析  50-60
  5.1 数值分析模型和基本参数  50-51
    5.1.1 数值分析模型基本假定  50
    5.1.2 数值分析模型材料参数  50-51
  5.2 荷载作用下柔性基层沥青路面断裂应力、应变的分析  51-53
    5.2.1 交通荷载作用下面层裂缝尖端应力、应变与裂缝深度的关系  51-52
    5.2.2 温度荷载作用下面层裂缝应力、应变与裂缝深度的关系  52
    5.2.3 考虑温度荷载作用下面层裂缝应力、应变与裂缝深度的关系  52-53
  5.3 荷载对沥青路面结构裂缝尖端处应力强度因子的影响  53-56
    5.3.1 交通荷载作用下面层裂缝开裂深度与应力强度因子的关系  54-55
    5.3.2 温度荷载作用下面层裂缝开裂深度与应力强度因子的关系  55
    5.3.3 考虑温度荷载作用下路面裂缝扩展深度与应力强度因子的关系  55-56
  5.4 沥青路面结构的疲劳寿命分析  56-60
6. 结论与展望  60-62
  6.1 结论  60-61
  6.2 展望  61-62
致谢  62-63
参考文献  63-66
发表论文与科研情况  66

考虑温度变化时沥青路面结构的疲劳寿命研究

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