（道路与铁道工程专业论文）基于复合梁的水泥混凝土桥面铺装疲劳试验研究.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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：期：趔泓p 坐匣 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( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：重亡巫导师签名：丝型黠期：塑丝娟，溜 摘要 摘要 疲劳开裂是水泥混凝土桥面铺装层在使用过程中所面临的主要病害之一，如 何在实验室模拟荷载对水泥混凝土桥面铺装层的作用是桥面铺装领域亟待解决 的关键技术问题之一。至今，国内外对水泥混凝土桥面铺装的疲劳特性研究较少， 基于抗疲劳的桥面铺装设计理论与方法也未形成。在这种背景下，本文在理论分 析的基础上，选用具有耐久性的水泥混凝土桥面铺装层为研究对象，建立带水泥 混凝土桥面板的复合梁试验模型，并在此基础上进行试验参数设计研究，最终通 过复合梁的疲劳特性研究为水泥混凝土桥面铺装层的设计提供理论依据。 在研究基于最不利应力等效的带水泥混凝土桥面板的复合梁模型方面，首 先，分析典型混凝土箱型梁桥在交通荷载下的应力应变特性，得出铺装层的最不 利荷载位置以及结构参数与桥面铺装层的受力关系；其次，根据最不利应力等效 原理，将车轮荷载作用下水泥混凝土桥面铺装的局部效应转化为简支复合梁进行 研究；再次，借鉴共同作用原理，推导得出复合梁模型的跨中挠度与应变等解析 表达式；最后，进行复合梁模型仿真分析，验证复合梁模型的有效性。 在复合梁疲劳试验设计方面，首先，进行复合梁各组成部分的材料与配合比 设计，并且针对水泥混凝土小梁和环氧沥青的特殊性，对复合梁试件的成型过程 进行详细的介绍；其次，研究试验控制方式、试验参数等内容，并确定复合梁疲 劳试验的破坏标准。 在复合梁疲劳特性分析方面，结合复合梁疲劳试验数据，首先研究复合梁的 模量变化规律；其次研究复合梁在疲劳过程中的能量耗散，计算损伤能耗，通过 疲劳寿命与疲劳破坏时的总的累积能耗的关系，建立铺装体系的整个疲劳过程的 寿命预测方程。 在基于抗疲劳设计的混凝土桥面铺装设计方法方面，借鉴沥青混凝土路面的 设计方法，基于安全寿命设计理念，首先确定以抗疲劳为目的的桥面铺装设计的 原则、要求与设计指标，其次，确定了水泥混凝土桥面铺装抗疲劳设计的主要内 容与流程图。 本文研究成果对建立水泥混凝土桥面铺装层疲劳设计理论和方法，有效预估 水泥混凝土桥面铺装层使用寿命，并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。 关键词：水泥混凝土桥，桥面铺装，环氧沥青混凝土，复合梁，疲劳试验 a b s t m c t a b s t r a c t f a t i g u ec r a c l ( i n gi sam 句o rd i s t r e s so fc e m e n tc o n c r e t eb r i d g ed e c kp a v e m e m d l l r i n gi t so p e r a t i o nt i i l l e h o wt 0 s i m u l a t e l o a de 僚c to nd e c kp a v e m e n ta i l d t o i n v e s t i g a t ef - a t i g u ec h a u r a c t e r so fd e c kp a v e m e n ti ss t i l la nu i l s o l v e dc r i t i c a lp r o b l e m u n t i ln o w ，r e s e a r c hi nf a t i g u ec h a r a c t e r so fc e m e mc o n c r e t eb r i d g ed e c kp a v e m e mi s f e 、a n dd e c kp a v e m e n td e s i 口诎l i c hi sb a s e do na n t i - f a t i g u er e m 咖st ob en o t s y s t e m a t i c a l l ym e o r i z e 也s 0 弱t o “ss p e c i f i c a t i o n a i l dc r i t e r i o n s o ，b a s e do n 也e o r e t i c a l 锄m y s i s ，s e l e c tc e m e n tc o n c r e t eb r i d g ed e c kp a v e m e n tl a y e rw m c hi s d u r a b l ea st 1 1 er e s e a r c ho b j e c t ，a i l de s 讪l i s ht 1 1 ec o m p o s i t eb e 锄m o d e l 谢mc e m e m c o n c r e t c b r i d g ed e c k s t h e 玛m r o u 曲d e s i g no f t e s t p a r 锄e t e r s 锄df a t i g u e c h a m c t e r i s t i c so ft 1 1 ec o m p o s i t eb e 锄，p r o v i d eat h e o r e t i c a lb 商s 岛rd e s i 弘o fc e m e i l t c o n c r e t eb r i d g ed e c kp a v e m e n t h lt h es i d eo ft h ec o m p o s i t eb e 锄m o d e l 诵mc 锄e n tc o n c r e t cb r i d g ed e c kb a l s e d o nt l l em o s tu n f 打o r a l ) l es 仃e s se q u i v a l e 咄f i r s t l y ，a 1 1 a 1 ) ，z et h es 仃e s s - s 仃a i nb e h a v i o ro f c e m e n tc o n c r e t eb r i d g eu 1 1 d e rt l l e 仃a 伍cl o a d ，a n dd e f i n em em o s tu 1 1 f a v o r a b l el o a d p o s i t i o na n dm e i i m u e n c eo fs 咖删p 娥吼e t e r s0 n 也es 仃e s sc l l a r a c t e r i s t i c so fd e c k p a v e m e n t ；s e c o n d l y ，b a s e do ns n e s se q u i v a l e n t ，c o n v e r tt l l el o c a le 任- e c to fc e m e n t c o n c r e t eb r i d g ed e c kp a v e m e mi n t ot l l ec o m p o s i t eb e a m ；伽媳l y ，u s en l ep 血l c i p l eo f c o i 玎b i n e da c t i o na n dd e d u c et h ef 0 咖u l a so fi i l t e r - s _ t r a i na i l dd e n e c t i o no fc o m p o s i t e b e 锄m o d e l ；l a s t l y ，c a r 巧o u tt l l e 觚t ee l e m e ms i l u l a t i o nt oc o m p o s i t eb e 锄锄d v e r i 母t h ev a l i d i 够o ft h ec o m p o s i t eb e 锄m o d e l 1 1 1t l l es i d eo ft h ed e s i g no fc o m p o s i t eb e 锄f a t i g u et e 瓯f i r s t l y ，c a r 巧o u td e s i 印 o fm a t e r i a la i l d1 1 1 i xp r o p o n i o n ，a n dt l l e ni n l 加d u c em o l d i n gp r o c e s so fc o m p o s i t e b e 锄s p e c i m e ni i l d e t a i la c c o r d i l l gt 0t l l es p e c i f i c i 够o fe p o x ya s p h m ta n dc e m e n t c o n c r e t eb e 锄；s e c o n d l y ，s _ t u d yt l l et e s tc o n 臼o l 砒1 dt e s tp a r a m e t e r s ，a n dm e n d e t e n n i n em ed e s t n j c t i o ns t a l l d a r d so ft l l ec o n l p o s i t eb e a mf a t i g u et e s t i nt 1 1 es i d co ff j a t i g u ec h 聪l c t e r i s t i c so ft h ec o i n p o s i t eb e a m ，c o m b i n e dw i m m e c o m p o s i t eb e 锄f - a t i g u et e s td a 魄f i r s t ，咖d yt 1 1 em l eo fs t i 筋e s sc h a n g eo fc o m p o s i t e b e 锄；m e ns t u d ye n e r g yd i s s i p a t i o no fc o r l l p o s i t eb e 锄d u r i i 喀m ef a t i g u et e s ta n d c a l c u l a t ed a m a g ee n e r g yc o i l s 眦p t i o n b yt l l er e l a t i o n s l l i po ft l l ef - a t i g u el i f ea n dt 1 1 e t o t a l e n e r g yc o n s u m p t i o n ，s e tu pt l l ep r e d i c t i o ne q u a t i o no ff 撕g u el i f eo fp a v e m e m s y s t e m i l lt h es i d eo fd e s i g nm e t h o do fc e m e n tc o n c r e t eb r i d g ed e c kp a v e m e n tf o rt l l e a b s t m c t p u 印o s eo f 趾t i f a t i g u e ，b a s e do ns a f el i f ed e s i 印，d e t e 肌i n et h em l e ，n l er e q u i r e m e n t a i l dt h ed e s i 鲈i n d e xo fd e c kp a v e m e n td e s i 口f o rm ep u 叩o s eo fa n t i f a t i g u e ；a n d t l l e n ，d e t e m l i n et l l em a i nc o n t e n ta n dn o w c h a r to fc e m e n tc o n c r e t eb r i d g ed e c k p a v e m e n tf o ra n t i f a t i g u e n er e s e a r c hf i n d i n g so ft l l ed i s s e 僦i o ni su s e 伽f o re s t a b l i s h j n gf a t i g u e p e d o 姗a n c ed e s i 印o fc e m e n tc o n c r e t e 晰d g ed e c kp a v e m e n t ，p r e d i c t i n gt 1 1 es e i c e l i 诧o fp a v e m e n t ，a n d 出a 衔n gp r e v e n t a t i v em a i m e n a l l c em e t h o d k e y w o r d s ： c e m e n tc o n c r e t e b r i d g e ， d e c k p a v e m e n t ，e p o x ya s p h a l tc o n c r e t e ， c o m p o s i t eb e 锄，f - a t i g u et e s t l 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 国内外铺装层疲劳研究现状与分析2 1 2 1 沥青混合料疲劳特性研究3 1 2 2 桥面铺装复合体系疲劳特性研究7 1 2 3 国内外铺装层疲劳研究现状小结9 1 3 本文的主要研究内容与技术路线9 1 3 1 主要研究内容9 1 3 2 技术路线1 0 第二章带水泥混凝土桥面板复合梁模型的建立15 2 1 混凝土梁桥桥面铺装体系局部受力特点15 2 1 1 混凝土梁桥桥面铺装模型15 2 1 2 最不利荷位分析1 9 2 1 3 铺装层模量组合研究2 l 2 2 混凝土梁桥桥面铺装局部受力特性的初步等效。2 2 2 3 混凝土梁桥桥面铺装复合梁理论模型2 6 2 3 1 理想粘结状态下的复合梁模型理论2 6 2 3 2 复合梁模型的有限元仿真分析2 8 2 4 小结3 0 第三章混凝土梁桥桥面铺装复合梁疲劳试验设计3 2 3 1 复合梁试件的成型3 2 3 1 1 原材料设计3 2 3 1 2 配合比设计3 6 3 1 3 复合梁试件制作3 8 3 2 复合梁疲劳试验参数设计4 0 3 2 1 试验温度4 0 3 2 2 试验加载频率和波形4 0 3 2 3 加载模式4 l 3 2 4 荷载水平4 l 3 2 5 疲劳破坏标准4 4 3 2 6 试验设备与数据采集4 4 3 3 小结4 5 第四章复合梁疲劳试验研究4 6 4 1 复合梁疲劳试验结果4 6 4 2 基于模量损耗的疲劳特性分析4 7 4 3 基于能量耗散的疲劳特性分析。4 7 目录 4 3 1 沥青混合科的滞后回路与能耗分析4 8 4 3 2 桥面铺装体系能耗分析4 9 4 4 水泥混凝土铺装体系寿命预测5 3 4 4 1 唯象学模型5 3 4 4 2 耗散能模型5 4 4 5 本章小结5 4 第五章基于抗疲劳设计的混凝土梁桥铺装设计方法5 6 5 1 抗疲劳设计的基本要求与原则。5 6 5 1 1 基本要求一5 6 5 1 2 基本原则5 6 5 2 混凝土梁桥铺装抗疲劳设计指标的确定。5 7 5 3 混凝土梁桥铺装抗疲劳设计的主要内容及流程5 9 5 4 本章小结6 0 第六章结论与展望6 2 6 1 主要研究结论6 2 6 2 进一步研究的设想6 3 致谢6 5 攻读硕士期间发表的论文6 6 v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 随着我国公路交通事业的发展，水泥混凝土桥梁逐渐增多。桥面铺装层作为 桥梁行车体系的重要组成部分，能大大缓和动载对桥面板的冲击，并满足行车平 稳、舒适的要求，因此越来越受到重视。桥面铺装与路面铺装有很大的不同，桥 面铺装层直接铺设在水泥混凝土板上，在行车荷载、风载、温度变化及地震等因 素的影响下，其受力和变形远较公路路面复杂，因而对其强度、稳定性、疲劳耐 久性等均有更高要求。铺装层质量和使用寿命直接影响到行车的安全性、舒适性、 桥梁的耐久性及投资效益。水泥混凝土桥面铺装设计已经成为桥梁建设和发展中 亟待解决的一项重要难题【l 圳。 根据已有力学机理与路用性能分析表明，水泥混凝土桥面上沥青混凝土铺装 层必须具备多方面的功能，不仅要满足一般道路对沥青层的所有要求，还要考虑 桥面铺装的特殊之处。如桥面沥青混凝土铺装下层会处于受压状态，要求铺装下 层的沥青混合料具有良好的骨架嵌挤结构，能抵抗高温车辙，还得与水泥混凝土 桥面板结合紧密，而铺装上层，特别是在桥面系加劲部件的顶部会处于受拉状态， 这就要求铺装上层的沥青混合料除满足高温耐久性外，应更重视其抗疲劳开裂能 力卜。尤其重要的是因为桥梁交通的难以替代性及维修的困难性，要求桥面沥 青混凝土铺装必须具有长久的使用寿命【8 】。 通过调查发现，水泥混凝土桥面铺装在使用过程中，均不同程度的出现了早 期病害，部分桥梁的铺装层甚至已历经多次大修或重铺，频繁的养护维修、大修 或重铺有损桥面系等结构部件的使用寿命，同时也造成很大的经济损失与不利的 社会影响。表1 1 列出了国内部分混凝土桥梁桥面铺装的病害情况。 表1 1国内部分混凝土梁桥桥面铺装病害统计 桥梁名称铺装材料与结构病害类型 福州市三县洲闽江大桥 粘结层+ s m a 9 5 ( 3 c m ) + s m a l 6 ( 5 c m )纵缝 杭州湾跨海大桥引桥 s m a l 6 ( 6c m ) + s m a l 3 ( 4c m ) 纵缝 宁波招宝山大桥s m a l 3 ( 5 c m ) + s m a l 0 ( 3 咖) 横缝、拥包 干岛湖1 拌桥s m a l 3 ( 4 5 伽) + s m a l o ( 3 5c m ) 开裂 重庆长江鹅公岩大桥引桥 钢纤维水泥混凝土( 1 1 c m ) + s m a ( 4 c m ) 横向裂缝 重庆长江鹅公岩大桥主桥 钢纤维水泥混凝土( 6 c m ) + 改性沥青混凝土( 8 锄) 裂缝 从上表中部分水泥混凝土桥沥青混凝土铺装病害调查结果可以发现，目前沥 青混凝土铺装层疲劳损坏十分严重。一般使用时间较长的高速公路桥面，差不多 每座桥梁的沥青混凝土铺装层均有损坏现象。在混凝土梁桥中，桥面铺装的疲劳 开裂已成为一种常见的病害。当出现疲劳裂缝后，降水会通过裂缝渗入并滞留在 东南大学硕士论文 铺装层内部及铺装层与桥面板界面间，在车辆荷载作用下，滞留在该处的水会冲 刷桥面材料，导致路面出现进一步的损害，甚至出现龟裂、网裂等更为严重的病 害。疲劳裂缝的出现，严重影响了桥面铺装使用寿命和使用性能【吵l o 】。 铺装层的车辙等永久变形病害以及脱层与滑移可通过选用合适的粘结材料 与沥青混合料加以避免，铺装层的疲劳开裂则是铺装层在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，而且还同水泥混凝土桥面板 的结构特性密切相关。在车轮荷载作用下，桥面板局部刚度变异部位如箱梁中顶 板变截面处或纵向腹板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，在车辆反复作用下，应力集中部位将形成疲 劳裂缝【l 卜1 4 1 。铺装层的开裂一方面会导致铺装体系局部逐渐丧失防、排水功能， 并削弱铺装与板之间的粘结力乃至使桥面板防腐层失效；在另一方面，也削弱了 铺装层分散荷载能力以及与桥面板作为复合结构共同承受荷载的能力，对桥面板 的疲劳寿命产生不利影响。 因此，在铺装混合料的类型确定之后，通过结构设计的方式提高水泥混凝土 桥面铺装的抗疲劳开裂能力是桥面系结构设计应重点解决的关键技术问题。目 前，国内外对水泥混凝土桥面铺装疲劳特性的研究较少，基于疲劳的桥面铺装设 计理论与设计方法也未形成【1 5 1 。深入研究铺装层与水泥混凝土桥面板所组成的复 合结构的相互作用特性，以及铺装层的各项性能在复合结构疲劳过程中的变化规 律特性等是十分必要的，研究成果的形成，对于建立水泥混凝土桥面铺装设计理 论以及对现有水泥混凝土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 2 国内外铺装层疲劳研究现状与分析 国外水泥混凝土桥的建设已有较长的历史，对水泥混凝土桥面铺装体系的研 究起步较早，围绕桥面铺装的使用功能要求和对桥梁结构的保护性要求，各国根 据自己的国情开展了大量的研究工作，并取得了适合本国国情的桥面铺装经验。 一些发达国家还结合工程应用实践和经验，制定了相应的桥面铺装材料供货技术 标准以及设计、施工指南或规范。但未针对桥面铺装的温度特性和力学特性提出 专门的技术性能要求，桥面铺装沥青混凝土的技术要求多数仍套用道路上沥青混 凝土的技术标准，对于混凝土梁桥桥面铺装疲劳试验的研究更少。 国内对于桥面铺装方面的研究开展得较晚，对于水泥混凝土桥面铺装体系的 研究也较少，设计中主要沿用公路沥青路面的设计方法，没有形成一整套系统的 桥面铺装的设计、施工方法。近十年来发展迅速，对混凝土梁桥桥面铺装的研究 也取得了丰硕的成果，针对桥面铺装在使用期内出现的早期病害，国内开展多项 2 第一章绪论 长寿命铺装体系的研究，主要集中于提高铺装层材料性能，而对整个复合结构体 系的性能缺少针对性的研究。 1 2 1 沥青混合料疲劳特性研究 疲劳开裂是沥青路面设计所必须考虑的三种主要破坏形式之一，沥青路面的 疲劳开裂等研究一直受到各国研究人员的关注。研究沥青混合料在反复荷载作用 下的疲劳特性，以建立合适的沥青混合料疲劳寿命模型并将其与路面结构设计相 整合是解决沥青路面疲劳开裂的重要手段。研究沥青混合料疲劳特性主要有三种 方法：唯象学方法、力学方法、能量方法，相应地也形成了三类寿命模型。 ( 1 ) 唯象学方法 唯现象学方法认为沥青混合料的疲劳是在荷载重复作用下产生强度衰减累 积的破坏现象。荷载作用下，路面承受的应力或应变越大，材料的损伤越大，则 能够承的荷载重复作用次数越少，反之亦然。该法源于材料试验过程中对现象的 观察与试验所测试数据的合并，它常常将所观察到的损伤如沥青混合料试件的劲 度损失与混合料特征参数( 如空隙率、沥青填隙率等) 及试验应力联系起来。基 于唯象学方法的沥青混合料寿命模型为指数模型，如式( 1 1 ) 所示。 ，= 彳仃一、m = 叫 ( 1 1 ) 式中，为至屈服时的荷载作用次数，仃与s 分别为所施加的疲劳拉应力 或拉应变，么，k ，m ，刀为根据试验所确定的相关系数。 m o l l i s m i t he ta l 【1 q 于1 9 8 5 年对上述公式进行了修订。以考虑沥青混凝土劲度 s 对疲劳寿命的影响，如式( 1 2 ) 所示。该公式分别被s h e l l 及用在其设计 程序中，其相关系数由裂纹数量、混合料类型、沥青粘结层厚度等确定。 ，= 口( k ，：口二) a 一) c ( 1 2 ) s o s ( 2 ) 力学方法 研究沥青混凝土疲劳特性的力学方法包括断裂力学或粘弹性连续损伤力学。 断裂力学方法 在断裂力学方法中，认为疲劳是材料初始微裂缝在荷载作用下扩展至破坏的 过程。在一定裂缝张口宽度和长度情况下，应用断裂力学原理计算裂缝尖端应力 强度因子，它决定了疲劳试验中裂缝的扩展。p a i i s 法则常常被用来描述连续裂 纹的增长规律，如式( 1 3 ) 所示： 鱼：彳( 1 3 ) a n a n 式中：熹每个荷载循环的裂纹扩展率，k 为应力强度因子，4 ，玎为材料 d ，v 参数。 东南大学硕士论文 在材料参数彳，刀为已知的情况下，应用式( 1 3 ) 所代表的p 耐s 法则，可 计算出材料的疲劳寿命，如式( 1 4 ) 所示： ，= r ，- 竺圣 ( 1 4 ) 。 七。彳k ” 式中：乞为初始裂纹长度，c ，为最终裂纹长度。采用该式计算疲劳寿命时 实际上假定p 撕s 法则在整个疲劳过程中均成立。 线弹性断裂力学假定裂纹扩展连续，对于脆性材料较为适用。为描述粘弹性 材料的裂纹增长过程，s c h a p e r y i 【1 7 m 1 对p 撕s 法则进行了理论修正，并且提出了 i 型荷载作用下( 张开型) 裂纹增长速率与材料基本特性的关系式，见式( 1 5 ) 。 s c h a p e 巧粘弹性断裂理论的最大优点在于其常数a 与n 可从相对较为简单的试 验中得到。 么= 南【紫】l ”矿刎 5 ， 式中，对于应力控制模式，力= 2 ( 1 + 1 m ) ；对于应变控制，”= 2 坍。仃。为 极限承载应力，厶为裂纹尖端“断裂进程区”的应力积分，v 材料的泊松比，d ( f ) 为简单蠕变试验中所获得了蠕变柔量，d ( r ) = 鼠+ 毋广，聊为蠕变柔量与时间的 双对数曲线的斜率，即肌= d l o g d ( f ) d l o g 所，r 为使断裂表面增加单位面积所 需要的断裂能，以f ) 标准化处理后的应力强度因子的波形，“为循环的加载时 间。 沥青混凝土是一种与温度及加载速率密切相关的复合材料，为准确地预测它 在交通荷载下的行为，需要采用粘弹性理论。为建立沥青混凝土的损伤模型，在 其本构模型中必须考虑粘弹性与损伤增长。线性粘弹性的时间效应可采用相似法 则进行处理。法则认为，弹性问题求解结果的数学形式与粘弹性问题求解结果的 拉普拉斯变换形式似或相同。在应用本方法时，它采用数据变换将测试响应中的 线性粘弹性行为移除，而在数学形式上产生伪应变。粘弹性材料的相似法则最早 由s c h 印e 【l9 】提出，它假定所有离线性粘弹性的行为均包含了某种形式的损伤。 s c h a p e 认为某种粘弹性材料的本构关式可用其弹性状况加以描述，但所用的应变 并不是粘弹性体内的物理应变，而是伪应变。 由s c h p a e y r 所提出的非线性弹性一粘弹性的相似法则被耻n 【2 0 】用在沥青砂 的循应力应变的数据分析中。结果证实，s h c a p e y r 法则的本构模型能较好地预测 多级荷载加载次序和间歇时间等因素的影响，可准确模拟沥青混凝土在复杂循环 荷载作用下的损伤增长与断裂愈合现象。l e e 、d a m e l 与飚m 采用数学简化方法 将基于弹性一粘弹性相似法则的本构模型与损伤力学进行整合，建立了与唯象学 方法相似的模型2 1 】，如式( 1 6 ) 所示： 4 第一章绪论 m 。而若躁了例呦铲 ( 1 6 ) 式中，胛为疲劳失效前的荷载作用次数( 无间歇) ，为荷载频率，s ， 为损伤参数s 在失效时的值，为初始伪劲度，珐= 1 + ( 1 一c l ，) 儡，i e 掌i 为动模量， q 为与材料相关的常数，c 1 ，与c 1 ：为回归系数。该模型通过力学法则将模型参数 与混合料的性能联系起来，有助于设计出疲劳抗力更好的混合料，并且在模型中 可以考虑温度、疲劳损伤与愈合效应，以及材料的时间相关性。但模型中涉及的 参数较多、计算复杂，需要获取混合料整个疲劳寿命中的应力一应变数据，以及 混合料蠕变柔量的信息。另外，由于“应力一应变_ 伪应变”的计算较困难，在控 制应力的模式下应用此模型的难度较大。 损伤力学方法 损伤力学起源于1 9 5 8 年k a c h a n o v 【2 2 】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，i ；沁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鼬mw 和 e i h u s s e i nm ( 1 9 7 7 ) l 2 3 】，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 ) 【2 4 】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。融myr ( 1 9 9 7 ) 【2 5 j 应用s c h 印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 ) 【2 6 】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 ) f 7 】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。w - h a i n m g ( 2 0 0 2 ) 1 2 8 】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有较多研究，积累了丰富的 经验。1 9 9 5 年郑健龙和应荣华1 2 9 引】从沥青混合料粘弹性本构模型出发，按应变 等效假设将损伤引进本构模型，在分析了粘弹性模型和损伤模型的特性后，建立 了沥青混合料的粘弹性疲劳损伤演化方程，用以分析沥青路面的疲劳损伤问题。 5 东南大学硕士论文 2 0 0 3 年郑健龙和周志刚【3 2 0 3 】应用疲劳损伤力学理论对沥青混合料的疲劳损伤模 型、沥青类路面疲劳破坏以及旧水泥混凝土路面沥青混凝土加铺层的疲劳寿命预 测进行了系统的研究，提出了相应的抗裂设计方法。2 0 0 4 年郑健龙、唐雪松【3 4 】 基于损伤力学理论，建立了沥青路面反射裂缝问题的损伤力学守恒积分，证明了 在反射裂缝形成过程中应变能密度的守恒性，同时导出了预估反射裂缝形成寿命 的公式。2 0 0 5 年郑健龙、吕松涛、田小掣3 5 】根据损伤力学的相关理论，以循环 耗散能作为损伤变量，推导沥青混合料的损伤演化方程，并分析了该损伤模型与 经典m i n e r 线性损伤模型的关系，验证了该模型的非线性事实。此外，东南大学 葛折圣、黄晓明( 2 0 0 3 ) 【3 6 j 对舢l i c h ea 和f r a i l c o i sd 提出的分析水泥混凝土疲 劳损伤模型的损伤演变规律进行了修正，并用修正后的模型预测沥青混合料的疲 劳性能。华南理工大学张肖宁( 2 0 0 7 ) 【3 7 】通过小梁弯曲疲劳试验，建立了疲劳循 环次数和小梁试件模量间的关系，从而得到相应沥青混合料疲劳损伤的非线性演 化的模型。同济大学邱欣、凌建明、蒋鑫( 2 0 0 7 ) 【3 8 】以含基层缺陷的沥青路面结 构体系为研究对象，应用连续介质弹性损伤力学，提出适于沥青混合料疲劳损伤 开裂的演化方程，并结合室内间拉伸疲劳试验，确定了疲劳损伤模型的材料参数， 而后采用有限单元法和全解耦思想相结合的计算方法，得出了沥青面层疲劳裂纹 扩展长度与荷载作用次数间的关系。 ( 3 ) 能量法 1 9 8 7 年s h e n 路面设计手册中引入了用能量耗散原理预测沥青路面疲劳寿命 的方法。这一方法的主要特点是疲劳试验中的总能耗和循环荷载的重复作用次数 之间存在着某一特定关系。近年展开的s h r p 研究计划也采用能量方法研究沥青 混合料的疲劳响应问题。s h r p 在压实沥青混合料重复弯曲疲劳寿命测定的标准 试验方法( s h r p m 0 0 9 ) 中还给出了累积消散能和消散能累积到破坏时的计算 方法。 从2 0 世纪9 0 年代开始，国内学者黄卫与邓学钧掣3 9 4 0 】展开了基于能量法的 沥青混合料疲劳特性研究。黄卫与邓学钧通过对3 种沥青混合料6 2 根梁的疲劳 试验，研究了应变控制模式下沥青混合料的能耗与荷载作用次数的关系。黄卫【4 l 】 建立了基于耗散能的新型疲劳响应模型。张倩娜、朱希岭等【4 2 4 3 】对不同沥青品种、 不同级配类型的沥青混合料进行了劈裂疲劳及劈裂蠕变试验，采用损伤力学中的 唯象学方法研究了沥青混合料劈裂疲劳和劈裂蠕变试验结果间的相互关系，进一 步分析了影响两个方法试验结果差异的因素，建立了运用劈裂蠕变试验进行沥青 混合料疲劳破坏预测的经验方法。在此基础上，以累积损伤为基础理论，根据六 种沥青混合料的劈裂疲劳试验结果建立了反映疲劳特性的能量方程，分析了疲劳 机理及其破坏过程中能量的累积规律，并用能量耗散理论分析蠕变累积能耗与疲 6 第一章绪论 劳蠕变应力比的关系，最终建立了用蠕变试验的累积流动能耗预测沥青混合料疲 劳性能的统计方程。田小革、应荣华等舶j 根据沥青混合料的室内低频疲劳试验， 运用耗散能理论，得到了沥青混合料的低频疲劳规律，以及加载频率对材料的疲 劳寿命具有较大的影响等结论。刘振清【2 j 采用能量法寿命模型进行了钢桥面铺装 层的疲劳寿命预测，但是未考虑铺装层中可能存在的热耗散的影响，这实际上意 味着认为所有的耗散能均被用于铺装层的疲劳损伤。 关于沥青混合料和沥青路面疲劳断裂破坏过程的描述，有的学者采用应力或 应变或者荷载等力学参量，用它们与循环次数的回归关系作为响应的疲劳方程。 但是由于公式简单易用，在实际使用中道路工作者们还是倾向于采用基于应力强 度因子的经验性总结的p a r i s 公式来描述沥青路面疲劳裂缝扩展情况，并以此计 算疲劳裂缝扩展寿命。同时，为了研究沥青混合料及沥青路面的疲劳断裂规律， 道路工作者们采用了不同的试验方法( 如直接拉伸试验、间接拉伸试验、四点弯 拉试验、三点弯拉试验和半圆试件弯拉试验等) 测试沥青混合料疲劳断裂性能， 并进行了不同的模拟交通荷载、温度荷载或二者共同作用的沥青路面模型的疲劳 断裂试验。随着试验研究工作的积累，人们发现在交通荷载和温度荷载的作用下， 沥青路面结构内裂缝扩展的形式复杂，一般为复合型裂缝，用p 撕s 公式这种基 于张开型裂缝疲劳试验获得的规律性认识模型与实际情况存在偏差，主要体现在 模型中描述疲劳裂缝扩展率的公式中所包含的项数及其相关模型参数上。能量法 分析沥青路面疲劳性能正如c l m o m s m 油等人指出的那样：至今为止，仅仅在 弯曲疲劳试验上考虑采用消散能量理论，尚需要进一步研究它能否用于其它类型 的疲劳试验和沥青路面结构设计中。 1 2 2 桥面铺装复合体系疲劳特性研究 疲劳开裂是桥面沥青混凝土铺装层在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，而且还同桥面板的结构特性密切相关。研究 铺装层的疲劳特性主要通过疲劳试验对其进行评价，选取合理的试验方法和试验 参数是关键。 目前研究桥面铺装层疲劳特性的方式包括沥青混合料的劈裂疲劳试验或小 梁弯曲疲劳试验、野外试验桥【4 7 4 9 1 、直道或环道加速加载试验【5 0 1 、复合梁弯曲疲 劳试验p 卜5 2 j 等多种。针对沥青混合料的劈裂疲劳试验或小梁弯曲疲劳试验无法考 虑铺装层与桥面板的复合作用，与桥面铺装的实际工作状况有较大区别，因此采 用劈裂疲劳或小梁弯曲疲劳试验研究铺装层的疲劳特性具有明显的局限性。研究 桥面铺装层的疲劳特性必须采用包含桥面板与铺装层的复合结构。采用试验桥或 直( 环) 道的方式与铺装层的真实工作状况相近，但这两种方式的试验周期都较 长，且耗资大，试验的可控性较差，通常作为室内疲劳试验的辅助手段。 7 东南大学硕士论文 在钢桥面铺装方面，带钢板的复合梁铺装层弯曲疲劳试验可追溯到1 9 世纪 6 0 7 0 年代。m e t c a l f 【5 3 j 、h 锄a e u l 【5 4 】、p o n 鲫z 与h a r r e 【”】等分别测试了多种铺 装结构的复合梁疲劳寿命，c u l l i m o r ee ta l 【5 6 】、k o l s t e i n 与d i j k i l l l 【5 7 】等对比分析了 复合梁铺装表面应变与实桥铺装层表面应变之间的差异，从而确定复合梁疲劳试 验荷载的大小，他们对比了多种铺装方案的疲劳寿命，但未建立疲劳方程。沈桂 平【5 8 j 等测试了四点支承的复合梁试件的疲劳寿命，他们通过实测钢桥面板的荷载 应力谱推算并制定复合梁疲劳应力幅，完成了两根复合梁试件的疲劳加载测试， 研究中发现，随着加载次数的增加，沥青表面应变逐渐减小，而钢板应变则逐渐 增大，因此该文推断随着疲劳加载次数增多，铺装层逐渐退出工作。在南京长江 第二大桥【5 9 】、润扬大桥【47 】等大桥钢桥面铺装研究期间，东南大学桥面铺装研究 人员先后完成了对双层环氧沥青混凝土、“下层浇注式沥青混凝土+ 上层环氧沥青 混凝土”等多种铺装复合梁的疲劳加载测试，结果显示，双层环氧沥青混凝土与 “下层浇注式沥青混凝土+ 上层环氧沥青混凝土”的疲劳寿命与抗变形能力均优于 其他铺装结构，适合于大跨径钢箱梁桥特别是悬索桥的铺装。刘振清【6 0 j 分别采用 唯象学方法、能量法，对数据进行了分析，井在不考虑层间粘结状况以及钢板损 伤的基础上，采用抗弯刚度等效的方式将层状复合结构转化为等价铺装层矩形 梁，然后再应用c h b o c h e 和l e m 2 l i 雠等人提出的疲劳损伤演化方程式，推导了 等价矩形梁的损伤特性，并得出等价矩形梁的寿命模型。张晓春与黄卫1 6 l 】等假定 铺装层与钢板之间应变分布完全连续的前提下，以中性轴的偏移为损伤变量。采 用c h a b o c h e 和l e m a i t r e 等人提出的疲劳损伤演化方程式，直接推导了双层复合 梁疲劳损伤状况的当量弯曲刚度及铺装层顶面的应力与应变表达式，并建立了复 合梁铺装层的寿命方程。 在水泥混凝土梁桥方面，国内外的疲劳研究多集中在水泥混凝土梁桥上的铺 装材料1 6 2 j ，针对带水泥混凝土桥面板的铺装复合体系的疲劳特性研究较少。水泥 混凝土桥面铺装在国外研究、应用的已经相对比较成熟，德国、日本、美国等多 个国家都有适应自己国情的典型铺装材料与结构，各个国家均通过合理设计、施 工及具体验收的规则来保证水泥混凝土梁桥桥面铺装层的使用耐久