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应力吸收层用于混凝土桥面铺装结构力学行为的研究

作　者: 徐永丽
导　师: 程培峰
学　校: 东北林业大学
专　业: 林区交通工程
关键词: 复合梁界面约束温度收缩应力重复荷载剪切破坏
分类号: U443.33
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

论文以水泥混凝土桥面沥青铺装层的底部加铺高弹性沥青砂应力吸收层结构为研究对象,采用室内小型试验和ABAQUS数值模拟手段,对加铺应力吸收层前后的力学行为进行研究,重点关注沥青铺装层内部、应力吸收层内部和与桥面水泥混凝土粘结界面处。对于高弹性沥青砂应力吸收层材料进行了配合比设计和性能检验,采用马歇尔方法对三种级配进行配合比设计、劈裂强度试验、水稳定性试验、车辙试验、小梁弯曲试验和低温冻断试验等路用性能检验,确定最佳级配。并采用小梁弯曲试验和低温冻断试验评价,高弹性沥青砂应力吸收层材料具有良好的变形能力和低温延展性能。并根据材料最大公称粒径仅为4.75mm,依据体积指标对比试验结果,提出采用20mm高度,双面击实50次制作马歇尔试件方法,完全可以进行配合比设计。力学行为分为温度应力和荷载应力两部分。温度应力为采用应变片采集方式,对有无应力吸收层(HE-AC5)的复合梁结构,在温度降低条件下(-30℃～30℃)沥青铺装层和层间界面的力学行为进行研究,并通过ABAQUS数值模拟手段和弹性力学理论计算相互验证。得到HE-AC5、SBS-AC16和C50三种混合料的收缩系数,其中HE-AC5最为敏感,C50最为稳定,整体数值小；通过回归得到三种材料在-30℃-30℃区间内的温度与线膨胀系数的数学关系式。组合结构加入应力吸收层后,由于约束拉应力转移到应力吸收层结构层,沥青铺装层的温度拉应力水平下降了40%左右。对双层复合梁结构温度应力进行力学计算,由于高度与长度比很小,可以简化为弹性地基上梁的纯拉状态,结合实测数据,计算出双层结构的层间摩阻力系数Cx为1.1～1.7N/mm3,三层结构的Cx为1.9～2.8N/mm3。荷载应力分为静载和重复荷载作用两种方式进行,对双层普通粘结、双层环氧粘结和三层应力吸收层粘结三种复合小梁试件进行加载实验,在沥青铺装层中部以及各界面关键位置的外侧贴应变片,采用静态方式采集应变数据,分析不同粘结方式以及加铺应力吸收层与否的各位置力学行为,得到三种结构的各位置应变大小关系。应变绝对值方面,跨中明显大于L/4和支点处,L/4跨和支点处界面都呈现压缩状态,且压缩量由L/4向支点呈现递减趋势。重复荷载的大小规律与静载相似,并在全过程中,以第50个周期为界分为初期快速增长态和后期稳定态。重复荷载下方出现累积竖向变形和回弹变形,其中,竖向变形随着加载次数增加而增加,而回弹变形全过程较为稳定。沥青铺装层厚度和模量、应力吸收层厚度和模量等参数,对沥青铺装层内部和界面力学影响,采用数值模拟方法建立简支T型梁全桥模型分析。根据应力吸收层材料自身受力状态,结合材料特点,提出建议厚度范围；针对大纵坡特殊受力条件,分析了加铺应力吸收层前后的力学变化,并计算了车辙深度；并对冲击荷载作用下加铺应力吸收层结构的振动能量衰减能力水平进行了分析。通过论文的研究,得到水泥混凝土沥青桥面铺装加铺应力吸收层后的温度应力行为和荷载应力行为,得出加铺应力吸收层的力学行为特点,为其正确使用提供理论支撑。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-13
1 绪论  13-24
  1.1 研究目的和意义  13-15
  1.2 桥面铺装技术研究现状  15-21
    1.2.1 桥面铺装结构及力学特性研究进展  15-18
    1.2.2 桥面铺装材料研究进展  18-19
    1.2.3 防水及粘结层研究进展  19-21
  1.3 应力吸收层材料研究现状  21-22
  1.4 主要研究内容  22-24
2 应力吸收层混合料设计及性能试验  24-33
  2.1 应力吸收层混合料级配确定及常规路用性能  24-29
    2.1.1 试验材料和级配  24-25
    2.1.2 体积指标及常规性能指标  25-29
  2.2 应力吸收层混合料小梁弯曲试验  29-30
  2.3 应力吸收层混合料低温冻断试验(TSRST)  30-32
  2.4 本章小结  32-33
3 温度应力作用下沥青铺装层及界面的力学行为  33-59
  3.1 试验材料和试验方案  34-37
    3.1.1 试验材料  34-35
    3.1.2 试验方案  35-37
  3.2 试验结果分析  37-46
    3.2.1 单体沥青混合料低温收缩性能  37-40
    3.2.2 双层组合结构低温收缩性能  40-41
    3.2.3 三层组合结构低温收缩性能  41-45
    3.2.4 双层结构和三层结构的对比分析  45-46
  3.3 复合梁结构温度应力分析及层间摩阻力系数计算  46-57
    3.3.1 复合梁结构温度应力计算  46-55
    3.3.2 层间摩阻力系数C_x的计算  55-57
  3.4 本章小结  57-59
4 荷载作用下沥青铺装层及界面的力学行为  59-83
  4.1 复合梁力学理论分析  60-63
  4.2 力学试验方案与参数  63-65
  4.3 静载作用下沥青铺装层及界面力学分析  65-73
    4.3.1 试验数据处理  65-67
    4.3.2 两种粘结形式的双层结构  67-69
    4.3.3 含应力吸收层的三层结构  69-71
    4.3.4 三种结构的比较分析  71-73
  4.4 重复荷载作用下沥青铺装层及界面力学分析  73-81
    4.4.1 两种粘结的双层结构  74-77
    4.4.2 含应力吸收层的三层结构  77-79
    4.4.3 双层结构和三层结构的比较分析  79-81
  4.5 本章小结  81-83
5 铺装层各参数及特殊条件对桥面铺装结构力学行为影响  83-111
  5.1 全桥有限元模型的建立  83-85
  5.2 最不利荷载位置确定  85-89
    5.2.1 横向最不利荷载位置  85-88
    5.2.2 纵向最不利荷载位置  88-89
  5.3 沥青铺装层各参数对铺装层内及界面的力学影响  89-93
    5.3.1 沥青铺装层厚度的影响  89-92
    5.3.2 沥青铺装层弹性模量的影响  92-93
  5.4 应力吸收层参数对铺装层内及界面的力学影响  93-99
    5.4.1 应力吸收层厚度对铺装层的力学影响  93-96
    5.4.2 应力吸收层厚度对应力吸收层自身受力的影响  96-97
    5.4.3 应力吸收层厚度对铺装层竖向变形的影响  97-98
    5.4.4 应力吸收层与水泥混凝土板界面受力分析  98-99
  5.5 大纵坡条件下力学行为分析  99-104
    5.5.1 车桥面相互作用静力学分析  99-100
    5.5.2 计算参数的确定  100-101
    5.5.3 不同行驶状态剪应力分析  101-103
    5.5.4 大纵坡上坡处车辙变形分析  103-104
  5.6 冲击荷载引起振动条件下受力分析  104-108
    5.6.1 振动频率的提取  105-106
    5.6.2 瞬时模态动态响应分析  106-108
  5.7 本章小结  108-111
结论  111-113
主要参考文献  113-127
攻读学位期间发表的学术论文  127-128
致谢  128-129

应力吸收层用于混凝土桥面铺装结构力学行为的研究

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