（交通运输工程专业论文）基于损伤断裂分析的钢桥面铺装层疲劳行为与寿命预估研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 留嘉 研究生签名：兰丕 日期： 为 o 一弓i 寸 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文 的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：、= & 导师签名名泌期： 纠。弘，夕 基于损伤断裂分析的钢桥面铺装层 疲劳行为与寿命预估研究 博士研究生姓名：罗桑导师姓名：钱振东东南大学 摘要 目前，我国处于公路大跨度钢桥建设飞速发展的时期，作为功能层的钢桥沥青铺装 层在使用中均存在不同程度的疲劳裂缝问题。钢桥铺装层一旦出现疲劳开裂，裂缝在车 辆重复荷载、温度循环变化、雨水不断侵蚀等多重因素的作用下，容易演化为坑槽、脱 层、推移等铺装层结构性破坏，致使铺装层使用寿命大大缩减，路用性能迅速衰减，从 而造成巨大的经济损失与不利的社会影响。因此，深入研究铺装材料的疲劳性能和铺装 层在钢桥面复合结构体系中的疲劳变化规律，揭示钢桥面铺装层疲劳裂缝形成的内在机 理及其影响因素，并建立钢桥面铺装疲劳仿真预估模型，是降低钢桥铺装层疲劳裂缝出 现概率、延长钢桥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”的一部分，主要对环氧沥青混凝土材料的疲劳性能以及铺装层复合结构的疲劳特 性进行研究。 论文首先对环氧沥青混凝土的动态模量进行了试验研究，得到了不同温度、荷载频 率下环氧沥青混凝土的动态模量参数，而后采用时温等效原理和基因遗传算法，建立了 环氧沥青混凝土动态模量的主曲线方程和移位因子表达式。基于动态模量参数，构建了 钢桥面铺装局部梁段有限元模型，计算出不同温度和轮胎胎压下的铺装层最不利位置的 应变，为环氧沥青混凝土小梁疲劳试验设计中的应变水平选择提供了依据。 为获得环氧沥青混凝土材料的疲劳性能，本研究利用3 台疲劳试验机历时3 2 天对3 个温度、3 个应变、9 种不同组合试验条件下的浸水和未浸水状态下的环氧沥青混凝土 进行了小梁疲劳试验，采用w e i b l l l l 分析方法对疲劳试验结果进行分析，得出环氧沥青 混凝土疲劳损伤过程分为疲劳裂缝启裂和疲劳裂缝扩展两个阶段，并预估出不同条件下 的环氧沥青混凝土疲劳寿命。根据环氧沥青混凝土小梁疲劳试验结果，本文利用梯度增 加的非局部损伤模型和改进的疲劳损伤定律，描述了环氧沥青混凝土的疲劳损伤过程， 并采用f e a p 有限元软件建立了环氧沥青混凝土小梁疲劳仿真模型，得出环氧沥青混凝 土材料的疲劳损伤参数。 论文根据环氧沥青混凝土疲劳损伤参数，基于复合梁结构模型，利用f e a p 软件建 立了钢桥面环氧沥青混凝土铺装层疲劳仿真模型，模拟出铺装层在不同温度和荷载作用 下的疲劳裂缝扩展过程，并建议将铺装层动挠度突变增加时作为钢桥面环氧沥青混凝土 铺装层的疲劳失效判据，同时还预估出不同条件下钢桥面环氧沥青混凝土的疲劳寿命。 最后，利用b o t d a 分布式光纤无损检测方式，得出室内复合梁疲劳试验中铺装层应变 随疲劳作用次数的变化曲线，试验结果很好地验证了上述疲劳仿真模型的有效性。 面铺装层剩 力学，裂缝 r ese a r c ho nr 奸i g u ebe h a v i o ra n d l i f ee st i m a t i o no fp a v e m e n to nst e e l d e c kb r i d g e sb a s e do nd a m a g ea n d f r a c t u r ea n a l y s is g r a d u a t e ：l u os a n g s u p e r v i s o r ：q l nz h e n d o n gs o u t h e a s tu n i v e r s i 够 a bs t r a c t a tp r e s e n t ，t h ec o n s 仃i l c t i o no fl o n g - s p a ns t e e ld e c kb r i d g e sa r ed e v e l o p i n gv e d ，f a s ti nc h i i l a ， b u tf a t i g u ec r a c k sa l w a y so c c u ra t 也ea s p h a l ts u i 仇i n go nt h o s es t e e lb r i d g e s o n c et h e f a t i g u ec r a c k so c c u ra ts t e e ld e c kp a v e m e n t ，t h o s ec r a c k s 淅l le v o l v ei n t op 吨d e l 砌n a t i n g ， a c t i o na i l do l e rd i s t r e s sw i t l lr e p e a tt r u c kl o a d i n g ，t e m p e r a t u 】r el o a d i n ga n dm o i s t u 】旧t h e b a dp a v e m e mp e r f l o 珊a i l c ea 1 1 ds h o np a v 锄e n tl i f ew i ur e s u l t si nh u g em o n e yl o s sa i l d i n v e r s es o c i a li 1 u e n c e t h e r e f o r e ，i ti sv e 巧i m p o n a n tt o 咖d y i l l gf a t i g u ep e r f o m a n c eo f p a v e m e n tm a t e r i a la 1 1 d s t e e ld e c kp a v e m e n ts t l l 粥t u r ef o rr e d u c i n g f a t i g u e c r a c k sa 1 1 d p r o l o n g i i 增t h ef a t i g u el i f eo fs t e e ld e c kp a v e m e n t s t h ed i s s e 似i o ni sap a no fn a t i o n a ln a m r a ls c i e n c ef o u i l d a t i o np r o j e c t “r e s e a r c h0 nt h e f a t i g u ed a m a g ea 1 1 dl i f ep r e d i c t i o no f 印。巧a s p h a l tp a v e m e n to ns t e e ld e c k ”，a n d 缸mt od o 也er e s e a r c ho nf a t i g u eb e h a v i o ro f 印o x ya s p h a l tc o n c r e t ea n dc o 如【p o s i t ep a v e m e n ts t r i l c t u r e 、崩t bs t e e ld e c k f i r s t l y ，t h ed y n 锄i cm o d u l u so f 印o x ya s p h a l tc o n c r e t ea td i f j f e r e n tt e m p e m t u l ea n dl o a d i n g f k q u e n c yw a so b t a j n e df r o mt h et e s t s ，a n dt h e nm em a s t e rc u r v ea n ds 1 1 i rf a c t o rf o r 删l l a w e f eg o t t e nw i mt i m e t e m p e r a t u r ee q u i v a l e n c ep r i n c i p l ea i l dg e n e t i ca l g o r i t l l i ：吣b a s eo nt h e d y n 剃cm o d u l u so fe p o x ya s p h a l tc o n c r e t e ，t h e1 a 唱e s t 蛐r a i l lo fp a v e m e mu n d e rd i 丘e r e n t t e r n p e r a t u r e 锄dt i r ep r e s s u r ew a sc a l c u l a t e dw i t hf i l l i t ee l e m e n tm o d e lf o rl o c a ls t e e lb r i d g e b e 锄t h es 廿a i nl e v e l si i lt h ef o l l o w i n gf a t 适u et e s t sf o r9 p o x ya 5 i p h a l tc o n c r e t ew e r e d e t e n n i n e di nt e m so f t h o s ec a l c u l a t e ds 仃a j n f o rs t u d yt l l ef a t i g u ep e r f o r m a n c eo fe p o x ya s p h a l tc o n c r e t e ，m ef - a t i g u eb e a mt e s t sf o re p o 巧 a s p h a l tc o n c r e t es p e mm i r 够一t 、) ，od a y sw i t ht h r e ef a t i g u em a c h i n e s t h et e s tc o n d i t i o i l sf o r t h e f i a t i g u e t e s t sa r et h r e ed i f f i e r e n tt e m p e r a t u r ea i l dm r e ed i 日e r e n ts t r a i nl e v e l sa te a c h m t e m p e r a l = u r e 诵t 1 1d d ，b e a m sa n dt 1 1 r e ed i 行e r e l l tt e l n p e r a n 聆a i l d 觚od i 虢r e n ts 仃a i nl e v e l sa t e a c ht e m p e r a n 鹏、析t hm o i 咖r eb e a n l s t 1 1 ef a t 适u et e s tr e s u l t sw e r ea i l a l y z e d 谢t 1 1w e i b u n m e t l l o d t h ef i n d i n g ss h o wt i l a tt l l ef a t i g u ed a m a g ep r o c e s sf o re p o x ya s p h a l tc o n c r e t ei s d i v i d e di i l t oc r a c ki n i t i a t i o n 锄dc r a c kp r o p a g a t i n gs t a g e s ，a i l df a t i g u el i f ef o r 印o x ya s p h a h c o n c r e t e 谢md i f f e r e n tc o n d i t i o n sa r eo b t a i n e d a tt l l eb a s eo ff 狐g u et e s t sd a t 钆m ef a t i g u e d a m a g ea c c u i 】眦l a t i o nm o d e lf o r 印。碍a s p h a l tc o n c r e t ew a se s 讪l i s h e dw i t hn o n - l o c a j g r a d i e n te i l l l a n c e dc o n t i n u u md a m a g em e c h a i l i c sa n dm o d i f i e df a t i g u ed a i l l a g ee v o l u t i o nl a w ， a l l d 恤f a t i g u ed 锄a g ep r o c e s s 、v a ss i i i l u l a t i n g 谢t hf e a ps o 胁a r e t 1 1 ef a t i g u e 妇n a g e p a r 锄e t e r sf o re p o x ya u s p h a l tc o n c r e t em a t e r i a lw e r eo b t a i n e db ym es i m u l a t i o n t h ef 缸i 丹l es i n m l a t i o nm o d e lf o rc o m p o s i t eb e 锄s 饥c t u r ew i me p o x ya s p h a hc o n c r e t e p a v e m e ma 1 1 ds t e e ld e c kw a se s t a b l i s h e du s i n gf e a ps o m 唧e t h ef a l i g u ec r a c k si i l i t i “o n d e v e l o p i n ga i l dp r o p a g a t i n gp r o c e s sa td i 位r e n tt e m p e r a _ t u r ea i l dl o a d i l l gw e r es i m u l a t e d 、i t h t l l es i i i l u l a t i n gm o d e lu s i l l gm ef i a t i g u ed 锄a g ep a r 锄e t e r so f 印o x ya s p h a l tc o n c r e t em a t e r i a l t h ef i n d i n g si n d i c a t e 吐1 a t 恤t i r i l ew m c h 廿l ed y n 锄i cd e f o m a t i o no fs t e e ld e c kp a v e m e mh a s aa b r u p tg r o w mi ss e l e c t e da st h ef a t i g u ed 锄a g ec i t a t i o nf o re p o x y 嬲p h a l tp a v e m e n to ns t e e l d e c kb r i d g e s a n dt h ef a t i g u el i f eo f 印o x ya s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n to ns t e e ld e c kb r i d g e s u n d e rd i 位r e n tl o a d i i l g 锄dt e m p e r a t u r ec o n d i t i o l l sw e r ee s t i i i l a t e d f i n a l l y ，t l l er e l a t i o n s l l i p b e t v 旧e ns 仃a j i li i lp a v e m e m 锄dl o a d i n gr e p e t i t i o n s 、v e r eo b t a i n e dw i mc o r n p o s i t es 仃u c t u r e f a _ t i g u et e s t s ，i i lw m c ht h es t r a i ni np a v e m e mi sm o l l i t o r e db yb o t d af i b e rs e n s o r t h e f a t i g u es i m u l a t i o nm o d e lf o re p o 珂a s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n t0 ns t e e ld e c kb r i d g e si s 目录 摘要i a b s t r a c t 目录v 第一章绪论 1 1 正交异性钢桥面铺装 1 2 国内外研究现状 1 2 1 沥青混合料动态模量及其主曲线研究 1 2 2 沥青混合料疲劳性能研究 1 2 3 钢桥面铺装层疲劳特性研究 1 2 4 分布式光纤技术监测构件裂缝的研究 1 3 研究内容 1 4 研究技术路线 第二章基于基因遗传算法环氧沥青混合料动态模量主曲线研究 2 1 概述 2 2 环氧沥青及混合料材料性能 2 2 1 环氧沥青结合料 2 2 2 集料与级配 2 2 3 最佳油石比 2 3 动态频率扫描试验 2 3 1 小梁试件成型及选取 2 3 2 环氧沥青混凝土动态频率扫描试验原理及参数 2 4 试验结果分析 2 4 1 动态模量 2 4 2 相位角 2 5 环氧沥青混合料动态模量主曲线 2 5 1 基本原理与方法 2 5 2 环氧沥青混合料动态模量曲线的建立 2 6 本章小结 第三章环氧沥青混凝土材料疲劳损伤特性试验研究 3 1 环氧沥青混凝土疲劳试验方案 3 1 1 试验设备3 2 v j j 加 n b ：2 ” 拍 k 坞 殂 n 丝 “ 筋 舶 勰 n 配 弛 3 1 2 加载频率及波形 3 1 3 试验温度 3 1 4 应变水平 3 1 5 浸水疲劳试验 3 1 6 环氧沥青混凝土疲劳试验方案确定 3 2 试验结果及分析 3 2 1 环氧沥青混凝土模量与疲劳次数关系 3 2 2 环氧沥青混凝土模量比与疲劳次数关系 3 2 3 不同温度对环氧沥青混凝土疲劳曲线的影响 3 2 4 浸水疲劳试验结果 3 3 基于、e i b u 上公式的环氧沥青混凝土材料疲劳寿命预测 3 4 本章小结 第四章环氧沥青混凝土小梁疲劳试验仿真研究 4 1 概述 4 2 基本原理与模型 4 2 1 连续介质损伤力学模型 4 2 2 梯度增加的非局部损伤本构模型 4 2 3 有限元原理及实现 m 泓 舶 研 研 研 m m 舶 m 鼬 伽 郇 佛 砷 n 以 d “ “ “ 稻 卵 加 加 n n n n 弭 伪 5 3 环氧沥青混凝土铺装层疲劳仿真及寿命预估 5 4 疲劳试验验证 5 4 1 基于b 刚l l o u i n ( 布里渊) 散射的b o t d a 光纤传感技术 5 4 2 基于b o t d a 光纤监测的复合梁疲劳试验 5 4 3 疲劳试验结果及对比分析 7 5 8 l 8 l 8 2 8 2 5 5 本章小结“8 3 第六章结论与展望 6 1 主要研究结论 6 2 本文创新点 6 3 进一步研究的设想 致谢 8 4 8 4 8 5 8 6 8 7 参考文献8 8 附录 作者攻读博士学位期间发表的论文 v i i 9 4 1 0 2 第一章绪论 第一章绪论 近二十年来，公路大跨度钢桥建设得到了飞速发展，作为功能层，钢桥沥青铺装层 的修筑技术也取得长足进步。然而，我国钢桥沥青铺装层的使用状况不容乐观，东南大 学在对国内外多座大跨度钢桥沥青铺装层使用期限内的病害进行调查统计过程中，发现 几乎每座钢桥沥青铺装层均存在不同程度的疲劳裂缝问题i l 3 】。铺装层的疲劳开裂是铺 装层使用过程中所必然面临的结构问题，它不仅取决于沥青混合料的疲劳性能，而且还 同正交异性钢桥面板的结构特性密切相关。在车轮荷载作用下，正交异性钢桥面板局部 刚度变异部位如纵向、横向加劲肋或纵向大梁与桥面板的连接处将产生应力或弯矩奇 变，并导致其上方的铺装层表面将出现较大的负弯矩与应力集中现象卜引，在车辆反复 作用下，应力集中部位将形成疲劳裂缝。铺装层一旦出现疲劳开裂，这些裂缝在反复车 辆荷载、温度循环变化和雨水的不断侵蚀等多重影响因素的作用下，容易演化为坑槽、 脱层、推移等铺装层结构性破坏，致使铺装层使用寿命大大缩减，路用性能迅速衰减， 造成巨大的经济损失与不利的社会影响。因此，深入研究铺装材料的疲劳性能和铺装层 在钢桥面复合结构体系中的疲劳变化规律，揭示钢桥面铺装层疲劳裂缝形成的内在机理 及其影响因素，建立钢桥面铺装疲劳仿真预估模型，使铺装层使用寿命更加长久就显得 十分重要。研究成果的形成，对于建立钢桥面铺装设计理论以及对现有钢桥面铺装的使 用寿命进行有效预估以制定预防性养护措施等都具有较强的理论意义与应用价值。 1 1 正交异性钢桥面铺装 国内外的经验表明，加劲的钢箱梁桥是大跨径公路桥梁最有效的结构形式之一，以 其强度和重量而言，是一种非常有效的结构体系。由于正交异性钢桥面结构具有高强、 自重轻、耐震、便于工业化制造和标准化施工以及在结构上具有超乎寻常的优点，目前 我国己建的虎门大桥、江阴大桥、南京二桥、润扬大桥、武汉阳逻大桥、上海长江大桥、 闵浦大桥等都采用了钢箱梁正交异性面板型式。 钢箱梁主要由项板、底板、腹板和加劲构件等构成，其项板兼作桥面用。在外荷载 作用下，闭口薄壁箱梁主要产生纵向弯曲、扭转、横向挠曲及畸变四种基本变形，相应 地在横截面上引起纵向正应力与剪应力，在纵截面上引起横向弯曲正应力。为提高桥面 系的抗弯刚度，防止钢箱梁在横向扭转过程中出现较严重的畸变，钢箱梁顶板内侧通常 焊接纵向加劲肋、横肋( 或横隔板) 、纵隔板等，从而构成“构造性正交异性板”1 9 j ，它 与其上的沥青混凝土铺装层组成了完整的桥面系。横隔板的基本功能是防止钢箱梁截面 因横向扭转产生严重的畸变，同时为纵向加劲肋提供弹性支撑，将荷载传向纵向大梁或 主横隔板。纵向加劲肋的功能为提供抵抗车辆荷载作用所引起的弯矩。桥面钢板兼作箱 梁的上翼缘，在其面内承受轴向力。值得注意的是，纵向加劲肋包括开口肋与闭口肋两 种。开口肋截面形式有工字钢、槽钢、圆头钢等，闭口肋截面形式有梯形、u 形和v 形 1 东南大学博士学位论文 等。由于梯形闭口肋具有较大的抗扭刚度和抗弯刚度，能显着改善桥面板的受力状态， 减小钢板的应力，因此成为现代正交异性钢桥面板首选的加劲肋截面形式。我国自9 0 年 代以来兴建的大跨径钢箱梁桥，其纵向加劲肋的截面形式均为闭口梯形肋【10 1 。图1 1 为 正交异性钢桥面板的构造图。 桥面板 图l - l 正交异性钢桥面板的构造 桥面铺装是桥梁行车系的重要组成部分，它的质量好坏和使用性能直接影响到行车 的安全性、舒适性、桥梁的耐久性。大跨径桥梁往往因为交通量大，其桥面铺装一旦破 坏，由于没有代替的交通道路而维护较为困难，并导致交通拥堵，所造成的社会效益和 经济效益的损失将是不可估量的。在实际桥梁的设计中，铺装层只作为恒载用于桥梁结 构的验算，设计者对其本身的受力特性并不做太多的考虑，这就从设计的角度上为大跨 径钢桥桥面铺装可能出现的病害埋下了隐患。因此，桥面铺装成为制约大跨径桥梁建设 和发展的一项关键技术。 钢箱梁桥面铺装是保护钢板并提供安全行车所必须的基本功能的沥青铺面形式，铺 装层使用条件与技术要求较普通沥青路面更为严酷，受力状况较普通沥青路面更为复 杂，并且在使用过程中所表现出的损坏也与普通沥青路面存在较大的差异。从受力角度 考虑，这些差异主要表现在以下几个方面： 1 、钢桥面沥青混合料铺装不像公路沥青混凝土路面那样具有路基与基层结构，而 是直接铺筑在正交异性钢桥面板上。桥面板本身的变形、位移、振动等都直接影响铺装 层的工作状态； 2 、钢桥面沥青混合料铺装在全年极端高温与低温环境下较一般沥青混凝土路面更 易受大气温度的影响。极端高温和低温要比一般沥青混凝土路面大很多； 3 、正交异性钢桥面铺装层的受力模式与一般沥青混凝土路面的受力模式不同。由 于加劲肋的加劲支撑作用，在车辆荷载作用下，加劲肋、横肋、横纵隔板顶部的铺装层 表面出现负弯矩。对于钢桥面沥青混合料铺装，疲劳裂缝从铺装层表面向底面扩展，而 对于一般的沥青混凝土路面，沥青混凝土面层的最大拉应力和应变均出现在面层底面， 则疲劳裂缝是从面层的底面向顶面扩展。 2 墨二里丝堡 钢桥面铺装技术发展过程中，逐渐形成了以s m a 、浇注式沥青混合料、环氧沥青 混合料等铺装材料。其中在我国已建成的大跨径钢箱梁桥铺装层中，环氧沥青混凝土铺 装材料以优异的使用性能被应用于国内多座钢桥( 如表1 1 ) 、且使用状况较好，但存在 一定数量的不规则短裂纹：而采用s m a 和浇注式沥青混凝土铺装的大桥，其桥面铺装 均存在诸如高温车辙、疲劳开裂、脱层、推移拥包等病害，使用寿命远低于设计水平， 在经历大修后同种类型的病害仍然存在。无论哪种铺装层材料在使用过程中都不可避免 的出现疲劳开裂，而相比之下环氧沥青铺装材料出现其他病害的几率远远小于其他的铺 装材料，且在国内大跨径钢箱梁铺装中被广泛使用，因此选用环氧沥青混凝土材料铺装 层作为研究对象一方面使得本研究更具有针对性，另外一方面为环氧沥青混凝土铺装材 料的更好地应用铺平道路，同时也为其他类型铺装材料疲劳破损问题的有效解决提供依 据。 表l 。l 国内采用环氧沥青混凝土铺装体系的钢箱梁桥一览表 1 2 国内外研究现状 1 2 1 沥青混合料动态模量及其主曲线研究 要了解铺装材料在桥梁结构中的疲劳特性，首先要对铺装材料的基本性能进行研 究。在众多材料参数中，混合料的动态模量是关键指标之一，如a a s h t o2 0 0 2 设计指 南将动态模量作为沥青混合料层的输入材料参数来进行路面结构设计和路面性能评估 【l l 】 o 东南人学博士学位论文 国外对沥青混合料动态模量的研究，最早始于美国n c h r p9 1 9 研究计划，在项目 研究过程中，进行了大量的试验对比研究，对现存的试验方法和试验指标进行了评价， 并利用m i 瓜o a d 、w r e s t i a c k 和a l f 试验路的实测损坏数据，确定了与永久变形、疲劳及 低温开裂相关性较高的三个候选试验与试验指标组合：动态模量试验、静态蠕变试验和 重复荷载试验，开发了沥青混合料简单性能试验( s p t ) 【1 2 - 1 4 】。s p t 测定的试验参数与 混合料基本性能具有很高相关性，可以准确地评估和预测s u p e r p a v e 体积设计法设计的 沥青混合料的路用性能。 w t c z a k 【1 5 - 1 7 】给出了动态模量的定义，并提出了著名的w i t c z a k 模型。d o u g a n 【1 8 1 等人则 根据动态模量的定义，提出了详尽的动态模量测定的试验方法与过程，并对试验中可能 遇到的问题进行了讨论，提出了解决方案。c l l r i s t e i l s e n 和p e l l i n e n 【1 9 。2 1 】贝0 给出了模量主 曲线的绘制方法，并介绍了如何根据模量主曲线来对参考温度或频率下的动态模量进行 预测。 国内学者近年来对沥青混合料的动态模量参数进行了一定的研究并取得了相应成 果。交通部公路研究所的王旭东【2 2 】以半刚性材料为研究对象对动态模量试验中的荷载频 率、波形、间歇时间进行了研究，初步确定了相应的动态模量试验方法。江苏省交通科 学研究院的赵延庆【2 3 】采用简单性能试验方法( s p t ) 对沥青混合料的动态模量进行了研 究。东南大学马翔【2 4 】、山东省交通科学研究所韦金城【2 5 1 等采用s p t 试验方法对沥青混 合料的动态模量进行了测试，并根据时温等效原理采用w i t c z a k 模型建立了动态模量的 主曲线。长沙理工大学田小革【2 6 j 根据时温等效原理利用w l f 公式建立了沥青稳定碎石 的动态模量主曲线。 综合上述研究成果来看，国内外针对于动态模量及其主曲线的研究主要采用简单性 能试验方法进行试验，且建立模量主曲线时多采用w t c z a l 【或者w l f 等预测模型。在 试验测试方法上，笔者认为小梁四点弯曲试验方法测出的是棱柱形小梁试件在弯曲变形 作用下的弯拉模量，更能模拟路面结构和刚桥面铺装层的实际受力状态。在模量主曲线 建立方面，采用w i t c z a k 模型或w l f 公式，需要输入一些基质沥青的粘度值或其他材 料性能参数值，会造成试验工作量和成本的增加，而且对于热固性材料环氧沥青，其粘 度不同于普通沥青的粘度随温度变化，环氧沥青的粘度是受温度和时间两个因素所影响 的，所以上述模型不适用于环氧沥青混合料的模量主曲线的建立。 1 2 2 沥青混合料疲劳性能研究 对沥青混凝土材料疲劳性能的关注最早起始于第二次世界大战末期。1 9 4 2 年，美 国的o j p o n e r 就已经注意到有些柔性路面在非常小的弯沉下，如果车轮荷载重复几百次 路面被破坏的现象。1 9 5 3 年l w n i j b o e r 和v a nd e rp o l e 就曾经指出，沥青路面使用后 期出现的裂缝可能与行车产生的弯曲应力超过材料的抗完拉强度有关，为了考虑重复荷 载以后的抗弯强度，就必须把疲劳现象加以考虑。19 5 5 年f n h v e e m 把不同轴载下的 4 lll|llllll。l。llillllll。lllllllllllllllllllllllllllllilllllllllllllllll卜 第一章绪论 弯沉与路面的实际性能联系起来，并强调裂缝是疲劳的结果，它取决于弯沉的大小和重 复次数。随着研究的深入，到1 9 6 2 年在美国密歇根大学举行的第一届国际沥青路面结构 设计会议上，对于疲劳是路面形成开裂的原因之一，并会导致路面损坏的这一观点，得 到了比较普遍的承认。随后专题讨论疲劳问题的论文日益增多，其中设计到疲劳机理、 试验方法、量测技术设备、影响因素分析以及在路面结构中的实际使用效果和路面设计 体系的确定等等。这些成果对于帮助人们认识沥青混合料的疲劳性质、预测路面的疲劳 寿命以及指导路面设计都曾起到了积极的作用【2 7 j 。 国外最早的沥青混合料疲劳试验是有r g h e n u e s 和h h c h e n 等提出的。根据试验 发现，沥青梁试件的动力模量随荷载作用次数的增加而减小。首先尝试将断裂力学应用 到沥青混凝土强度问题上的学者是法国人f m o a v e n z a d e h 。他通过试验得出了低温条件 下沥青混凝土适合脆性规律的结论。综合目前国外已有的研究成果，沥青混凝土疲劳性 能的研究方法基本上可以分为三类。一类为现象学法，即传统的疲劳理论方法，它采用 疲劳曲线表征材料的疲劳寿命。其中以美国加利福尼亚大学伯克利分校的c l m o l l i s m i m 教授和英国诺丁汉大学p s p e l l 教授的论著最为出名；第二类是力学近似方法，即应用 断裂力学方法分析疲劳裂缝扩展规律以确定材料疲劳寿命的一种方法。近年来，加州大 学伯克利分校及其它研究人员通过试验研究还提出一种新的疲劳响应模型，即能耗疲劳 方程，用能量方法来研究沥青混合料的疲劳特性，即第三类方法。 1 、现象学法 目前对沥青混凝土材料疲劳寿命的预估也主要建立在现象学法基础之上。 m o n i s l l l i t l l 等在1 9 7 1 年就提出了影响疲劳寿命肭基本公式： ，鄙哮) d ( 1 1 ) 式中：占，为试验所用的拉伸变量；c 、d 为与试验条件有关的参数。 1 9 8 0 年，m o i l i s 面t l l 【2 8 。2 9 1 等人又用热弹性力学，对交通荷载与温度荷载作用下的开 裂基层与加铺层中的应力分布特征进行了研究，并就橡胶沥青夹层对于裂缝尖端附近应 力几种的消散作用进行了分析。结果表明，软弱夹层能有效降低裂缝顶端的应力集中， 延缓反射裂缝的扩展。1 9 8 2 年，s e e d s 等人将降温过程中旧水泥混凝土路面缝边的张开 位移作为主要特征参数，通过力学分析提出了一种计算温度收缩引起的加铺层中的应力 响应，并开发了相关的计算机程序，可以进行加铺层设计及温缩型反射裂缝疲劳寿命的 预估【3 0 1 。英国诺丁汉大学也几乎在同时根据大量试验结果，整理得出当常量应变s = 1 0 0 1 0 。6 拉应变时，混合料的疲劳寿命同沥青用量软化点之间的经验关系式，即 l g ( 删0 0 x l o 。) = 4 1 3 l g + 6 9 5 l g 疋口 ( 1 2 ) 式中：n 为试件在常量应变为1 0 0 1 0 。6 时达到破坏的加载次数；v b 为以体积百分率计的 时间沥青含量；t r & b 为用环球法测定的沥青软化点。 东南大学博士学位论文 2 、力学近似方法 研究沥青混凝土疲劳特性的力学方法包括断裂力学和粘弹性连续损伤力学。 ( 1 ) 断裂力学方法 美国战略性公路研究计划s 昀t e g i ch i g h v 唧r e s e a r c hp r o g r a m ( s h r p ) ，将沥青混合 料试件的开裂过程分为两个阶段：裂缝初始化和裂缝扩展，相应地，将沥青路面的疲劳 寿命分为两个部分：裂缝初始化寿命和裂缝疲劳扩展寿命。裂缝初始化寿命是微观裂缝 损伤过程，当微观裂缝导致宏观裂缝出现之后，宏观裂缝扩展阶段开始。由于裂缝初始 化阶段与裂缝扩展阶段的损伤机理不同，所以采用不同的方法进行研究。限于多相介质 微观机理的复杂性，裂缝初始化阶段仍然采用唯像学方法进行研究，宏观裂缝的疲劳扩 展行为则采用宏观断裂力学进行研究。 19 7 7 年m 蛳d z a d e h 【3 1 】将断裂力学原理应用于沥青混合料，他研究发现经典p a r i s 公 式不适于描述沥青混合料的裂纹扩展规律，并总结出具有四个材料参数的修正p a r i s 公 式；随后为了设计使用方便，经过简化进一步提出了具有两参数的修正公式。美国德克 萨斯农业机械大学s c l 即e 巧【3 ”4 j 考虑沥青材料的黏弹性行为，利用广义乒积分理论发展 了一个与p 撕s 公式相同形式的裂缝扩展方程。1 9 9 6 年h s u 【3 5 】应用线弹性断裂力学理论 和黏弹性裂纹生长的s c h 印e 巧理论研究了重复荷载作用下间歇期对沥青混凝土疲劳响 应的影响。1 9 9 7 年m o b a s h e r l 3 6 j 基于非线性断裂力学，采用柔量方法和r - 曲线方法评价 沥青路面疲劳裂纹的扩展。1 9 9 9 年a d e a c o n 和“y o n g q i 【3 _ 7 】对沥青路面疲劳裂缝进行 模拟，并分析了沥青混凝土的疲劳特性。此外，以m o n i s m i t h l 3 8 】和r 锄s 锄o o i 【3 9 1 为代表 的沥青材料性能研究者利用小梁弯曲试验、单边缺口四点弯试验和单边缺口张拉试验数 据回归得出不同沥青类材料的裂缝扩展模型的参数。 近年来，国内研究人员在采用断裂力学研究沥青路面疲劳裂缝扩展方面也取得了一 定成果。彭妙娟( 1 9 9 8 ) 【4 0 】针对西三线模型，采用有限元法进行了半刚性基层含贯穿裂 缝以及裂缝反射到面层两种情况的三维断裂力学分析，以退化的2 0 结点奇异单元模拟 裂缝前沿应力、应变的奇异性，计算了在荷载和温度共同作用下的应力分布和裂缝应力 强度因子，并估算了路面疲劳寿命，研究表明，当基层存在贯穿裂缝时，会导致沥青面 层底部基层裂缝前沿附近的应力集中，加速了基层裂缝向面层的扩展，在相对于裂缝的 非对称荷载的作用下，裂缝向上扩展的危险性更大。东南大学罗睿( 2 0 0 2 ) 【4 1 】基于p 耐s 疲劳模型，引入权函数理论，推导出沥青路面裂缝权函数和裂缝应力强度因子的数值计 算方法，建立了路面疲劳裂缝扩展模型，并分析了沥青路面典型裂缝的疲劳扩展规律。 河北工业大学岳福清、杨春风( 2 0 0 3 ) 1 4 2 】应用疲劳断裂力学中经典p a r i s 公式，通过拟 合试验数据建立缝端应力强度因子与裂缝长度的函数关系，并对含反射裂缝的沥青混凝 土路面的疲劳寿命进行预测。王金昌( 2 0 0 4 ) 【4 3 】应用断裂动力学有限元方法，计算得到 在正弦荷载作用下沥青路面反射裂缝的应力强度因子时程变化曲线，并分析了路面各结 构层的阻尼比、回弹模量、粘聚力、内摩擦角、厚度等因素对应力强度因子的影响。西 南交通大学毛成( 2 0 0 4 ) m 郴】，在基于线弹性断裂力学和窗口移动技术的基础上，采用 6 一1 里二里丝堡 自制开发的能同时处理四边形8 节点和三角形6 节点奇异等参单元的二二维沥青路面裂纹 扩展路径模拟程序a p c p p s 2 d 对不同裂缝深度条件下的路表裂纹的应力强度因子及裂纹 起裂角进行了计算，并模拟了表面裂纹向下扩展的路径，分析了路面结构组合和温度对 沥青路表裂纹扩展的影响，得出路面结构组合、温度以及面层弹性模量对裂纹扩展均有 较明显的影响；同时还设计偏直裂纹三点弯曲梁试验对沥青混凝土复合型裂纹的扩展路 径的仿真模拟进行了验证。湖南大学曾梦澜( 2 0 0 5 ) 【4 6 】应用广义p a r i s 公式对沥青路面 结构内材料复杂裂缝扩展进行了研究，得出沥青面层的疲劳寿命随面层厚度的增加以近 似线性的幂函数形式增加，且随着面层材料模量的降低以负指数的幂函数形式增加。东 南大学交通学院巴桑顿珠、黄晓明( 2 0 0 6 ) 【4 7 1 ，在考虑沥青混凝土弹性模量及温缩系数 随温度改变的变化规律的基础上，应用有限元软件对温度型表面裂缝和反射裂缝的扩展 进行了动态模拟，得出随着基准温度的降低和温降梯度的增大，裂缝扩展速度相应增加； 而后采用疲劳断裂力学对两种路面的疲劳寿命进行了预估，发现表面型裂缝温度疲劳扩 展寿命要远小于反射型裂缝的温度疲劳扩展寿命。南京林业大学李国芬、王宏畅( 2 0 0 7 ) 【4 8 】等基于断裂力学理论，应用通用有限元软件建立了2 0 节点等参单元对偏荷载作用下 路表裂缝的扩展进行了模拟，预测了路面表面裂缝扩展寿命，并分析了不同路面结构参 数对裂缝扩展寿命的影响。 ( 2 ) 损伤力学方法 损伤力学起源于1 9 5 8 年k a c h a i l o v 【4 9 】在研究金属材料蠕变损伤时引入连续度和有效 应力概念来进行模拟分析。此后，l h a i l o v 损伤模型思想在不同程度上被不少损伤模 型所借鉴，并逐渐形成了一门新兴的独立的固体力学分支。目前，损伤力学的适用领域 从最初的蠕变损伤，推广到对于弹性、塑性、粘塑性、脆性及疲劳等损伤现象的分析； 而所描述的材料，也从金属扩展到复合材料、陶瓷、混凝土等非( 纯) 金属材料。 最早将损伤力学方法用于分析沥青混合料的疲劳特性当属k i mw 和e i h u s s e i i lm ( 1 9 7 7 ) 【5 0 】，他们利用疲劳损伤力学研究了低应变下沥青混凝土断裂韧性的变化规律。 p 破sw ( 1 9 9 6 ) 【5 1 】选取一种含损伤增长速率的粘弹性本构模型来描述沥青混合料单轴 应力常应变率行为，利用弹性粘弹性对应原理，将弹性损伤模型直接换成粘弹性损伤 模型，并采用形式上与裂缝扩展规律相似的粘弹性材料损伤演变规律来描述沥青混合料 的粘弹性损伤特性。飚my ( 1 9 9 7 ) 【5 2 】应用s c h a p e r y 提出的扩展的弹性一粘弹性对 应原理和发展的位势能理论来模拟非均质连续路面损伤累积，并导出了能解释损伤生长 和微观损伤愈合的沥青一集料本构模型。l e e ( 1 9 9 8 ) 【5 3 】认为粘弹性连续损伤模型可以 成功捕捉不同荷载和环境下沥青混合料的宏观疲劳行为，是一种模拟沥青混凝土疲劳损 伤的有效方法。s i ( 2 0 0 1 ) 【5 4 】应用伪刚度来评价有间歇期重复荷载作用下沥青混凝土的 微观损伤和愈合。wh a i 胁g ( 2 0 0 2 ) 【5 5 】提出基于间接拉伸试验的粘弹性分析来研究和 评价西部环道试验使用的沥青混合料疲劳性能。 近年来，国内研究学者针对沥青路面的疲劳损伤研究主要集中在疲劳损伤演化模型 和疲劳裂缝形成寿命预估两个方面。疲劳损伤演化模型方面，以长沙理工大学郑健龙教 7 垄堕查堂堡主堂堡迨茎 授为代表的研究人员做了一系列相应的研究工作。1 9 9 5 年郑健龙和应荣华【5 6 - 5 8 j 从沥青混 合料黏弹性本构模型出